物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究摘要：精準農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種新興的信息處理和獲取方式，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。為實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)對環(huán)境監(jiān)測的要求.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合無線傳感技術(shù)，建立了精準現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，重點討論了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),分別基于CC2430和$3C2410對傳感節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行硬件設(shè)計，并且對f9關(guān)節(jié)點和傳感節(jié)點的軟件流程進行了開發(fā)。該系統(tǒng)的研制為實現(xiàn)準確、遠程、自動、實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境信息提供了保障。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；精準農(nóng)業(yè)；環(huán)境監(jiān)測；傳感節(jié)點；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，對于精準農(nóng)業(yè)的需求更為

2、迫切，怎樣合理經(jīng)濟地以少投入獲得多回報，這不僅是可持續(xù)發(fā)展的要求，更是社會進步的體現(xiàn)。農(nóng)田的環(huán)境監(jiān)測是支撐精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，實時、方便、有效地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線組網(wǎng)的方式或者直接采用人工實地檢測獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，這兩者都具有局限性。有線組網(wǎng)方式缺乏靈潘陛，受地理環(huán)境的限制，線路資源損耗較大，難以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測；人工實地檢測更耗費人力、物力，且獲取的數(shù)據(jù)量有限，此外受主觀因素限制，測量結(jié)果難免出現(xiàn)誤差。新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)田信息獲取提供了一個嶄新的思路。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員在總控制室就能對農(nóng)田進行遠程實時監(jiān)控，根

3、據(jù)空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度和土壤pH值等農(nóng)情信息做出正確決策，滿足精準農(nóng)業(yè)自動化、經(jīng)濟化、準確化的要求。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以及國家對三農(nóng)的的高度重視，特別是國家2012農(nóng)業(yè)國家一號文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù)，力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸，真正實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。浙江托普儀器有限公司和浙江大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識別（rfid）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息

4、傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細管理，避免了“瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問題的再次發(fā)生，保證了食品的安全和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示范園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運行，技術(shù)穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項目提供了強有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實施將大大提高國家推進科技創(chuàng)新增強農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品均屬于自有品牌，自主研發(fā)生產(chǎn)。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個層次：感知層：采用各種傳感器(如溫濕度、光照

5、、CO2風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等)獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心，各個節(jié)點可以自由配對、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WS玳取植物實時生長環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行存儲和管理實現(xiàn)整個測試點的信息動態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息進行自動灌溉、施肥、噴藥、降溫補光等控制、對異常信息進行自動報警。加裝攝像頭可以對每個大棚和整個園區(qū)進行實時監(jiān)控。中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一家集農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)資訊、技術(shù)、解決方案與儀器為一體的門戶信息平臺.本站整合了物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)優(yōu)點與特點，并燧用于衣業(yè)，中國衣業(yè)物聯(lián)網(wǎng)展示物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與成果，方便農(nóng)業(yè)工作者

6、對物聯(lián)網(wǎng)有一個全面的認識口中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由浙江托普儀器有限公司主辦.托普儀器作為中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)軍企業(yè)，將發(fā)展與推廣中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為己任.聯(lián)系地址：杭州市西湖科技園區(qū)西園八路口號負責(zé)人：劉經(jīng)理銷售熱線，0571-81957260860566098605966086S23770-5023手機真：0571-8605966086823529網(wǎng)站：http：/ww.agriSO.com1物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings)是通過無線射頻識別(RFID,RadioFrequeneyldentification)、傳感器、全球定位系統(tǒng)(GPS,Globa

7、lPositioninSystem)等各種設(shè)備，利用無線網(wǎng)絡(luò)進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的巨大網(wǎng)絡(luò)田。它是一種綜合性的動態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)，通過基礎(chǔ)配置和可互操作的協(xié)議，使用智能接口和無縫集成進人信息網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在實物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中包括三個層次一一感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層的主要功能是全面感知，信息感知可以通過RFID射頻標簽技術(shù)或者傳感網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；應(yīng)用層主要是利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)2.

