基于物聯(lián)網(wǎng)的大田環(huán)境智能監(jiān)測體系

◆方 露 李斌勇 閻澤誠 李文皓 高家奇 齊佳昕 廖懷凱

基于物聯(lián)網(wǎng)的大田環(huán)境智能監(jiān)測體系

◆方 露 李斌勇 閻澤誠 李文皓 高家奇 齊佳昕 廖懷凱

(成都信息工程大學網(wǎng)絡空間安全學院 四川 610225)

針對大田農(nóng)作物環(huán)境安全、農(nóng)田管理技術(shù)匱乏、農(nóng)作物產(chǎn)量停滯不前等現(xiàn)狀，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的大田智能監(jiān)測方案。圍繞該監(jiān)測方案，闡述了面向大田管理的物聯(lián)網(wǎng)絡拓撲設計思路，并結(jié)合Zigbee傳感網(wǎng)絡技術(shù)和Web網(wǎng)絡技術(shù)，設計出大田監(jiān)測的處理流程。在此基礎上，本文分別從系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、智能控制等角度，論述了詳細的功能設計方案。最后從物聯(lián)層次實現(xiàn)入手，重點對感知層、ZigBee組網(wǎng)和PC端數(shù)據(jù)處理三方面進行了詳細設計。為大田農(nóng)作物環(huán)境安全的實時監(jiān)測及預警處理，提供了可行支持。

物聯(lián)網(wǎng)；智能監(jiān)測；Zigbee

0 引言

隨著“感知地球”概念的提出，作為第三代網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)，是新一代網(wǎng)絡信息技術(shù)的重要組成部分，也是“二進制”時代的重要發(fā)展階段。它以電子信息為基礎，以物聯(lián)網(wǎng)安全為特色，加以創(chuàng)新和發(fā)展，兼容了物聯(lián)網(wǎng)的信息化特點，把各種傳感器和控制元件結(jié)合實際情況與我們?nèi)撕透鞣N事物進行了連接，因此形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。

近年來，由于天氣變化異常、農(nóng)田管理技術(shù)匱乏、化肥農(nóng)藥濫用等因素導致農(nóng)作物產(chǎn)量下降。面對這些不利因素，大田農(nóng)作物迫切需要構(gòu)建智能化、物聯(lián)化的管理體系，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高效化、生態(tài)化、優(yōu)質(zhì)化和安全化，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 總體設計

1.1 總體設計思想

大田智能監(jiān)測系統(tǒng)主要完成對大田環(huán)境的監(jiān)測和管理，結(jié)合高精度傳感器節(jié)點來采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的光照、溫度、濕度、風速、降雨量、二氧化碳濃度、酸堿度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且通過無線、有線等方式將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務器進行存儲管理。從而實現(xiàn)大田管理的自動預報提醒，為自動合理灌溉、自動合理施肥等提供決策支持，最終達到節(jié)省人力、物力和財力、合理灌溉、精準施肥、提高工作效率、提高產(chǎn)量等眾多目的。系統(tǒng)用戶可以通過WEB頁面或者時移動客戶端等方式遠程實時查看環(huán)境情況，也可以查看環(huán)境歷史數(shù)據(jù)，并可通過遠程操作解決某些突發(fā)狀況。

1.2 網(wǎng)絡拓撲設計

系統(tǒng)主要包括：采集環(huán)境數(shù)據(jù)的多個傳感器節(jié)點、匯集傳感器節(jié)點、采集數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)器節(jié)點、Zigbee網(wǎng)絡與TCP/IP網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換的PC機、數(shù)據(jù)庫服務器、提供HTTP接口和動態(tài)網(wǎng)頁服務的WEB服務器、用戶數(shù)據(jù)查看的PC機和手機移動客戶端。

為保障大田的智能監(jiān)測，系統(tǒng)硬件設施之間應構(gòu)建科學合理的物聯(lián)通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)建方案如下：

