基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)

摘要：21世紀(jì)是信息化的時代，在這一時代科學(xué)技術(shù)得以飛速發(fā)展，因此科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到各個行業(yè)的發(fā)展當(dāng)中，進(jìn)而加快了我國社會主義現(xiàn)代化的發(fā)展步伐。因此，為了提高農(nóng)民自主抗風(fēng)險(xiǎn)能力，我們可以將信息技術(shù)當(dāng)中的信息采集系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)田發(fā)展建設(shè)當(dāng)中，以此來促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品的生長以及培育工作，其次還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的自動化灌溉技術(shù)，進(jìn)而規(guī)避農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上降低我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的損失，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，以此來加快我國農(nóng)業(yè)建設(shè)的發(fā)展，因此對其進(jìn)行研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 農(nóng)田環(huán)境? 信息采集控制? 預(yù)警系統(tǒng)

引言

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程當(dāng)中，可以利用其信息感知設(shè)備對農(nóng)作物的生長狀況進(jìn)行實(shí)時的反饋，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物和互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交換、信息傳輸以及信息處理的工作，以此來對農(nóng)作物的生長狀況進(jìn)行全程的跟蹤與管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的一體化發(fā)展。

一、農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在農(nóng)田環(huán)境中我們需要以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，從而設(shè)計(jì)出一套農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)。其系統(tǒng)的工作原理是需要將傳感器放在不同的區(qū)域當(dāng)中，以此來對不同區(qū)域的水分、光照以及溫度、濕度等進(jìn)行監(jiān)測與管理，以此來調(diào)整出適合農(nóng)作物生長的環(huán)境，進(jìn)而提升農(nóng)作物的抗災(zāi)能力以及保證農(nóng)作物的生產(chǎn)量。

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)模塊、控制采集模塊以及電源這三部分。其中農(nóng)田環(huán)境信息包含環(huán)境濕度信息、風(fēng)速信息、土壤水分信息、光照度信息等多種信息構(gòu)成，其中這些信息所對應(yīng)的模塊分別為數(shù)字溫濕度傳感器模塊、數(shù)字風(fēng)速風(fēng)傳感器模塊、數(shù)字土壤濕度傳感器模塊、光強(qiáng)度檢測模塊。此外、本文主要選用Arduino信號開放板以此來對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，因其開放板要更加的節(jié)能降耗，因此可以充分的解決農(nóng)田種植過程當(dāng)中的供電困難問題。其次，該開放板在正常插接的情況下，功能十分強(qiáng)大，除此之外其運(yùn)行電源強(qiáng)大可以有效的解決系統(tǒng)中傳感器的供電問題，進(jìn)而有效的節(jié)約了其設(shè)備運(yùn)行成本。

其次農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的網(wǎng)絡(luò)模塊是由由 Arduino Ethernet W5100 和 TP-LINKTL-WR720N、EC122組成的。對網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行安裝需要以下兩個步驟：首先，需要將路由器格式化，然后再開啟路由器當(dāng)中DHCP的服務(wù)模式，其次，還需要在路由器程序當(dāng)中設(shè)置IP地址，以此來保證其軟件能夠正常運(yùn)行。第二，我們需要在Arduino上安裝W2100軟件，并對其軟件進(jìn)行初始化操作，其次還需要將該地區(qū)的物理地質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)置在其軟件之上，當(dāng)其程序運(yùn)行時，通過控制Yeelink平臺來接收環(huán)境信息。其次，農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)的控制核心是ArduinoUNO R3程序，該程序主要采用的是AT-mega328微處理器。通過該處理器能夠?qū)λ械谋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)化處理，并且還可以將監(jiān)控到的信息及時傳遞給農(nóng)業(yè)管理人員。除此之外，電源的組成主要有兩部分別為：9伏干電池以及移動電源。其中，9伏干電池主要用來為網(wǎng)絡(luò)模塊、開發(fā)板以及傳感器供電;移動電源用來為路由器提供電力。

（二）關(guān)于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)研究表明，其上位機(jī)軟件主要運(yùn)用Lab view軟件程序和Yeelink平臺來在串口上傳數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工作，其次，系統(tǒng)下機(jī)軟件是由數(shù)據(jù)傳送子程序、信號采集子程序、主程序、初始化程序組成的。

