基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計

張博文，張正炳

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計

張博文，張正炳

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率低、經(jīng)營管理落后等問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(SASIOT)：采用混合網(wǎng)(ZigBee和WiFi)實現(xiàn)了對農(nóng)田自然條件參數(shù)的采集和農(nóng)作物生長狀況實時監(jiān)控，極大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與管理水平；采用基于正三角形網(wǎng)格的土壤溫濕度傳感器部署方法，使傳感器有效覆蓋率達到最大。該系統(tǒng)具有實時采集農(nóng)作物生長區(qū)塊的土壤溫度和濕度、環(huán)境溫度和濕度、風(fēng)速等自然條件參數(shù)來監(jiān)測農(nóng)作物生長條件以及通過實時視頻來觀測和分析農(nóng)作物生長狀況功能，為實施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息自動檢測、對環(huán)境進行智能控制和科學(xué)管理提供有效依據(jù)，具有實時監(jiān)測、智能管理等優(yōu)點。該系統(tǒng)投入實際應(yīng)用后，可極大改善地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與管理水平，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；混合網(wǎng)；正三角形網(wǎng)格

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系著國家的利益和社會的穩(wěn)定，以及我國在國際競爭中的地位。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠和使用落后的生產(chǎn)工具和生產(chǎn)技術(shù)維持著簡單再生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低，經(jīng)營管理和生產(chǎn)技術(shù)較落后，抵抗自然災(zāi)害能力差，農(nóng)業(yè)得不到很好的發(fā)展[1,2]。智慧農(nóng)業(yè)[3～5]是指將人工智能技術(shù)[6]應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項高新技術(shù)，涵蓋了對農(nóng)田自然條件參數(shù)的采集、利用信息處理等技術(shù)進行參數(shù)分析，最終通過智慧農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)[7，8]指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。智慧農(nóng)業(yè)主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感檢測技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機處理分析技術(shù)、通信技術(shù)等。黑龍江齊齊哈爾地區(qū)長期依靠傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進行生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低，經(jīng)營管理落后，為了解決這一問題，筆者設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(SASIOT)。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念及體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，簡稱IOT) 的概念是在1999年提出的，2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things》互聯(lián)網(wǎng)報告[9]，對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義: 通過智能感知、識別、普適計算等通信感知技術(shù)，按約定的協(xié)議，把物理世界與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息共享和通信的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層通過基本的感應(yīng)設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送；傳輸層解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)的傳輸問題，主要完成接入和傳輸功能，是進行信息交換、傳遞的數(shù)據(jù)通道；應(yīng)用層主要用于對所采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理。

2 系統(tǒng)功能

SASIOT應(yīng)具備下列基本功能：通過土壤溫濕度傳感器，實時采集農(nóng)作物生長區(qū)塊的土壤溫度、濕度；通過部署小型氣象站，實時采集并監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等自然條件參數(shù)；通過WiFi無線視頻監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)農(nóng)作物生長狀況的實時監(jiān)測。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采用混合網(wǎng)(ZigBee和WiFi)來實現(xiàn)SASIOT功能，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括農(nóng)田信息采集模塊、農(nóng)田實時監(jiān)測模塊、監(jiān)控中心模塊等。

農(nóng)田信息采集模塊由土壤溫濕度傳感器和小型氣象站組成一個ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要負責(zé)采集農(nóng)作物生長區(qū)塊的土壤溫度、濕度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。每個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和若干個土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基站，具有雙重功能：一是作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯集功能；二是負責(zé)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心消息的傳遞。溫濕度傳感器呈正三角形分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給臨近的路由節(jié)點，并通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集與顯示。

