基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)

摘要：立足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展和實(shí)際需求，合理選用ZigBee技術(shù)、無線組網(wǎng)枝術(shù)、傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、單片機(jī)智能控制技術(shù)、條碼識(shí)別技術(shù)、嵌入式TCP／IP技術(shù)、GSM通訊技術(shù)、GPRS通訊技術(shù)、GPS全球定位技術(shù)、DTU遠(yuǎn)程傳送技術(shù)、TTS語音合成技術(shù)、自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)切換技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)品環(huán)境監(jiān)測與培育平臺(tái)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品運(yùn)輸管理與控制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品銷售與分配管理系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)，可通過遠(yuǎn)程交互方式來解決農(nóng)作物的智能監(jiān)測和培育、運(yùn)輸、銷售等階段的一些實(shí)際問題，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的科學(xué)培育、精準(zhǔn)運(yùn)輸、產(chǎn)品溯源等智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；RFID；自適應(yīng)切換；遠(yuǎn)程交互

0 引言
    以感知和智能為特征的新技術(shù)的出現(xiàn)和相互融合，使得未來信息技術(shù)的發(fā)展由互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向物與物互聯(lián)信息主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線通信、傳感器、RFID等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，將催生一個(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)。2009年，溫家寶總理到中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)，提出建立“感知中國”傳感信息中心，更加推動(dòng)了我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展已被列入中國國家級(jí)重大科技專項(xiàng)，與新能源、綠色制造等并列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。
    物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為抓住機(jī)遇，明確方向，突出重點(diǎn)，加快培育和壯大物聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)我國《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，工業(yè)和信息化部制定了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。
    目前，我國物聯(lián)網(wǎng)在安防、電力、交通、物流、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，且應(yīng)用模式正日趨成熟。在安防領(lǐng)域，視頻監(jiān)控、周界防入侵等應(yīng)用已取得良好效果；在電力行業(yè)，遠(yuǎn)程抄表、輸變電監(jiān)測等應(yīng)用正在逐步拓展；在交通領(lǐng)域，路網(wǎng)監(jiān)測、車輛管理和調(diào)度等應(yīng)用正在發(fā)揮積極作用；在物流領(lǐng)域，物品倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、監(jiān)測應(yīng)用廣泛推廣；在醫(yī)療領(lǐng)域，個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用日趨成熟。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測、市政設(shè)施監(jiān)控、樓字節(jié)能、食品藥品溯源等方面也開展了廣泛的應(yīng)用。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念
    物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“The Internet of Things”，簡稱IOT。物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。即物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍：
    (1)要有相應(yīng)信息的接收器；
    (2)要有數(shù)據(jù)傳輸通路；
    (3)要有一定的存儲(chǔ)功能；
    (4)要有CPU；
    (5)要有操作系統(tǒng)；
    (6)要有專門的應(yīng)用程序；
    (7)要有數(shù)據(jù)發(fā)送器；
    (8)遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；
    (9)在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)
    隨著中國經(jīng)濟(jì)近30年來的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源緊缺和農(nóng)業(yè)對(duì)資源消耗過大的問題對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約愈發(fā)明顯。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將先進(jìn)的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是解決農(nóng)業(yè)發(fā)展滯后問題的有效方法。
2．1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)
    針對(duì)農(nóng)業(yè)的培育、運(yùn)輸、分配等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，其總體框架模型如表1所列。

    本文選用ZigBee、RFID、傳感器、單片機(jī)智能控制、Code39、QR解析、嵌入式TCP／IP、GPRS、GSM、GPS、DTU、TTS以及具有自適應(yīng)切換的網(wǎng)關(guān)等技術(shù)搭建了智能監(jiān)測與培育、運(yùn)輸管理與控制、銷售與溯源這三個(gè)子系統(tǒng)組成的應(yīng)用系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型中所有電路的PCB設(shè)計(jì)、程序接口、網(wǎng)關(guān)以及上位機(jī)交互均為自主設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制作功能模塊總計(jì)有23種。每個(gè)子系統(tǒng)或是模塊都結(jié)合實(shí)際應(yīng)用考慮，融合了不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架而成。三個(gè)組成子系統(tǒng)很好地體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)，解決了農(nóng)作物從培育到最后銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際問題。雖然三個(gè)子系統(tǒng)功能目不同，但是技術(shù)層次上又都是密切關(guān)聯(lián)的，相互配合達(dá)到了智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的要求。
2．2 農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)
    由ZigBee無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及培育控制設(shè)備所組成的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、培育控制設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和控制中心組成。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測溫度、濕度、光強(qiáng)等農(nóng)情信息采集并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)。各種衣情信息對(duì)農(nóng)作物的影響不同，例如光照是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的基本條件，在農(nóng)作物上方安放光照強(qiáng)度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境光照強(qiáng)度，能及時(shí)掌握農(nóng)作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度；環(huán)境溫度的高低直接影響農(nóng)作物生長速度與發(fā)育情況，空氣濕度也是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的重要因素，所以要在農(nóng)作物周圍安放空氣溫濕度傳感器。通過具有自適應(yīng)切換功能的網(wǎng)關(guān)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至控制中心?？刂浦行膶⒔邮盏降臄?shù)據(jù)經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)采集到的信息進(jìn)行匯總分析，結(jié)合專家決策系統(tǒng)發(fā)出反饋控制指令，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通過Internet生產(chǎn)者和技術(shù)研究人員就可以隨時(shí)隨地監(jiān)測所采集到的農(nóng)情信息，對(duì)作物生長情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。負(fù)責(zé)農(nóng)作物生產(chǎn)的技術(shù)人員將根據(jù)其作物的生長實(shí)況和實(shí)際需求制定合理的培育策略(比如增加溫度、增加濕度、澆灌)，通過將集成有嵌入式TCP／IP協(xié)議的培育設(shè)備連接到Internet網(wǎng)，通過遠(yuǎn)程執(zhí)行所制定的策略，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)收到信息后會(huì)做出響應(yīng)，例如調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、灌溉時(shí)間、除草劑濃度等等。