8、 1精準農(nóng)業(yè)內(nèi)涵隨著近年來無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)(precisionagriculture)已成為農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者關(guān)注的熱點。精準農(nóng)業(yè)是指根據(jù)作物生長的土壤性狀來調(diào)節(jié)對作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投人達到同等收入或更高的收入并改善環(huán)境。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒕W(wǎng)絡(luò)為中心的精準農(nóng)業(yè)模式，農(nóng)田的耕種可以實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化1。從而有效地降低成本并提高產(chǎn)量，具有實際應(yīng)用價值?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)作為精準農(nóng)業(yè)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，能直接獲得作物生長的土壤性狀相關(guān)參數(shù)，為精準農(nóng)業(yè)的執(zhí)行過程提供最直觀的依據(jù)，是精準農(nóng)業(yè)實現(xiàn)過程中不可或缺的組成部分。而作物生長的土壤性狀相關(guān)參

9、數(shù)通常包括空氣溫濕度、光照強度壤濕度和土壤PH值等。3. 2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究成為熱點，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感層采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，由大量部署在農(nóng)田信息采集區(qū)域的自組織傳感節(jié)點(包含普通節(jié)點和傳感節(jié)點)組成。普通傳感節(jié)點進行環(huán)境參數(shù)的采集后通過Zigbee無線傳輸至簇首節(jié)點，簇首節(jié)點進行簡單的數(shù)據(jù)融合，打包，通過Zigbee無線傳輸將農(nóng)情信息傳送到匯聚節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點、GPRs3G網(wǎng)和Internet組成，將環(huán)境參數(shù)傳送至監(jiān)測端。

10、網(wǎng)關(guān)節(jié)點包含匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)部分，匯聚節(jié)點部分接收傳感層發(fā)送的信息，將其進行數(shù)據(jù)融合等處理后傳送至網(wǎng)關(guān)部分，由網(wǎng)關(guān)部分通過GPRS3G模塊將信息傳至Internet,然后遠程監(jiān)測端就可以通過Internet讀取農(nóng)田環(huán)境信息了。止匕外，網(wǎng)關(guān)部分也可以通過各種通信方式直接和本地監(jiān)測端通信。應(yīng)用層由遠程監(jiān)測端組成，當監(jiān)測端設(shè)備接人Internet時，生產(chǎn)者和技術(shù)研究人員就可以在任何時候、任何地點監(jiān)測所采集的農(nóng)情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤和分析，以及根據(jù)環(huán)境變化采取相應(yīng)措施，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的要求,1。3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計節(jié)點是組成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本

11、單位，包括傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)傳感層的基本組成單元，網(wǎng)關(guān)節(jié)點則是網(wǎng)絡(luò)層的硬件基礎(chǔ)，它們的硬件設(shè)計對整個系統(tǒng)的功能、性能都至關(guān)重要。本文分別對傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行了硬件設(shè)計。4. 1傳感節(jié)點設(shè)計傳感節(jié)點通過傳感器部分采集農(nóng)情信息，經(jīng)由處理單元進行簡單轉(zhuǎn)換、處理,由無線收發(fā)模塊傳給上級節(jié)點。結(jié)合其功能特點.傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)框如圖2示。傳感節(jié)點的微處理器單元和無線傳輸單元采用CHIPCO淤司的CC2430S片，它是一款基于ZigBee協(xié)議，集成了80C51內(nèi)核處理器的芯片和zigBee無線收發(fā)模塊，是一種比較成熟的無線傳感器節(jié)點解決方案。外部時鐘電路1串行通信接口&一土壤溫

12、濕度光眼速度了壤；用值必感器CC243O8OC51內(nèi)核處理器日線發(fā)塊確無收模線配路天西也3m電源發(fā)位電路本系統(tǒng)中濕度、溫度測量采用TDR3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測量土壤溫濕度的理想儀器。光強測量采用推出的第二代光強數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561,它可直接通過12C總線協(xié)議由微控制器訪問，微控制器則通過對其內(nèi)部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)對TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測量土壤pH值，基于pH值的變化將導(dǎo)致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經(jīng)放大電路種A/D轉(zhuǎn)換器能得到數(shù)字輸出，然而這種方法的缺點是在土壤干燥時誤差較大。此

13、外，外部時鐘電路用于控制整個系統(tǒng)的運行頻率；串行通信接口作為程序調(diào)試和下載接口；復(fù)位電路用來恢復(fù)系統(tǒng)死機或程序跑飛等意外情況；電源模塊負責(zé)整個節(jié)點的能量供應(yīng)。3.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點兼具匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的功能，一方面收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的農(nóng)情信息，另一方面將這些信息經(jīng)過初步的處理，通過無線收發(fā)模塊（如GPRS1塊、3G模塊等）以及3G網(wǎng)和GPRS與互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的交換，通過互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送農(nóng)情信息到遠程監(jiān)測中心并且接收遠程監(jiān)測中心發(fā)來的命令。具體結(jié)構(gòu)框如圖3所示。線配路天匹電ARM9個處理器S3C2410CC2430無線收發(fā)單元FLASHGPRS或3G無線傳輸模塊S485本用麻口電源單元

