基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)

引言

以感知和智能為特征的新技術的出現(xiàn)和相互融合，使得未來信息技術的發(fā)展由互聯(lián)網(wǎng)轉向物與物互聯(lián)信息主導的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)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“InternetofThings”。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、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(wǎng)領域的技術研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年，物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)已成為當前世界新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對于促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步具有重要的現(xiàn)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(wǎng)，根據(jù)我國《國民經(jīng)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(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)保等領域已經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測、市政設施監(jiān)控、樓宇節(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(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“TheInternetofThings",簡稱IOT。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化系統(tǒng)模型識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。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)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)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(wǎng)的范圍：

⑴要有相應信息的接收器；

⑵要有數(shù)據(jù)傳輸通路；

⑶要有一定的存儲功能；

⑷要有CPU；

⑸要有操作系統(tǒng)；

⑹要有專門的應用程序；

⑺要有數(shù)據(jù)發(fā)送器；

⑻遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；

⑼在世界網(wǎng)絡中有可被識別的唯一編號。

2基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)

隨著中國經(jīng)濟近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)對資源消耗過大的問題對農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約愈發(fā)明顯。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將先進的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術應用于農(nóng)業(yè)領域，構建智能農(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［5］。

2.1基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)架構

針對農(nóng)業(yè)的培育、運輸、分配等環(huán)節(jié)設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農(nóng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)技術構架而成。三個組成子系統(tǒng)很好地體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的層次結構，解決了農(nóng)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(nóng)業(yè)應用系統(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)絡及培育控制設備所組成的農(nóng)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(wǎng)絡、培育控制設備、網(wǎng)關和控制中心組成。其中，ZigBee網(wǎng)絡由多個部署在監(jiān)測區(qū)域內的簇網(wǎng)絡構成，ZigBee節(jié)點負責監(jiān)測溫度、濕度、光強等農(nóng)情信息采集并通過ZigBee網(wǎng)絡傳送給網(wǎng)關。各種農(nóng)情信息對農(nóng)作物的影響不同，例如光照是農(nóng)作物進行光合作用的基本條件，在農(nóng)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(nóng)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(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。通過具有自適應切換功能的網(wǎng)關將ZigBee網(wǎng)絡接入傳輸網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳送至控制中心［8］?？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(xiàn)問題和解決問題，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

通過Internet生產(chǎn)者和技術研究人員就可以隨時隨地監(jiān)測所采集到的農(nóng)情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤。負責農(nóng)作物生產(chǎn)的技術人員將根據(jù)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(wǎng)，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。

圖1農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)圖2.3農(nóng)產(chǎn)品運輸管理與控制系統(tǒng)

農(nóng)產(chǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)與電子地圖建立函數(shù)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(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。

圖2農(nóng)產(chǎn)品運輸管理與控制系統(tǒng)圖

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：125kHz頻段下和13.56MHz頻段下的RFID射頻識別、一維條碼識別、二維QR碼。農(nóng)產(chǎn)品質量追溯物聯(lián)網(wǎng)由讀寫傳感器和電子標簽、讀寫器和查詢的網(wǎng)絡接入與控制數(shù)據(jù)中心組成。自主研發(fā)的模塊用于制作兩種125kHz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(nóng)產(chǎn)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?shù)綌?shù)據(jù)中心保存。用戶可以在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)平臺或者超市商品溯源機上，通過查詢農(nóng)產(chǎn)品的編號獲取該農(nóng)產(chǎn)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(wǎng)關設計

網(wǎng)關節(jié)點是整個智能農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)各個子系統(tǒng)網(wǎng)絡與控制中心連接的關鍵網(wǎng)絡設備，能夠根據(jù)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接方式自適應切換，然后通過傳輸網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)關硬件結構，提高了網(wǎng)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(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成一個最小的完整應用系統(tǒng)［8］，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(jù)實際需求通過增刪底板上的功能就可實現(xiàn)，同時也可以方便硬件系統(tǒng)調試。

3.2GPS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125kHz免驅讀卡器

自主研發(fā)的125kHz頻段下的免驅USBRFID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(jīng)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(wǎng)技術應用于農(nóng)業(yè)是農(nóng)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(wǎng)技術的智能農(nóng)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(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。

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