農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)實驗室的建設(shè)解決方案12VIP

1、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)實驗室的建設(shè)解決方案1、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)簡介概述：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一般應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)， 通過各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，即在大棚控制系統(tǒng)中，運用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、光傳感器、CO2傳感器等設(shè)備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等物理量參數(shù)，通過各種儀器儀表實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，

2、保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡(luò)來測量獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。2、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背景介紹：隨著世界各國政府對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的的政策傾斜和企業(yè)的大力支持和投入，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)被急速的催生，根據(jù)國內(nèi)外的數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網(wǎng)從1999年至今進(jìn)行了極大的發(fā)展?jié)B透進(jìn)每一個行業(yè)領(lǐng)域。可以預(yù)見到的是越來越多的行業(yè)領(lǐng)域以及技術(shù)、應(yīng)用會和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生交叉，向物聯(lián)方向轉(zhuǎn)變優(yōu)化已經(jīng)成為了時代的發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，科技融合的加快。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)被世界公認(rèn)為

3、是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。他是以感知為前提，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。在這背后，則是在物體上植入各種微型芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等各種通信網(wǎng)路交互傳遞，從而實現(xiàn)對世界的感知。 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，澆水、施肥、打藥，農(nóng)民全憑經(jīng)驗、靠感覺。如今，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，看到的卻是另一番景象：瓜果蔬菜該不該澆水？施肥、打藥，怎樣保持精確的濃度？溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度，如何實行按需供給？一系列作物在不同生長周期曾被“模糊”處理的問題，都有信息化智能監(jiān)控系統(tǒng)實時定量“精確”把關(guān)，農(nóng)民只需按個開關(guān)，做個選擇

4、，或是完全聽“指令”，就能種好菜、養(yǎng)好花。3、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)原理： 在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。4、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展：與傳統(tǒng)方式相比，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)為農(nóng)田信息獲取提供了一個嶄新的思路。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、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，以實現(xiàn)

5、智能化識別、定位、跟蹤、將傳感節(jié)點布設(shè)于農(nóng)田等目標(biāo)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大量實時、精確地采集溫度、濕度、光照、氣體濃度等環(huán)境信息，這些信息在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點匯集，網(wǎng)絡(luò)對匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助生產(chǎn)者有針對地投放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料等，從而更好地實現(xiàn)耕地資源的合理高效利用和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效管理、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能。應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)重要組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行農(nóng)田土壤墑情信息獲取可以滿足快速、精確、連續(xù)測量的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，對于實施農(nóng)田精準(zhǔn)作業(yè)過程，農(nóng)田環(huán)境信息的采集則要求更加

6、精確、及時。當(dāng)前，農(nóng)田信息獲取的主要方式有：手持設(shè)備的人工獲取方式、基于GPRS監(jiān)測方式和基于WLAN監(jiān)測方式等。利用手持設(shè)備人工打點，來獲取農(nóng)田土壤信息是最原始的方式，該方式不但需要耗費大量的人力、不具有實時性，而且數(shù)據(jù)的獲取量有限，顯然已不能滿足當(dāng)前農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測的需求。而墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過ZigBee白組網(wǎng)方式構(gòu)成，實現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測。主要包含兩個重要部分：即環(huán)境區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)部分及實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)部分。無線網(wǎng)絡(luò)選擇星型網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)?遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用Internet實現(xiàn)，采用嵌入式Internet接入技術(shù)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與 Internet網(wǎng)絡(luò)

7、通信;以土壤的溫度、濕度等參數(shù)采集為模型完成監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集。從而滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)對農(nóng)田信息精確度、實時性等要求。1、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)整體框架 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含兩個重要部分，即農(nóng)田環(huán)境區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)部分及實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)部分。每個Zigbee終端連接傳感器完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集作為Zigbee應(yīng)用層應(yīng)用對象以端口形式與協(xié)議棧底層進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳輸?shù)轿锢韺?。之后，物理層進(jìn)行能量和空閑信道掃描檢測空閑信道，當(dāng)?shù)玫娇臻e信道，物理射頻模塊將數(shù)據(jù)以無線電波形式無線發(fā)送。協(xié)調(diào)器射頻模塊接收到數(shù)據(jù)包，物理層通知上層接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從物理層又逐層向上層傳輸，每