二、農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)的功能

我們需要將其系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置在檢測區(qū)域之內(nèi)，以此來形成物聯(lián)網(wǎng)的基本單元，保證傳感器各個節(jié)點(diǎn)之間能夠相互交流、通信以，此來將相鄰的兩個節(jié)點(diǎn)形成簇，簇首節(jié)點(diǎn)通常是來對傳感節(jié)點(diǎn)所收集的信息進(jìn)行處理融合，然后對其進(jìn)行壓縮，以此來將壓縮好的數(shù)據(jù)傳送到各個匯聚節(jié)點(diǎn)。由此可以看出匯聚節(jié)點(diǎn)主要功能是承擔(dān)任務(wù)管理和傳感器之間通訊和交流。除此之外，WSN數(shù)據(jù)與質(zhì)量管理的中心便是任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，農(nóng)業(yè)管理人員主要依靠傳感器網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)節(jié)點(diǎn)配置以此來對農(nóng)作物種植環(huán)境進(jìn)行信息檢測和收集工作。其次，為了對各個傳感器節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行監(jiān)測，我們可以通過節(jié)點(diǎn)的自身定位算法或者是GPS定位技術(shù)以此來獲取其位置，根據(jù)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的信息收集質(zhì)量，并將采集的信息指令傳送給各個簇首節(jié)點(diǎn)，由簇首節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行處理，以此來將信息傳遞給不同的匯聚節(jié)點(diǎn)。此后，匯聚節(jié)點(diǎn)會對信息進(jìn)行接受處理工作，從而再利用通信衛(wèi)星或者是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給相應(yīng)的管理節(jié)點(diǎn)。

三、農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)工作流程

首先，農(nóng)業(yè)管理人員需要運(yùn)用任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)以此來對互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)布環(huán)境信息查詢指令，然后運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)信息將所下達(dá)的指令傳遞到各個匯聚節(jié)點(diǎn)上。第二，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)收集到所下發(fā)指令時，會對其對應(yīng)的簇首下發(fā)命令，當(dāng)簇首接到命令之后，會激活簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)從而對農(nóng)業(yè)管理人員所下達(dá)的命令進(jìn)行信息收集。當(dāng)節(jié)點(diǎn)將信息收集好之后，會對所收集的信息進(jìn)行篩選以及整理工作，然后節(jié)點(diǎn)會將整理好的信息傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)，由簇首節(jié)點(diǎn)對該信息進(jìn)行融合以及壓縮，并最后將數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。

第三，匯聚節(jié)點(diǎn)會對簇首節(jié)點(diǎn)所傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的分析和整理，從而由外部網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給任務(wù)節(jié)點(diǎn)，并由此來將最終的信息反饋到農(nóng)業(yè)管理人員那里。

四、農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)定位控制

對于系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)的定位與控制工作是農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。一旦節(jié)點(diǎn)設(shè)置錯誤，就會導(dǎo)致信息收集預(yù)警工作無法正常進(jìn)行，從而導(dǎo)致整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓，進(jìn)而無法發(fā)揮其在農(nóng)田種植當(dāng)中的重要作用。因此，為了避免這種狀況的發(fā)生，我們在對互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時可以采用節(jié)點(diǎn)的自身定位算法或者GPS定位技術(shù)，以此來獲取節(jié)點(diǎn)的正確位置，進(jìn)而確保節(jié)點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。其中節(jié)點(diǎn)的自身算法指的是利用距離估算法，以此來對傳感網(wǎng)絡(luò)中的每一個新表節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的信息進(jìn)行估算，以此來獲取位置節(jié)點(diǎn)的正確方位。GPS定位技術(shù)獲取節(jié)點(diǎn)技術(shù)，這種技術(shù)具有非常好的抗干擾能力并且其準(zhǔn)確率要比節(jié)點(diǎn)的自身算法準(zhǔn)確率高，但是由于其運(yùn)行成本較高，并且對節(jié)的要求非常嚴(yán)格，因此這種技術(shù)只適用于大型、高成本的自動化傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中。

五、結(jié)論

綜上所述，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)田環(huán)境當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境管理與檢測的智能化、一體化、信息化與自動化，以此來實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用和管理，運(yùn)用此系統(tǒng)可以有效的提高農(nóng)作物的抗災(zāi)能力，進(jìn)而保證農(nóng)作物的產(chǎn)量，本文通過對農(nóng)田系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)工作流程等對其進(jìn)行詳細(xì)的分析，以此來保證其系統(tǒng)運(yùn)行時的高效性和準(zhǔn)確性。

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作者簡介

杜朝，1977年9月，漢族，男，山西運(yùn)城人，本科學(xué)歷，碩士學(xué)位，單位：山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，職稱：講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。