2．3 農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸管理與控制系統(tǒng)
    農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸管理與控制系統(tǒng)如圖2所示，由圖1中的遠(yuǎn)程控制中心下達(dá)控制命令，車輛群上配置有DTU(GPS+GPRS)單元。在車輛離開管理中心后，車輛上所安裝自行設(shè)計(jì)的DTU單元會(huì)將當(dāng)前車輛的位置信息回饋到控制中心。

    通過在運(yùn)輸車輛上的DTU單元，無線遠(yuǎn)程發(fā)送回該車輛當(dāng)前的經(jīng)緯度、車速、海拔高度、衛(wèi)星授時(shí)時(shí)間到遠(yuǎn)程控制中心，控制中心再將遠(yuǎn)程傳回的GPS數(shù)據(jù)與電子地圖建立函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，將運(yùn)輸車輛擬化為地圖上的一個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，就可以對(duì)該點(diǎn)的行車路線、行車車速、行車狀況進(jìn)行透明無誤地監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)智能控制和管理。通過裝載農(nóng)作物產(chǎn)品箱體中的傳感器可以監(jiān)測到農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸中的溫濕度等信息?？刂浦行挠蠫SM、GPRS組成的即時(shí)語音通信平臺(tái)，可以通過中心計(jì)算機(jī)控制軟件與工作中的運(yùn)輸車輛取得聯(lián)系，對(duì)于排除緊急事件和實(shí)際難題具有非常明顯的意義。
2．4 農(nóng)產(chǎn)品銷售和分配管理系統(tǒng)
    圖3所示是農(nóng)產(chǎn)品銷售和分配管理系統(tǒng)圖，其設(shè)計(jì)模型中使用了紙盒來模擬真實(shí)的箱體，紙盒的4面都貼有不同的電子標(biāo)簽。

    在箱體上集成了4種技術(shù)用來識(shí)別和驗(yàn)收貨物：125 kHz頻段下和13．56 MHz頻段下的RFID射頻識(shí)別、一維條碼識(shí)別、二維QR碼。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯物聯(lián)網(wǎng)由讀寫傳感器和電子標(biāo)簽、讀寫器和查詢的網(wǎng)絡(luò)接入與控制數(shù)據(jù)中心組成。自主研發(fā)的模塊用于制作兩種125 kHz讀卡設(shè)備：一種適合在Windows下作為HID設(shè)備免驅(qū)動(dòng)讀取卡號(hào)，卡號(hào)可以由上位機(jī)進(jìn)行變更；一種是串口輸出ID號(hào)碼的模塊，適合嵌入式的應(yīng)用。通過電子標(biāo)簽記錄農(nóng)產(chǎn)品在培育、運(yùn)輸和銷售環(huán)節(jié)的所有信息，并通過Internet系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心保存。用戶可以在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)平臺(tái)或者超市商品溯源機(jī)上，通過查詢農(nóng)產(chǎn)品的編號(hào)獲取該農(nóng)產(chǎn)品的所有的銷售信息。

3 部分模塊設(shè)計(jì)
3．1 自適應(yīng)切換的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與控制中心連接的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠根據(jù)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式自適應(yīng)切換，然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)給遠(yuǎn)程控制中心，同時(shí)對(duì)于控制中心所發(fā)的指令給予相應(yīng)的處理。

    網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)采用基于模塊化、核心板和接口底板分離的思想和嵌入式雙MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的抗電磁干擾能力。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中虛線框中的是可選模塊。在底板上集成了多種接入傳輸網(wǎng)的功能模塊，包括以太網(wǎng)、Wi-Fi、GPRS、CDMA等，核心板和底板配合即可構(gòu)成一個(gè)最小的完整應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。采用最小系統(tǒng)核心板加底板方案能夠滿足不同層次的應(yīng)用，只要根據(jù)實(shí)際需求通過增刪底板上的功能就可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可以方便硬件系統(tǒng)調(diào)試。
3．2 GPS硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用臺(tái)灣鼎天科技有限公司的REB3571—GPS芯片組，搭配以自主設(shè)計(jì)的外圍電路來完成系統(tǒng)硬件底層的構(gòu)建，其最小電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3．3 自主研發(fā)的125 kHz免驅(qū)讀卡器
    自主研發(fā)的125 kHz頻段下的免驅(qū)USB RFID讀卡器如圖6所示，USB即插即用，免驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置天線，更小巧，使用更靈活，讀卡速度快，可在任何編輯框讀入卡號(hào)，還可以定制卡號(hào)的格式；可用手持機(jī)(PDA)刷卡輸入設(shè)備、PC機(jī)讀入、POS機(jī)輸入設(shè)備以及外置讀卡器組件、RFID讀卡節(jié)點(diǎn)等。

    本設(shè)計(jì)采用低頻免驅(qū)讀頭改進(jìn)傳統(tǒng)電路，并利用電荷泵原理構(gòu)建H橋大幅提升線圈功率，同時(shí)利用LC配對(duì)諧振后，經(jīng)包絡(luò)檢波至非門單元整形濾波去毛刺修波形，最后得到干凈的Manchester時(shí)序輸出，再通過低成本、低功耗的STC51MCU譯碼并以ps／2時(shí)序輸出至后級(jí)ps／2轉(zhuǎn)USB芯片輸出。

4 結(jié)語
    將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)部分的模塊設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)過程、農(nóng)產(chǎn)品流通及溯源之間的信息化與智能化管理。