8、向上一層就去掉下層的包頭、包尾以這種形式將數(shù)據(jù)包解包。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器應(yīng)用層，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與 Internet網(wǎng)絡(luò)的對接。2、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點設(shè)計 本研究傳感器節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能。一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理;一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元四部分組成。處理器單元是無線傳感器節(jié)點的核心，與其它單元一起完成數(shù)據(jù)采集、處理和收發(fā);無線通信單元完成數(shù)據(jù)包的收發(fā);傳感器模塊完成環(huán)境

9、數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換;電源模塊為整個節(jié)點系統(tǒng)提供能源支持。3、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 微功耗無線傳感器技術(shù)指標(biāo)：1.功率為10roW;2.接收時電流<18mA，發(fā)射電流小于或等于40mA;3.多信道模塊標(biāo)準(zhǔn)配置提供4個信道;4.組網(wǎng)功能，達(dá)128只無線傳感器的網(wǎng)絡(luò);5.接口波特率為 1200/2400/4800/9600/19200Bit/s，可設(shè)置;6電池選配450mAh。無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用Zigbee協(xié)議，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)在開發(fā)成功后，除區(qū)域農(nóng)田土壤墑情信息監(jiān)測之外，還可以廣泛應(yīng)用于糧食儲備倉庫及蔬果、蛋肉存儲倉庫的溫度、濕度控制;廠房環(huán)境的溫度、濕度控

10、制;實驗室環(huán)境的溫度、濕度控制等方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的擴大，其市場應(yīng)用十分廣闊。5、 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)實驗室的建設(shè)解決方案：1、物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室主要用途物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室能夠滿足高校農(nóng)林專業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，以及專業(yè)開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、傳感器原理及應(yīng)用、無線單片機原理及應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、RFID技術(shù)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與中間件技術(shù)、無線單片機應(yīng)用課程設(shè)計、智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計等課程的實踐實訓(xùn)教學(xué)需要，并為學(xué)生或教師的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用項目開發(fā)提供平臺。使學(xué)生通過該實驗室的平臺，能掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論、物理信息系統(tǒng)標(biāo)識與感知、計算機網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與

11、信息處理技術(shù)等知識，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V專業(yè)知識，具備一定的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、實踐能力和科學(xué)研究能力。從而為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的人才供給實踐、實訓(xùn)的平臺。2、物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室設(shè)計方案 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室是以光載無線交換機為核心的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺構(gòu)建WiFi無線局域網(wǎng)，覆蓋實驗室及其周邊區(qū)域;加上實驗室的有線網(wǎng)絡(luò)交換機、網(wǎng)絡(luò)路由器，從而建立融合有線網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵部分網(wǎng)絡(luò)層，農(nóng)業(yè)大棚及各種傳感器、嵌入式設(shè)備通過WiFi-ZigBee網(wǎng)關(guān)、WiFi設(shè)備服務(wù)器(串口通信RS232或RS485轉(zhuǎn)WiFi無線網(wǎng)絡(luò))無線接入物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺，構(gòu)成

12、全面涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三個層次(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層)的一個統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗平臺。同時，其它內(nèi)置WiFi模塊的各種手持設(shè)備(筆記本電腦、手機等)也能無線接入該實驗平臺，成為物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備的一部分;師生教學(xué)、科研實踐開發(fā)的其它感知模塊，通過與標(biāo)準(zhǔn)的WiFi設(shè)備服務(wù)器連接，也能輕易接入該實驗平臺，完成測試、驗證。 本實驗室專門為農(nóng)林專業(yè)高校設(shè)計，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室內(nèi)模擬的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、環(huán)境控制、人員物資管理、視頻監(jiān)控等功能，以及對農(nóng)業(yè)大棚的遠(yuǎn)程控制。同時，我們提供該實驗室系統(tǒng)的設(shè)計原理圖，開放足夠多的端口和豐富、完善的接口數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)包，為教師、學(xué)生提供一個開放

