基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐曉雨 ，張 旭 ，朱 勇

（1牡丹江師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157000）

（2哈爾濱翔冠科技開發(fā)有限公司 黑龍江 哈爾濱 150000）

（3黑龍江大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

為保障我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)快速過渡到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，我們必須在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域掌握相關(guān)的技術(shù)并根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際，提高農(nóng)業(yè)信息化水平，加快我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的速度。使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，充分利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源以減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量和農(nóng)民收入，這是智慧農(nóng)業(yè)首先要解決的問題。伴隨傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由此誕生。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的融合將有助于智慧農(nóng)業(yè)的興起。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研中，有了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加入，能夠顯著地轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提高管理水平。有助于加快我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展步伐，可以幫助我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品的溯源領(lǐng)域，還可以監(jiān)控農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖，或者遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)作物的生產(chǎn)過程等諸多領(lǐng)域。由此可以看出信息技術(shù)尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深刻影響?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)將是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將會(huì)迎來(lái)前所未有的大變革。

2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的含義就是物體與物體之間，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，來(lái)完成信息交換和數(shù)據(jù)通信。1999年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出。研究設(shè)計(jì)出了第一版的無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID），也就是說物聯(lián)網(wǎng)最出的理論體系是基于RFID技術(shù)完成的。

無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本原理是：通過互聯(lián)網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別。主要包括對(duì)物體的定位、實(shí)時(shí)的監(jiān)控以及有效的管理。伴隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的日臻成熟，WSN和RFID的有機(jī)的結(jié)合到一起，形成了物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的報(bào)告，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)做出以下解析：通過無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、二維碼識(shí)讀設(shè)備等相關(guān)的信息傳感系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)通過統(tǒng)一的協(xié)議互通互連，利用互聯(lián)網(wǎng)作為媒介實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的身份識(shí)別、跟蹤定位和有效管理的綜合網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由感知層、傳輸層以及應(yīng)用層三個(gè)層次組成。其中感知層以自組織的方式構(gòu)成局域網(wǎng)，利用WSN、RFID等信息感知系統(tǒng)識(shí)別和感知周邊的環(huán)境信息；傳輸層是利用運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)（2G、3G、4G）和各種專用網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)中，來(lái)完成對(duì)感知信息的有效傳輸；應(yīng)用層實(shí)際上就是物聯(lián)網(wǎng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如：智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧物流等等。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

我國(guó)東北地區(qū)在農(nóng)業(yè)種植方面主要依靠傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，以黑龍江牡丹江地區(qū)為典型。這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，經(jīng)營(yíng)管理落后等不良后果。因此從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型是很有必要的。

在智慧農(nóng)業(yè)模式下，可以檢測(cè)農(nóng)田全方位、完整的數(shù)據(jù)信息：土壤的溫度和濕度、周邊空氣的溫度和濕度、降雨量、風(fēng)度大小、水質(zhì)的pH值等等。由于農(nóng)田地理?xiàng)l件本身的復(fù)雜度很高，采集的數(shù)據(jù)也是多樣的。各種傳感器需要放置在野外的環(huán)境中，一旦電源用光或者其他故障都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法工作。另外這些傳感器經(jīng)常需要改變分布的位置，大多數(shù)監(jiān)控器的設(shè)計(jì)都是以有線的方式接入組網(wǎng)的。對(duì)于面積覆蓋廣袤的農(nóng)田來(lái)說，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性要求。這些局限性都為農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集帶來(lái)了困難。

因此，很有必要研發(fā)出一套具有實(shí)時(shí)測(cè)量、智能化管理、可移動(dòng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。這對(duì)我國(guó)升級(jí)改良傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推進(jìn)農(nóng)業(yè)部門的管理水平的提高都具有深遠(yuǎn)的意義。根據(jù)以上的分析，可以將無(wú)線視頻檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線傳感器系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)的結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)也可以劃分為三個(gè)部分：感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。

