基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(tǒng)

摘要：立足現代農業(yè)智能化發(fā)展和實際需求，合理選用ZigBee技術、無線組網枝術、傳感器技術、RFID技術、單片機智能控制技術、條碼識別技術、嵌入式TCP／IP技術、GSM通訊技術、GPRS通訊技術、GPS全球定位技術、DTU遠程傳送技術、TTS語音合成技術、自適應網關切換技術等物聯(lián)網關鍵技術，設計了一種基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農業(yè)產品環(huán)境監(jiān)測與培育平臺系統(tǒng)、農業(yè)產品運輸管理與控制系統(tǒng)、農業(yè)產品銷售與分配管理系統(tǒng)等三個子系統(tǒng)，可通過遠程交互方式來解決農作物的智能監(jiān)測和培育、運輸、銷售等階段的一些實際問題，最終實現農作物的科學培育、精準運輸、產品溯源等智能農業(yè)應用。
關鍵詞：智能農業(yè)；物聯(lián)網；ZigBee；RFID；自適應切換；遠程交互

0 引言
    以感知和智能為特征的新技術的出現和相互融合，使得未來信息技術的發(fā)展由互聯(lián)網轉向物與物互聯(lián)信息主導的物聯(lián)網。物聯(lián)網是在計算機互聯(lián)網的基礎上，利用無線通信、傳感器、RFID等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。物聯(lián)網被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮，將催生一個巨大的新興產業(yè)。2009年，溫家寶總理到中科院無錫高新微納傳感網絡工程技術研發(fā)中心考察時，提出建立“感知中國”傳感信息中心，更加推動了我國在物聯(lián)網領域的技術研究和產業(yè)發(fā)展。2009年，物聯(lián)網技術發(fā)展已被列入中國國家級重大科技專項，與新能源、綠色制造等并列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)。
    物聯(lián)網已成為當前世界新一輪經濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，發(fā)展物聯(lián)網對于促進經濟發(fā)展和社會進步具有重要的現實意義。為抓住機遇，明確方向，突出重點，加快培育和壯大物聯(lián)網，根據我國《國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》和《國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》，工業(yè)和信息化部制定了《物聯(lián)網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。
    目前，我國物聯(lián)網在安防、電力、交通、物流、醫(yī)療、環(huán)保等領域已經得到應用，且應用模式正日趨成熟。在安防領域，視頻監(jiān)控、周界防入侵等應用已取得良好效果；在電力行業(yè)，遠程抄表、輸變電監(jiān)測等應用正在逐步拓展；在交通領域，路網監(jiān)測、車輛管理和調度等應用正在發(fā)揮積極作用；在物流領域，物品倉儲、運輸、監(jiān)測應用廣泛推廣；在醫(yī)療領域，個人健康監(jiān)護、遠程醫(yī)療等應用日趨成熟。除此之外，物聯(lián)網在環(huán)境監(jiān)測、市政設施監(jiān)控、樓字節(jié)能、食品藥品溯源等方面也開展了廣泛的應用。

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

2 基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(tǒng)
    隨著中國經濟近30年來的快速發(fā)展，農業(yè)生產資源緊缺和農業(yè)對資源消耗過大的問題對農業(yè)發(fā)展的制約愈發(fā)明顯。農業(yè)物聯(lián)網將先進的傳感、通信和數據處理等物聯(lián)網技術應用于農業(yè)領域，構建智能農業(yè)系統(tǒng)，是解決農業(yè)發(fā)展滯后問題的有效方法。
2．1 基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(tǒng)架構
    針對農業(yè)的培育、運輸、分配等環(huán)節(jié)設計了基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(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以及具有自適應切換的網關等技術搭建了智能監(jiān)測與培育、運輸管理與控制、銷售與溯源這三個子系統(tǒng)組成的應用系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型中所有電路的PCB設計、程序接口、網關以及上位機交互均為自主設計，設計制作功能模塊總計有23種。每個子系統(tǒng)或是模塊都結合實際應用考慮，融合了不同的物聯(lián)網技術構架而成。三個組成子系統(tǒng)很好地體現了物聯(lián)網的層次結構，解決了農作物從培育到最后銷售各個環(huán)節(jié)的實際問題。雖然三個子系統(tǒng)功能目不同，但是技術層次上又都是密切關聯(lián)的，相互配合達到了智能農業(yè)應用系統(tǒng)的要求。
2．2 農業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)
    由ZigBee無線傳感器監(jiān)測網絡及培育控制設備所組成的農業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)由ZigBee網絡、培育控制設備、網關和控制中心組成。其中，ZigBee網絡由多個部署在監(jiān)測區(qū)域內的簇網絡構成，ZigBee節(jié)點負責監(jiān)測溫度、濕度、光強等農情信息采集并通過ZigBee網絡傳送給網關。各種衣情信息對農作物的影響不同，例如光照是農作物進行光合作用的基本條件，在農作物上方安放光照強度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境光照強度，能及時掌握農作物生長環(huán)境的光照強度；環(huán)境溫度的高低直接影響農作物生長速度與發(fā)育情況，空氣濕度也是影響農作物生長發(fā)育的重要因素，所以要在農作物周圍安放空氣溫濕度傳感器。通過具有自適應切換功能的網關將ZigBee網絡接入傳輸網絡，將數據傳送至控制中心。控制中心將接收到的數據經處理后存入數據庫，根據采集到的信息進行匯總分析，結合專家決策系統(tǒng)發(fā)出反饋控制指令，及時、準確地發(fā)現問題和解決問題，指導農業(yè)生產。通過Internet生產者和技術研究人員就可以隨時隨地監(jiān)測所采集到的農情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤。負責農作物生產的技術人員將根據其作物的生長實況和實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)議的培育設備連接到Internet網，通過遠程執(zhí)行所制定的策略，遠程節(jié)點收到信息后會做出響應，例如調節(jié)光照強度、灌溉時間、除草劑濃度等等。

