基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(qiáng)、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(dòng)態(tài)、作物長(zhǎng)勢(shì)等可以通過(guò)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(guò)傳輸網(wǎng)傳到控制中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現(xiàn)對(duì)休閑園區(qū)的實(shí)時(shí)欣賞和在線(xiàn)管理?；谵r(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(jì)與實(shí)施，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)科學(xué)管理和高效益，更為休閑農(nóng)業(yè)旅游增加樂(lè)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(guó)休閑農(nóng)業(yè)與世界提供同步的發(fā)展平臺(tái),更對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)升級(jí)起到巨大的推動(dòng)作用。

1休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信形成的一個(gè)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(cè)對(duì)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(guó)防軍事、智能建筑、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面。目前最常用的搭建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)之一是ZigBee技術(shù)?；赯igBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的休閑農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)組成，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)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(guò)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(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩網(wǎng)傳到用戶(hù)手機(jī)。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(guò)遠(yuǎn)程控制執(zhí)行所制定的培育策略，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)收到控制命令后會(huì)做出響應(yīng)，例如調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、灌溉時(shí)間等。實(shí)現(xiàn)將物理世界的農(nóng)田搬到網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)管理。智能中心是實(shí)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(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，此類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)是硬件設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)特別是硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)項(xiàng)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(mǎn)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(diǎn)在功能芯片選型時(shí)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(diǎn)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)遵循“休眠一被喚醒一正常工作”的工作模式。

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是在節(jié)點(diǎn)中移植與構(gòu)建Zigbee-Z-Stack協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)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(tái)協(xié)同工作，該平臺(tái)包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收發(fā)器以及CC2591

距離擴(kuò)展器，通信連接距離可達(dá)數(shù)千米。

傳感器節(jié)點(diǎn)具有功耗低的特點(diǎn)，支持睡眠模式。節(jié)點(diǎn)通電后先進(jìn)行初始化，進(jìn)入低功耗模式，處于休眠狀態(tài)，處理器停止工作而無(wú)線(xiàn)通信模塊處于低功耗的接收狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被查詢(xún)時(shí)則喚醒該節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理、儲(chǔ)存，延時(shí)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(shí)結(jié)束時(shí)還沒(méi)有收到命令，則脇明是通信出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行通信故障處理，如此循環(huán)。其傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示。為了避免節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)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(jì)方案中加入時(shí)間同步機(jī)制。節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的同步信息調(diào)整自身的定時(shí)參數(shù)，有效抑制了時(shí)間誤差的疊加，避免了節(jié)點(diǎn)間喚醒的不同步，極大地提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3智能中心設(shè)計(jì)

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(gè)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(guò)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(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、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(duì)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用進(jìn)行管理，該系統(tǒng)包括基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢(xún)的子系統(tǒng)，方便用戶(hù)進(jìn)行瀏覽和提取等操作；同時(shí)，該系統(tǒng)可以顯示網(wǎng)絡(luò)信息，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒐?jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度信息和電池電量信息等。

在決策系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)農(nóng)情信息和自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉等多個(gè)決策模型。參照各個(gè)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(zhǎng)信息，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制或是自動(dòng)培育控制。

4結(jié)語(yǔ)

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(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的休閑農(nóng)業(yè)智能監(jiān)測(cè)與培育系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，詳細(xì)介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，概要說(shuō)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(shí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)休閑農(nóng)業(yè)園區(qū)的智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程培育，滿(mǎn)足人們對(duì)綠色、有機(jī)、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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