基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

1、基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計摘要：針對果園環(huán)境智能監(jiān)測的需求，設計了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡高清紅外智能球、土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和遠程控制中心組成，能夠?qū)麍@農(nóng)場內(nèi)土壤溫濕度、葉面濕度、空氣溫濕度、風速風向、太陽輻射、紫外線輻射、雨量、大氣壓力等進行實時在線監(jiān)測，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進行處理并用各種圖表格式顯示出來。經(jīng)過2 年多的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點。關鍵詞：果園環(huán)境監(jiān)測；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；智能監(jiān)測中圖分類號：S126； TP277文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（ 2016） 05

2、-0391-04物聯(lián)網(wǎng)作為一個新經(jīng)濟增長點的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，具有良好的市場效益，廣泛地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，能夠有效地控制農(nóng)作物的生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全1-2 。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務中的具體應用，就是運用各類傳感器、RFID、視覺采集終端等感知設備，廣泛地采集大田種植、設施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等領域的現(xiàn)場信息；通過建立數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種現(xiàn)代信息傳輸通道，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度的可靠傳輸；最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進行融合、處理，并通過智能化操作終端實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化

3、生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流、電子化交易，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標 3。在現(xiàn)代果園農(nóng)場中，實現(xiàn)果園數(shù)字化、信息化是未來發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)果園環(huán)境智能監(jiān)測有利于增強柑橘產(chǎn)業(yè)決策和管理能力4，對環(huán)境、土壤和果樹信息進行智能監(jiān)測預測具有重要的意義。1 果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構系統(tǒng)應用于全國首家果園精準生產(chǎn)示范基地，即江西千里山（通津）種植基地。果園智能監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結(jié)構5如圖 1 所示，包括5 個部分：網(wǎng)絡高清紅外智能球、土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和遠程控制中心。網(wǎng)絡高清紅外智能球具有遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡傳輸和智能高清的特點，白天自動聚焦提供清晰圖像，晚上能利用

4、紅外燈進行圖像的清晰識別6。土壤節(jié)點和環(huán)境節(jié)點均擁有各種傳感器、低能耗微處理器和短距離無線通信模塊，負責感知信息參數(shù)并把相關數(shù)據(jù)發(fā)送往網(wǎng)關節(jié)點；網(wǎng)關節(jié)點電源充足，容量較大，通信能力較強，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點采集的信息至遠程控制中心；遠程控制中心接收網(wǎng)關節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，再進行分析處理智能顯示，同時下達動作指令。2 設備開發(fā)2.1 網(wǎng)絡高清紅外智能球網(wǎng)絡高清紅外智能球由景賽AC24V3A專用適配器供電，采用?？低暩叨酥悄芮颉Ｔ诰W(wǎng)絡高清紅外智能球中內(nèi)置云臺，云臺由運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、反應靈敏、定位準確的精密步進電機驅(qū)動，再加上精巧的機械驅(qū)動裝置，支持水平360 度連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣就可以按照用戶的意愿，實時調(diào)節(jié)角度，實現(xiàn)

5、預置點定位、自動翻轉(zhuǎn)、巡航掃描和花樣掃描等功能6。網(wǎng)絡高清紅外智能球內(nèi)置網(wǎng)絡視頻服務器，支持服務器端本地回放，同時也可以編碼成H.264 標準的信息流存儲在本地服務器的硬盤和發(fā)送至遠程客戶端。遠程客戶端登入到服務器端，通過轉(zhuǎn)發(fā)的方式訪問網(wǎng)絡高清紅外智能球，遠程客戶端在內(nèi)置網(wǎng)絡視頻服務器的協(xié)助下通過UDP打洞的方式訪問網(wǎng)絡高清紅外智能球。通過訪問網(wǎng)絡高清紅外智能球?qū)崿F(xiàn)云臺、智能球的遠程控制。2.2 土壤節(jié)點設計圖 2 為土壤節(jié)點的結(jié)構。土壤節(jié)點主板主要包括MCU微處理器，nRF2401 無線通信模塊，溫度、水分、葉面濕度以及模擬量采集電路，實時時鐘模塊，UART模塊，F(xiàn)lash模塊，電源模塊等7

6、。土壤節(jié)點配備了4個溫度傳感器、4 個濕度傳感器和1 個葉面濕度傳感器。4 個溫度傳感器和4 個濕度傳感器位于土壤10、 20、 40、 60 cm 的深度。通過預先設定 8 個不同的ID， 將采集的土壤環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。土壤溫度傳感器是由2 根長 4.6 m 線引出的銀灰色不銹鋼探頭組成，該探頭的不銹鋼端長64mm，用于測量空氣溫度、土壤溫度和水分溫度。土壤濕度傳感器是Irrometer 公司的電阻型傳感器，通過間接標刻度的方法來測量土壤濕度。葉面濕度傳感器由低壓雙勵磁電路和電導率檢測電路組成的傳感網(wǎng)，用于檢測植物表面的水分和計算濕度持續(xù)的時間。圖3 為土壤節(jié)點傳感器的細節(jié)圖。1.3

7、環(huán)境節(jié)點設計環(huán)境節(jié)點主板與土壤節(jié)點基本相同，不同的是傳感器類型不同。環(huán)境節(jié)點可以監(jiān)測空氣溫濕度、風速風向、雨量、太陽輻射、紫外線輻射等參數(shù)。除了采集的信息參數(shù)不同，環(huán)境節(jié)點的軟硬件設計與土壤節(jié)點是一樣。在此不再重述。1.4 網(wǎng)關節(jié)點設計網(wǎng)關節(jié)點在整個監(jiān)測系統(tǒng)中具有重要作用，距離中央計算機 300 m。網(wǎng)關節(jié)點由轉(zhuǎn)發(fā)器、開關電源、串口服務器、蓄電池和交換機組成。所有設備都放置在防塵、防水 IP67防護等級的野外密封防護箱里。轉(zhuǎn)發(fā)器通過短距離無線模塊與土壤節(jié)點和環(huán)境節(jié)點通信，實現(xiàn)柑橘土壤信息、果園環(huán)境信息和柑橘信息的實時采集，傳輸至控制中心達到信息存儲的目的。 圖 4 為轉(zhuǎn)發(fā)器安裝配置圖。圖 5