農(nóng)田實時監(jiān)測模塊由分布在種植區(qū)塊的多個視頻監(jiān)控攝像頭(相隔100～200m)、WiFi無線路由及無線網(wǎng)關(guān)組成WiFi無線視頻監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要負責(zé)農(nóng)作物生長狀況實時監(jiān)控。分布在區(qū)塊內(nèi)的攝像頭通過WiFi將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至最近的臨近WiFi無線路由，再由無線路由將視頻數(shù)據(jù)傳輸至無線網(wǎng)關(guān)，最終由無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。其中種植區(qū)塊的WiFi路由采用中等功率的WiFi路由器，以完成100～1000m的WiFi通信；與監(jiān)控中心通信無線路由采用超大功率的WiFi路由器，以完成1000～5000m的WiFi通信。如果無線網(wǎng)關(guān)具備接入互聯(lián)網(wǎng)條件，系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)送入互聯(lián)網(wǎng)，以便進行大數(shù)據(jù)管理與分析。

監(jiān)控中心模塊主要負責(zé)農(nóng)作物生長區(qū)塊的土壤溫度、濕度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)的顯示以及農(nóng)作物實時視頻監(jiān)測顯示，從而為農(nóng)業(yè)管理人員進行科學(xué)種植提供有效依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

4 土壤溫濕度傳感器部署

圖3 節(jié)點部署示意圖

農(nóng)田信息采集模塊采用了無線傳感器

網(wǎng)絡(luò)[10,11]，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署質(zhì)量的好壞在很大程度上決定著網(wǎng)絡(luò)的性能和壽命。由于農(nóng)田具有面積廣等特點，在實際部署中必須考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、連通性和節(jié)能問題[12]。筆者采取正三角形網(wǎng)格的部署方案，把農(nóng)田區(qū)域分解成許多個正三角形網(wǎng)格，將土壤溫濕度傳感器部署在網(wǎng)格中。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一些區(qū)域會被幾個傳感器所覆蓋，如圖3(a)中的區(qū)域S，S區(qū)域的信息能同時被2個感知半徑為R的傳感器監(jiān)測到，顯然，有一個傳感器對此區(qū)域的覆蓋是無效的，即這2個傳感器有效覆蓋區(qū)域為：

A=2πR2-S

(1)

把有效覆蓋區(qū)域與所有傳感器能覆蓋的總區(qū)域之比定義為有效覆蓋率，記為L，則圖3(a)的有效覆蓋率為：

(2)

圖3(b)所示為正三角形部署方案，把傳感器節(jié)點部署在正三角形的3個頂點。設(shè)傳感器的感知半徑為R，則陰影部分面積為：

(3)

有效覆蓋區(qū)域A為：

A=3πR2-12S0

(4)

有效覆蓋率L為：

(5)

可見，采用基于正三角形網(wǎng)格的部署方案可使有效覆蓋率高達0.942，可大大減少傳感器的數(shù)量，是非常理想的傳感器部署方案。

5 系統(tǒng)運行結(jié)果

按照所提出的系統(tǒng)方案完成SASIOT系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試,整個系統(tǒng)運行示意圖如圖4所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域?qū)⒉杉降耐寥罍貪穸?、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)通過混合網(wǎng)(ZigBee和WiFi)傳送至監(jiān)控中心，無線視頻監(jiān)控區(qū)域?qū)⑥r(nóng)田實時監(jiān)控數(shù)據(jù)通過WiFi路由傳送至監(jiān)控中心。為避免由傳感器故障、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫蛩禺a(chǎn)生異常數(shù)據(jù)[13～15]，使灌溉控制閥門(預(yù)留)作出錯誤響應(yīng)，在農(nóng)田信息采集模塊中使用了分布圖法[16,17]剔除采集數(shù)據(jù)序列中的異常數(shù)據(jù)，然后利用一階低通濾波器對所采集的數(shù)據(jù)進行了平滑處理。系統(tǒng)運行結(jié)果如圖5所示，包括黑龍江齊齊哈爾地區(qū)某試驗田2015年10月22日氣象數(shù)據(jù)(包括土壤溫度、濕度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù))和該試驗田實時監(jiān)控畫面。通過監(jiān)控中心顯示的農(nóng)田氣象數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控畫面，農(nóng)業(yè)管理人員可實時掌握農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)和生長狀況，為實行農(nóng)業(yè)生態(tài)信息智能控制和科學(xué)管理提供有效依據(jù)，極大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與管理水平。