（1）傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點間通過Zigbee網(wǎng)絡通信；

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)PC機通過串口通信；

（3）網(wǎng)關(guān)PC機與數(shù)據(jù)庫服務器通過Socket套接字通信；

（4）WEB服務器直接通過JDBC（Java DataBase Connectivity standard）、ODBC（Open DataBase Connectivity）等應用程序接口訪問數(shù)據(jù)庫；

（5）移動應用客戶端通過WEB服務器提供的HTTP形式網(wǎng)絡接口獲取數(shù)據(jù)。

具體連接方式如圖1所示。

協(xié)調(diào)器在選擇通道和PAN ID組建網(wǎng)絡后，其功能將相當于一個路由器。協(xié)調(diào)器節(jié)點加入網(wǎng)絡，并為其路由數(shù)據(jù)。終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器通過串口將收到的數(shù)據(jù)上傳至PC端，客戶端軟件對協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)進行處理，以顯示在PC或者移動終端上，并且將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫保存。

圖1 物聯(lián)拓撲網(wǎng)絡設計圖

1.3 監(jiān)測流程設計

圖2 監(jiān)測流程設計圖

傳感器節(jié)點完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集后，通過ZigBee的方式傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口通信，將數(shù)據(jù)傳輸至PC機暫存。PC機后續(xù)通過Socket套接字與數(shù)據(jù)庫服務器通信，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務器。用戶通過動態(tài)頁面、移動客戶端兩種形式對大田作物生長環(huán)境信息進行實時查看及監(jiān)測。其中，移動客戶端通過調(diào)用WEB服務器開放的HTTP形式接口從數(shù)據(jù)庫獲取所需信息。其監(jiān)測流程圖如2所示。

2 功能設計

2.1 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立在遙感、遙測等無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)手段以及計算機的控制和輔助數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和處理上，可以通過監(jiān)控器設備實時監(jiān)控或者查看視頻錄像，在監(jiān)控中心或者遠程終端（手機或PC）上隨時查看作物的環(huán)境情況和生長狀況。實現(xiàn)大范圍監(jiān)測、長期無人監(jiān)測、復雜事件監(jiān)測以及同步監(jiān)測功能，突破人工巡檢和單點監(jiān)測的局限性；與人工巡檢的方式不同，無線傳感網(wǎng)可以長期部署在惡劣的天氣狀況下，無需人工維護或配置，不依賴任何基礎設施，感知數(shù)據(jù)可以通過無線鏈路傳回監(jiān)控中心；避免感知數(shù)據(jù)相對于環(huán)境變化的滯后，使得數(shù)據(jù)及時得到反饋，及時采取措施。

2.2 數(shù)據(jù)采集

環(huán)境數(shù)據(jù)采集建立在物聯(lián)網(wǎng)、精確的傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算等先進的信息技術(shù)的基礎上。數(shù)據(jù)采集包括地面上的數(shù)據(jù)采集和地面下的數(shù)據(jù)采集。地面上環(huán)境數(shù)據(jù)采集有：溫濕度、光照強度、風速、風向、二氧化碳濃度、降雨量等環(huán)境數(shù)據(jù)。地面下的數(shù)據(jù)：土壤的酸堿度、土壤溫度、水位、土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集后，通過ZigBee的方式傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口通信，將數(shù)據(jù)傳輸并暫存至PC機。

2.3 智能控制

系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測的不同類型的土壤含水量的不同，所種植的農(nóng)作物的不同，所需的灌溉方式不同等差別，通過監(jiān)測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與灌溉預報軟件的結(jié)合，獲得農(nóng)作物的最佳灌溉時間和最適灌溉量，達到實時合理灌溉，節(jié)約用水的目的。根據(jù)農(nóng)作物種植參數(shù)數(shù)據(jù)庫和大田信息數(shù)據(jù)庫的綜合分析，實施對農(nóng)作物合理施肥、噴灑農(nóng)藥等相關(guān)操作。

3 物聯(lián)層次設計

3.1 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的的核心部分，其定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務，并進行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)主要用到溫濕度傳感器、光敏傳感器、位置傳感器、頁面?zhèn)鞲衅?、酸堿度傳感器、煙霧傳感器等

