基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)

引言

以感知和智能為特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)信息為中心的智能農(nóng)業(yè)模式，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。休閑農(nóng)業(yè)園區(qū)更需要智能化，不僅是農(nóng)業(yè)智能化的需要更是休閑游智能化的需要。其中,休閑園區(qū)農(nóng)情信息采集是基礎(chǔ)，農(nóng)情信息包括土壤溫濕度、光強、微量元素含量、CO2濃度、pH值、降水量、空氣濕度和氣壓、病菌發(fā)生動態(tài)、作物長勢等可以通過傳感器收集，經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)過傳輸網(wǎng)傳到控制中心，通過網(wǎng)絡(luò)訪問實現(xiàn)對休閑園區(qū)的實時欣賞和在線管理。基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的休閑農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與培育系統(tǒng)的設(shè)計與實施，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來科學(xué)管理和高效益，更為休閑農(nóng)業(yè)旅游增加樂趣，也為農(nóng)業(yè)信息化和旅游信息化提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，將為中國休閑農(nóng)業(yè)與世界提供同步的發(fā)展平臺,更對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)升級起到巨大的推動作用。

1休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的主要支撐技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者叫WSN應(yīng)用極其廣泛，當(dāng)前主要應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)、國防軍事、智能建筑、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面。目前最常用的搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)之一是ZigBee技術(shù)。基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的休閑農(nóng)業(yè)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)和控制中心組成間。其中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由部署在休閑園區(qū)內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點，傳感器節(jié)點、路由節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將采集到的農(nóng)情信息以多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)接收和處理這些數(shù)據(jù)信息后傳送給網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息傳到控制中心或是通過傳輸網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩網(wǎng)傳到用戶手機。在休閑農(nóng)業(yè)園區(qū)配備集成有嵌入式TCP/IP協(xié)議的培育設(shè)備并接入Internet,可以通過遠(yuǎn)程控制執(zhí)行所制定的培育策略，遠(yuǎn)程節(jié)點收到控制命令后會做出響應(yīng)，例如調(diào)節(jié)光照強度、灌溉時間等。實現(xiàn)將物理世界的農(nóng)田搬到網(wǎng)絡(luò)中，通過網(wǎng)絡(luò)進行實時在線管理。智能中心是實現(xiàn)信息匯集、分析、處理及決策等功能的數(shù)據(jù)中心，包括數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，由相應(yīng)的軟硬件及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成。

2傳感器節(jié)點設(shè)計

2.1傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是組成傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐平臺，此類應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)是硬件設(shè)計，傳感器節(jié)點設(shè)計特別是硬件設(shè)計是整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的重要部分。進行硬件設(shè)計時首先根據(jù)項目需求確定主要的功能芯片和相應(yīng)傳感器，芯片的選擇須考慮滿足該系統(tǒng)所要求的低成本、低功耗、體積小、穩(wěn)定性好的要求。本系統(tǒng)的節(jié)點在功能芯片選型時采用SoC(system-on-chip)解決方案，即把微控制處理器和射頻模塊都集成在一塊芯片上。本系統(tǒng)中的節(jié)點選用TI公司微功耗的CC2530芯片，該芯片是新一代真正的片上系統(tǒng)解決方案，集成了處理器模塊和無線通信模塊，體積小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的應(yīng)用，其節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[8]，該結(jié)構(gòu)在CC2530芯片的基礎(chǔ)上搭建了功能外圍電路，配合系統(tǒng)底板進行聯(lián)合開發(fā)。

2.2傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

節(jié)點的軟件設(shè)計直接影響其性能和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中的節(jié)點遵循“休眠一被喚醒一正常工作”的工作模式。

傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計主要是在節(jié)點中移植與構(gòu)建Zigbee-Z-Stack協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。ZStack-

CC2530-2.3.1-1.4.0軟件全面支持ZigBee與ZigBeePRO特性集并符合最新智能能源規(guī)范。ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0軟件可與TI的SmartRF05平臺協(xié)同工作，該平臺包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收發(fā)器以及CC2591

距離擴展器，通信連接距離可達數(shù)千米。

傳感器節(jié)點具有功耗低的特點，支持睡眠模式。節(jié)點通電后先進行初始化，進入低功耗模式，處于休眠狀態(tài)，處理器停止工作而無線通信模塊處于低功耗的接收狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點被查詢時則喚醒該節(jié)點，開始采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理、儲存，延時等待發(fā)送命令，收到命令后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，發(fā)送成功后，又重新回到低功耗模式。如果延時結(jié)束時還沒有收到命令，則脇明是通信出現(xiàn)故障，應(yīng)及時進行通信故障處理，如此循環(huán)。其傳感器節(jié)點的工作流程如圖3所示。為了避免節(jié)點經(jīng)過若干次休眠喚醒循環(huán)后出現(xiàn)喚醒不同步的情況，設(shè)計方案中加入時間同步機制。節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的同步信息調(diào)整自身的定時參數(shù)，有效抑制了時間誤差的疊加，避免了節(jié)點間喚醒的不同步，極大地提高了整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3智能中心設(shè)計

智能中心是數(shù)據(jù)匯聚和決策中心的智能數(shù)據(jù)中心，由相應(yīng)的軟硬件及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成，其核心是三個管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

通過具有自適應(yīng)切換功能的網(wǎng)關(guān)將休閑農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到智能中心的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行接收、存儲、處理，結(jié)合決策系統(tǒng)發(fā)出反饋控制信息和指令。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用進行管理，該系統(tǒng)包括基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢的子系統(tǒng)，方便用戶進行瀏覽和提取等操作；同時，該系統(tǒng)可以顯示網(wǎng)絡(luò)信息，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、?jié)點連接強度信息和電池電量信息等。

在決策系統(tǒng)中，設(shè)計農(nóng)情信息和自動精準(zhǔn)灌溉等多個決策模型。參照各個子模型，該系統(tǒng)可根據(jù)感知到的環(huán)境信息及作物生長信息，自動進行相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制或是自動培育控制。

4結(jié)語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于休閑農(nóng)業(yè)是加快休閑農(nóng)業(yè)信息服務(wù)體系建設(shè)的任務(wù)之一。本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，詳細(xì)介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟硬件設(shè)計，概要說明智能中心的構(gòu)建。這樣的系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合，實現(xiàn)了對休閑農(nóng)業(yè)園區(qū)的智能監(jiān)測和遠(yuǎn)程培育，滿足人們對綠色、有機、環(huán)保農(nóng)作物的欣賞和需求，提升了休閑農(nóng)業(yè)的趣味性。

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