圖4 系統(tǒng)運行示意圖

6 結(jié)語

設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(SASIOT)方案，通過采用混合網(wǎng)(ZigBee和WiFi)來實現(xiàn)對農(nóng)田自然條件參數(shù)的采集和農(nóng)作物生長狀況的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)已經(jīng)得到實際應(yīng)用，一定程度上實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)的智能監(jiān)測和科學(xué)管理，極大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與管理水平，并逐步進行推廣。在項目實施過程中，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)缺乏統(tǒng)一標準，傳感器的質(zhì)量和數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，整合難度大，因此下一步將研究標準化的數(shù)據(jù)接口，提高平臺通用性，降低應(yīng)用成本。同時，由于農(nóng)田數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型復(fù)雜，要從所采集數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必須對數(shù)據(jù)進行挖掘，數(shù)據(jù)挖掘首先要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后選擇合適的數(shù)據(jù)挖掘算法提取有價值的數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。雖然當(dāng)前的傳感檢測技術(shù)、通信技術(shù)還有待提高，但隨著技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中將得到廣泛應(yīng)用。

圖5 系統(tǒng)運行結(jié)果

[1] 潘洪剛，王禮力. 改造中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的困境與出路[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，28(3):49～53.

[2]呂唯因，張慧芳.論我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)改造的問題[J]. 經(jīng)濟視角，2014(9) : 177～178.

[3]李道亮.物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(1):1～7.

[4] 周國民. 淺議智慧農(nóng)業(yè)[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009(10):5～7.

[5] 頓文濤，趙玉成，袁帥. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014(10):9～12.

[6] 張妮，徐文尚，王文文. 人工智能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用研究綜述[J]. 煤礦機械，2009，30(2): 4～6.

[7] 李朝東，崔國賢，盛暢，等. 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究進展及發(fā)展方向[J]. 農(nóng)機化研究，2008(1):235～238.

[8] 降惠，李杰.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與情景展望[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(1): 76～78.

[9]ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things [EB/OL]. http: //www.itu.int/osg/spu/pub-lications/internetofthings,2013-03-20.

[10]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]. 電子與信息學(xué)報，2013，35(1):215～227.

[11] 尚興宏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué)，2013.

[12] 林敏敏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)節(jié)點部署的研究[D]. 廣州: 中山大學(xué)，2010.

[13]潘淵洋. 環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的異常數(shù)據(jù)檢測方法[D]. 杭州: 浙江農(nóng)林大學(xué)，2012.

[14] 譚義紅. 傳感器網(wǎng)絡(luò)中異常數(shù)據(jù)實時檢測算法[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(18):4335～4338.

[15] 鐘一洋，劉興長. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流異常數(shù)據(jù)的聯(lián)合估計算法[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報，2012，28(6): 90～96.

[16] 張佳薇，曹軍.基于分布圖與分批估計的自校準層融合算法研究[J]. 森林工程，2010，26(6): 26～30.

[17] 夏卓君. 分布圖法在疏失誤差處理中的應(yīng)用[J]. 實用測試技術(shù)，2002，28(2): 33～34.

[編輯] 洪云飛

2016-06-28

張博文(1992-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用方向的研究工作。

張正炳(1961-)，男，教授，現(xiàn)主要從事圖像與視頻編碼、信號與信息處理和物聯(lián)網(wǎng)方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：zhangzb@yangtzeu.edu.cn。

TN929.5；TP391.4

A

1673-1409(2016)28-0066-05

[引著格式]張博文，張正炳.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(28)：66～70.