2．3 農產品運輸管理與控制系統(tǒng)
    農產品運輸管理與控制系統(tǒng)如圖2所示，由圖1中的遠程控制中心下達控制命令，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計的DTU單元會將當前車輛的位置信息回饋到控制中心。

    通過在運輸車輛上的DTU單元，無線遠程發(fā)送回該車輛當前的經緯度、車速、海拔高度、衛(wèi)星授時時間到遠程控制中心，控制中心再將遠程傳回的GPS數據與電子地圖建立函數對應關系，將運輸車輛擬化為地圖上的一個運動點，就可以對該點的行車路線、行車車速、行車狀況進行透明無誤地監(jiān)控，從而實現智能控制和管理。通過裝載農作物產品箱體中的傳感器可以監(jiān)測到農產品在運輸中的溫濕度等信息?？刂浦行挠蠫SM、GPRS組成的即時語音通信平臺，可以通過中心計算機控制軟件與工作中的運輸車輛取得聯(lián)系，對于排除緊急事件和實際難題具有非常明顯的意義。
2．4 農產品銷售和分配管理系統(tǒng)
    圖3所示是農產品銷售和分配管理系統(tǒng)圖，其設計模型中使用了紙盒來模擬真實的箱體，紙盒的4面都貼有不同的電子標簽。

    在箱體上集成了4種技術用來識別和驗收貨物：125 kHz頻段下和13．56 MHz頻段下的RFID射頻識別、一維條碼識別、二維QR碼。農產品質量追溯物聯(lián)網由讀寫傳感器和電子標簽、讀寫器和查詢的網絡接入與控制數據中心組成。自主研發(fā)的模塊用于制作兩種125 kHz讀卡設備：一種適合在Windows下作為HID設備免驅動讀取卡號，卡號可以由上位機進行變更；一種是串口輸出ID號碼的模塊，適合嵌入式的應用。通過電子標簽記錄農產品在培育、運輸和銷售環(huán)節(jié)的所有信息，并通過Internet系統(tǒng)傳輸到數據中心保存。用戶可以在農產品溯源系統(tǒng)平臺或者超市商品溯源機上，通過查詢農產品的編號獲取該農產品的所有的銷售信息。

3 部分模塊設計
3．1 自適應切換的網關設計
    網關節(jié)點是整個智能農業(yè)應用系統(tǒng)的重要組成部分，是實現各個子系統(tǒng)網絡與控制中心連接的關鍵網絡設備，能夠根據子系統(tǒng)的網絡連接方式自適應切換，然后通過傳輸網絡發(fā)給遠程控制中心，同時對于控制中心所發(fā)的指令給予相應的處理。

    網關的設計包括硬件設計和軟件設計。硬件設計采用基于模塊化、核心板和接口底板分離的思想和嵌入式雙MCU結構設計網關硬件結構，提高了網關節(jié)點的抗電磁干擾能力。硬件系統(tǒng)結構如圖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的功能模塊，包括以太網、Wi-Fi、GPRS、CDMA等，核心板和底板配合即可構成一個最小的完整應用系統(tǒng)，系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強等特點。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用，只要根據實際需求通過增刪底板上的功能就可實現，同時也可以方便硬件系統(tǒng)調試。
3．2 GPS硬件電路設計
    系統(tǒng)設計選用臺灣鼎天科技有限公司的REB3571—GPS芯片組，搭配以自主設計的外圍電路來完成系統(tǒng)硬件底層的構建，其最小電路設計結構如圖5所示。

3．3 自主研發(fā)的125 kHz免驅讀卡器
    自主研發(fā)的125 kHz頻段下的免驅USB RFID讀卡器如圖6所示，USB即插即用，免驅動，內置天線，更小巧，使用更靈活，讀卡速度快，可在任何編輯框讀入卡號，還可以定制卡號的格式；可用手持機(PDA)刷卡輸入設備、PC機讀入、POS機輸入設備以及外置讀卡器組件、RFID讀卡節(jié)點等。

    本設計采用低頻免驅讀頭改進傳統(tǒng)電路，并利用電荷泵原理構建H橋大幅提升線圈功率，同時利用LC配對諧振后，經包絡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時序輸出，再通過低成本、低功耗的STC51MCU譯碼并以ps／2時序輸出至后級ps／2轉USB芯片輸出。

4 結語
    將物聯(lián)網技術應用于農業(yè)是農業(yè)信息化、智能化發(fā)展的趨勢。本文設計了一種基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應用系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的總體結構部分的模塊設計方法，從而實現農作物生產過程、農產品流通及溯源之間的信息化與智能化管理。