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

傳感器采集數(shù)據(jù)流程如圖3，一開始便設置儲存地址指針，然后開啟中斷。在采樣時間到來之后配時鐘，用延時的方式等待信號。之后開始AD轉(zhuǎn)換，當模擬信號全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入儲存區(qū)，再次設置儲存地址指針，以此往復循環(huán)。

3.2 ZigBee組網(wǎng)

Zigbee與傳統(tǒng)無線傳輸不同，采用的是組網(wǎng)方式，通過匯聚節(jié)點來接收網(wǎng)絡節(jié)點的信息，再發(fā)送給終端，這樣傳輸速度高，而且Zigbee功率很低。如圖4所示，通過Zigbee組網(wǎng)能夠有效地解決許多傳輸上的問題。ZigBee協(xié)議花費較低，并且可以有很高的容錯率，本次的系統(tǒng)需要能夠進行長時間運行且可以有較低功耗的傳輸協(xié)議，速率也非?？?，而且可以有較大的覆蓋面積。一個End Device節(jié)點只能和Co-ordinator節(jié)點進行通訊。如果需要在兩個End Device節(jié)點之間進行通訊必須通過Co-ordinator節(jié)點進行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 ZigBee拓撲圖

3.3 PC端數(shù)據(jù)處理

由傳感器（溫度傳感器和光敏電阻）采集空氣中的各種數(shù)據(jù)：溫度、光照等，然后直接發(fā)送給終端（模塊直接傳輸），終端采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸給同一網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，由PC機接收后進行處理，將生成的模擬數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端，然后先存儲到本地的數(shù)據(jù)庫中，之后的WEB調(diào)用以及HTTP接口進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，都采用的是本地數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。另一端的數(shù)據(jù)通過Socket套接字，將Json數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器端，進行動態(tài)存儲。

圖5 數(shù)據(jù)處理設計

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖6 大田管理界面

如圖6所示為大田管理界面，根據(jù)需求將大田分為幾個不同的區(qū)域，用戶可在此頁面查看各個大田的詳情況或修改大田的相關(guān)信息，以便對各個大田進行統(tǒng)一管理進而精確地掌握各個大田的情況。

如圖7所示為大田數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，用戶可查看各個大田的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為用戶提供溫濕度、光照強度等各項大田環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測支持，并及時提供預警處理，確保大田農(nóng)作物的安全生長。

圖7 大田數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大田農(nóng)作物的監(jiān)測、管理系統(tǒng)，主要通過各類傳感器采集大田環(huán)境數(shù)據(jù)，以及時監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境情況。通過Zigbee組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到PC，存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預置專家意見來采取相應措施使，以實現(xiàn)大田的高效優(yōu)質(zhì)、安全化管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平不斷提高，當物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大田農(nóng)作物達到可控階段時將會更好地為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務。此外，對于物聯(lián)網(wǎng)大田監(jiān)測系統(tǒng)的安全問題，由于傳感器節(jié)點大多都是小巧便于攜帶而且部署在無人值守的環(huán)境中，容易受到拆卸、損壞等物理方面的攻擊，導致相關(guān)數(shù)據(jù)采集不到或是內(nèi)部數(shù)據(jù)被竊而給應用業(yè)務帶來風險。

[1]田宏武，鄭文剛，李寒.大田農(nóng)業(yè)節(jié)水物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016.

[2]張向飛.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)智能傳輸與大田監(jiān)測應用[D].東華大學，2016.

[3]趙金勝.大田物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2016.

[4]新疆生產(chǎn)建設兵團：集成物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng) 推進大田種植棉花精準生產(chǎn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2015.

[5]童領(lǐng)，陳曙光，王俊嶺，紀然然，彭晶晶，薛強.基于物聯(lián)網(wǎng)的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2014.

國家自然科學青年基金項目(71701026)、四川省科技計劃項目(2018GZ0307)、四川省教育廳重點項目(17ZA0069)、成都市科技局軟科學項目(2016-RK00-00089-ZF)、成都信息工程大學科研基金資助項目(KYTZ201618)。