13、的平臺去學(xué)習(xí)和研究。2.1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室拓?fù)鋱D： 如圖1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室以光載無線交換機及其配套設(shè)備遠(yuǎn)端射頻單元通過單模光纖鏈路分布無線信號;結(jié)合農(nóng)業(yè)大棚及大棚內(nèi)多種傳感器、控制設(shè)備PLC、Wifi-ZigBee網(wǎng)關(guān)、WiFi設(shè)備服務(wù)器、實驗平臺服務(wù)器及系統(tǒng)軟件，精準(zhǔn)控制農(nóng)作物的生長過程;并使用智慧農(nóng)業(yè)大棚信息展示屏實時展示農(nóng)作物生長過程環(huán)境數(shù)據(jù)及生長場景，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室的功能。2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)光載無線交換機及其分布式天線系統(tǒng)光載無線交換機及其配套設(shè)備遠(yuǎn)端射頻單元為浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司的核心產(chǎn)品，用于實現(xiàn)WiFi無線射頻信號的遠(yuǎn)距離、大范圍的光纖分布，是物聯(lián)網(wǎng)

14、無線網(wǎng)絡(luò)分布的主要分布方式。 光載無線交換機安裝在物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗室內(nèi)的落地式網(wǎng)絡(luò)機柜里面，與原本有線布線網(wǎng)絡(luò)連接，接入學(xué)院已有的計算機網(wǎng)絡(luò)。光載無線交換機內(nèi)置2個WiFi接入點(AP)(所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、基帶數(shù)據(jù)處理、射頻信號處理都集中在光載無線交換機內(nèi))，通過單模光纖鏈路將WiFi射頻信號分布至物聯(lián)網(wǎng)實驗室，在實驗室里面安裝2個遠(yuǎn)端射頻單元，完成全實驗室的WiFi無線覆蓋，將實驗設(shè)備和各類WiFi終端接入統(tǒng)一的WiFi無線局域網(wǎng)，構(gòu)成整體物聯(lián)網(wǎng)平臺。2.3 物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺服務(wù)器 為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實驗平臺的統(tǒng)一管理、實驗室實驗設(shè)備等管控、以及開展功能復(fù)雜的綜合設(shè)計和科研項目，在實驗室內(nèi)

15、配置一臺服務(wù)器。該服務(wù)器安裝系統(tǒng)軟件，及物聯(lián)網(wǎng)實驗的服務(wù)器端軟件，提供本地、或遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，并實施對物聯(lián)網(wǎng)實驗的監(jiān)控和設(shè)備管理。2.4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚 智慧農(nóng)業(yè)大棚由農(nóng)業(yè)大棚、智慧農(nóng)業(yè)大棚信息展示屏、各種傳感器、控制器及系統(tǒng)軟件組成，在老師及實驗指導(dǎo)書的指導(dǎo)下完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用的學(xué)習(xí)與實驗，并能在該實驗平臺上進(jìn)行創(chuàng)新科研課題研究。農(nóng)業(yè)大棚：農(nóng)業(yè)大棚由骨架和覆膜組成，用于農(nóng)作物生長提供一個可控的空間。智慧農(nóng)業(yè)大棚信息展示屏：智慧農(nóng)業(yè)大棚信息展示屏由液晶板拼接而成，用于展示農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和現(xiàn)場場景;同時展示屏也是展示智慧農(nóng)業(yè)的一個窗口。智慧農(nóng)業(yè)大棚傳感器：傳感器由ZigBee空氣溫濕度傳感器、ZigBee土壤溫濕度傳感器、ZigBee土壤PH傳感器、ZigBee光合有效輻射傳感器、ZigBeeCO2傳感器、超高頻RFID讀卡器、Wifi攝像頭組成。ZigBee傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi-ZigBee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成Wifi信號接入物聯(lián)網(wǎng)信息平臺，超高頻RFID讀卡器經(jīng)其配套設(shè)備Wifi設(shè)備服務(wù)器接入物聯(lián)網(wǎng)信息平臺;所有傳感器用于采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)影響作物生長的空氣溫濕