14、SRAM獷展存儲圖3網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意E因網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)繁重，對資源需求較高，而且要求成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，故采用三星公司的ARM處理器$3C241Q該處理器采用0.18仙m制造藝的32位微控制器，擁有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,MMU支持TFr的LCD控制器，NANLW存控制器，3路UART4路DMA4路帶PWMJTimer,I/O口，RTC8路10位ADCTouchScreen接口，IICBUS80,IISBUSS口,2個USBi機，1個US破備,sD主機和MMCS口，2路SPI,最高可運行在203MHz網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過CC2430接收傳感節(jié)點采集到的農(nóng)情信息

15、，并發(fā)送控制信息。通過GPR綱絡(luò)并入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)與遠程監(jiān)測中心的通信。本系統(tǒng)中GPRSK塊采用SIM5218,它支持下行速率達7.2Mbpsffi上行速率為5。76Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，同時還具有豐富的接口包括UARTUSB20、GPIO12GGPIOGPS攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無線科技（上海）有限公司研發(fā)的3G無線傳輸芯片：TASCDMModule系列中的SIM420Q止匕外，RS485總線接口用于必要時與本地監(jiān)測端的通信。JrI'AG調(diào)試接口和用行調(diào)試接口主要負責(zé)程序的燒寫、調(diào)試，F(xiàn)LASH8于掉電下的程序數(shù)據(jù)存儲，

16、SRAMIE要用于在線的仿真，電源單元負責(zé)整個過程的能量供應(yīng)。4基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計內(nèi)容主要包含：ZigBee協(xié)議棧，GPRs3G協(xié)議棧的程序編寫以及傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計。基于ZigBee技術(shù)GPRS3G技術(shù)已較為成熟，本系統(tǒng)采用現(xiàn)成的協(xié)議棧程序，而主要工作重心放在傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計上。又由于傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能特點，工作任務(wù)有所差異，因此分開討論。5. 1傳感節(jié)點的主程序設(shè)計傳感節(jié)點相當于網(wǎng)關(guān)節(jié)點的子節(jié)點，自組織式聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)傳感層中的基層環(huán)節(jié)，直接與物聯(lián)網(wǎng)的目標測量相關(guān)聯(lián)，將農(nóng)情信息轉(zhuǎn)換為有效的開關(guān)量進行傳遞，主要工作有：等待

17、網(wǎng)關(guān)節(jié)點喚醒、采集農(nóng)情信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、進入休眠等，具體工作流程如圖4所示。傳感節(jié)點通常情況下處于休眠模式，當接收到上級節(jié)點的命令被喚醒后，便馬上發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應(yīng)答成功加入網(wǎng)絡(luò)后，開始進行農(nóng)情信息如土壤溫濕度、光強、pH值等的采集并傳輸給命令發(fā)送端節(jié)點，上級節(jié)點發(fā)送應(yīng)答位，確定接收成功后，傳感節(jié)點又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，這樣循環(huán)往復(fù)。6. 2網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主程序設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)建立并管理網(wǎng)絡(luò)，允許或拒絕任何一個傳感節(jié)點入網(wǎng)，并將各傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)收集發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控端通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的讀取、記錄。網(wǎng)關(guān)節(jié)點一直在T作狀態(tài)，不會休眠。它的工作過程一般分為：等待監(jiān)測命令，建立網(wǎng)絡(luò)，加入節(jié)點

18、，等待數(shù)據(jù)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的具體工作流程如圖5所示。休眠模式彳是否有喚醒命令CC2430初始化系統(tǒng)初始化掃描信道建立新網(wǎng)絡(luò)n建立成功?在網(wǎng)絡(luò)中加入傳感節(jié)點N進行農(nóng)情信息采集傳感節(jié)點尋找協(xié)議棧并請求加入網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屏傳就節(jié)點進行一一數(shù)據(jù)采集丁一否有監(jiān)測命令?口人網(wǎng)絡(luò)成功?發(fā)送至霞首節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）等待下集結(jié)點發(fā)送農(nóng)斗信息士二發(fā)送至遠程監(jiān)溯端圖4傳感節(jié)點工作流程圖5網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程在建立網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點會不斷地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一網(wǎng)關(guān)節(jié)點占用，則重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相應(yīng)標識，準備建立自己的網(wǎng)絡(luò)。當一個傳感節(jié)點要求加入網(wǎng)絡(luò)時，它會發(fā)送請求，網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)自己的資源需求決定是否加入傳感節(jié)點，如果選擇加入此節(jié)點，則給它分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，構(gòu)成新網(wǎng)絡(luò)。同時傳達監(jiān)測命令給下級節(jié)點，等待接收數(shù)據(jù)，接收成功后發(fā)送至遠程檢測端和本地監(jiān)測站。5結(jié)束語精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)是支撐精準農(nóng)