系統(tǒng)的最底層為感知層，可以由放置在農(nóng)田的無(wú)線傳感器子系統(tǒng)和無(wú)線視頻監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過各種傳感器陣列完成對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的采集。系統(tǒng)的中間層為傳輸層，主要由協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢詫⒏兄獙硬杉母鞣N環(huán)境信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，起到承上啟下的重要連接作用。系統(tǒng)的最高層為應(yīng)用層，可以由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成。用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和各種信息的發(fā)布，其本質(zhì)上就是一種數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可以采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)既有農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也有歷史數(shù)據(jù)，不管是農(nóng)業(yè)管理者還是普通的用戶，都能夠通過數(shù)據(jù)監(jiān)控中心對(duì)所關(guān)心的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行查看和對(duì)比。除此之外，還可以控制系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備，管理或者發(fā)起相關(guān)的控制指令。

4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的總體思路應(yīng)當(dāng)基于如下幾點(diǎn)考慮：首先需要對(duì)農(nóng)田環(huán)境重要的參數(shù)進(jìn)行采集；其次應(yīng)該可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)形式以視頻文件為主；第三，對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)要存儲(chǔ)到Web服務(wù)器中，形成一個(gè)基礎(chǔ)信息庫(kù)，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展積累第一手?jǐn)?shù)據(jù)；另外對(duì)于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近采取動(dòng)態(tài)的傳輸方式，近距離采取有線方式，遠(yuǎn)距離采取無(wú)線方式；最后，農(nóng)業(yè)管理者需要經(jīng)過注冊(cè)之后，才能登陸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況。基于以上的設(shè)計(jì)思路，具體方案如下：采用ZigBee和WiFi技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析功能。可由以下三個(gè)子模塊組成：農(nóng)田信息采集模塊、農(nóng)田環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。

農(nóng)田信息采集模塊可由土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器以及小型的氣象信息站，組成一個(gè)基于紫峰協(xié)議的無(wú)線監(jiān)控測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。主要的功能是采集農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)域的土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度、CO濃度等主要數(shù)據(jù)。每一個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，都可以由兩部分組成，一是土壤溫度、土壤濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，即農(nóng)田土壤重要參數(shù)的采集。二是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，具有兩大功能：第一種是作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，自動(dòng)地對(duì)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)和組建，同時(shí)也可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總；第二種是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心信息的傳遞。溫濕度傳感器在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)是呈正三角形狀分布的，通過ZigBee協(xié)議將采集到的協(xié)議發(fā)送到相鄰的路由節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)把信息傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，來(lái)完成對(duì)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集與顯示。農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊可由分散在種植區(qū)域的多個(gè)視頻監(jiān)控?cái)z像頭（每個(gè)攝像頭相距約150米）來(lái)實(shí)現(xiàn)。WiFi無(wú)線視頻監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由WiFi無(wú)線路由及無(wú)線網(wǎng)關(guān)組成，來(lái)負(fù)責(zé)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)的監(jiān)控。分布在各個(gè)區(qū)域內(nèi)的攝像頭通過WiFi將捕捉到的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱腤iFi無(wú)線路由，以便將視頻數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，最后由無(wú)線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊主要的作用是對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)域的各種數(shù)據(jù)的顯示和農(nóng)作物實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)的顯示，從而為農(nóng)業(yè)管理者提供直觀有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)種植。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)工作流程為：利用安置在農(nóng)田的傳感器子系統(tǒng)、高清視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、氣象站子系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況。通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)再將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心分析處理并最終存儲(chǔ)起來(lái)。普通用戶或者農(nóng)業(yè)管理者只要經(jīng)過系統(tǒng)注冊(cè)認(rèn)證成功之后，都可以登錄到服務(wù)器，實(shí)時(shí)了解農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況，在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的前臺(tái)界面上，通過不同形式的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式來(lái)顯示農(nóng)田環(huán)境具體的變化情形。

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