8、為網(wǎng)關節(jié)點的結(jié)構圖。3 控制中心設計控制中心通過串口服務器與現(xiàn)場的傳感網(wǎng)絡連接。為了安全控制中心采用C/S結(jié)構設計，應用程序分為客戶端和服務器端?？蛻舳素撠焾?zhí)行用戶要求服務并將需要服務的內(nèi)容申請至服務器，同時將服務器返回的內(nèi)容反饋給用戶。控制中心通過服務器端構建MySQL數(shù)據(jù)庫。 服務器端正常是市電供電，當正常交流供電中斷時，控制中心采用了UPS供電，將蓄電池輸出的直流變換成交流持續(xù)供電的電源設備。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定安全的運行，控制中心在內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡之間構建了一個網(wǎng)絡安全系統(tǒng)，采用了防火墻。4 系統(tǒng)測試與應用系統(tǒng)部署在經(jīng)度115 54 ，緯度 28 54 ， 海拔 260 m的萬安果園農(nóng)

9、場。網(wǎng)絡高清紅外智能球測試預置點、自動聚焦、日夜模式、三維智能定位和巡航掃描等功能。在安裝到江西千里山果園之前，還需要做如下測試8： （ 1）能量供應測試；（ 2）硬件功能和數(shù)據(jù)傳輸測試；（ 3）串口服務器-控制端之間信號測試；（ 4）網(wǎng)關節(jié)點-環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點-土壤節(jié)點的通信測試。系統(tǒng)利用視頻監(jiān)測技術，實現(xiàn)了果樹生長、營養(yǎng)狀況、病蟲害等信息的遠距離動態(tài)監(jiān)測。網(wǎng)絡高清紅外智能球的監(jiān)測情況如圖6 所示。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了果園氣象要素的遠距離實時監(jiān)測。氣象要素有風速、風向、溫度、濕度、雨量、大氣壓力、太陽輻射等。圖7 為氣象要素實時信果園環(huán)境采集的數(shù)據(jù)包括室外溫濕度、風速風向、大氣壓力、

10、 UV指數(shù)、葉面濕度、葉面溫度、雨量、不同深度土壤的溫濕度、露點、風寒指數(shù)和熱指數(shù)等。圖8 為 2014 年 1月 1 日的室外溫濕度和土壤節(jié)點信息圖。從圖8 可以看到，室外溫度變化平穩(wěn)，在14： 00 稍有升高，基本穩(wěn)定在20 左右； 室外濕度從上午11： 00 開始下降至18： 00 達到最低，后緩慢回升至90%；葉面溫度基本維持在20 左右；葉面濕度 12： 0020： 00 為 0，其他時候基本維持在15 cb；不同深度土壤的溫濕度不同，土壤節(jié)點深度為10、 20、 40、 60cm 濕度分別基本穩(wěn)定為22、 14、 11、 8 cb； 土壤溫度不同深度各不相同。影響室外溫濕度和土壤節(jié)

11、點信息的因素是前段時間連續(xù)大雨甚至暴雨引起土壤濕度有明顯差異，后天氣晴朗照射在土壤上引起不同深度溫度不同。5 結(jié)束語基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在江西省萬安柑橘園投入試用，系統(tǒng)實現(xiàn)了土壤、環(huán)境和柑橘信息遠距離實時獲取、控制和管理，具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點。綜上所述，監(jiān)測系統(tǒng)的功能如下：（ 1）土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點形成傳感監(jiān)測網(wǎng)。（ 2）土壤節(jié)點存儲土壤的溫度、濕度、葉面濕度等信息，并以數(shù)據(jù)包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關節(jié)點。（ 3）環(huán)境節(jié)點監(jiān)測風速、風向、空氣溫濕度、降雨量、太陽輻射和紫外線輻射，并以數(shù)據(jù)包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關節(jié)點。（ 4）網(wǎng)關節(jié)點將匯聚的

12、數(shù)據(jù)通過串口服務器傳輸至控制中心。（ 5）系統(tǒng)安全與自修復功能。參考文獻：1姚世鳳，馮春貴，賀園園，等. 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域的應用 J. 農(nóng)機化研究，2011 ， 33（ 7） ： 190-193.2Wang N ， Zhang N Q， Wang M H. Wireless sensors in agriculture and food industry Recent development and future perspectiveJ. Computers and Electronics in Agriculture ， 2006， 50（ 1） ： 1-14.3李道亮 . 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導論

13、M. 北京：科學出版社，2012.4劉燕德，周衍華，趙文星，等. 數(shù)字化果園信息采集方法的研究進展J. 中國農(nóng)機化學報，2014， 35（ 2） ： 25-28.5Lopez Riquelme J A， Soto F， Suardiaz J， et al. Wireless sensor networks for precision horticulture in southern SpainJ. Computers and Electronics in Agriculture ， 2009， 68（ 1） ： 25-35.6劉燕德，趙文星，劉德力. 數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)設計與實現(xiàn) J. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2015， 43（ 3） ： 371-373.7劉燕德，趙文星，周衍華，等. 基于果園環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計J. 電子設計工程，2013， 2117） ： 27-29， 33.8Rosiek S， Batlles F J. A