精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域傳輸層優(yōu)選模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王筱東 龔駿毅 韋光亮 李正

(廣西慧云信息技術(shù)有限公司,廣西南寧 530031)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域傳輸層優(yōu)選模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王筱東 龔駿毅 韋光亮 李正

(廣西慧云信息技術(shù)有限公司,廣西南寧 530031)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì),通過(guò)與“物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)”等信息技術(shù)的融合,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、智能化。本文基于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)階段特點(diǎn)和IT行業(yè)技術(shù)成熟情況,針對(duì)傳輸層模型進(jìn)行探索和優(yōu)化,提出了應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)對(duì)比多種組網(wǎng)傳輸方式,給出了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和核心硬件架構(gòu)等。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 傳輸層優(yōu)選 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)將“物聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)”等信息技術(shù)運(yùn)用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，針對(duì)不同產(chǎn)區(qū)與作物，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代農(nóng)業(yè)操作技術(shù)與管理，其主要目的在于根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況和生長(zhǎng)環(huán)境，智能地調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)投入物，以最合理的投入達(dá)到最高效的收入，并改善環(huán)境，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。要搭建一套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)上應(yīng)分為“感知層，傳輸層，應(yīng)用層”三個(gè)層次，其中傳輸層是保障數(shù)據(jù)即時(shí)安全傳遞的關(guān)鍵，面對(duì)當(dāng)前各種主流通信技術(shù)，如何根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的具體應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化選擇，有效搭配，是本文要論述的主要內(nèi)容[1]。

2 傳輸模型

本文通過(guò)研究多種通信傳輸模式，針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與傳輸數(shù)據(jù)的具體需求，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中的傳輸層進(jìn)行梳理歸類，目的是為我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用提供一套低成本、高效率、易推廣的傳輸層優(yōu)選模型。一套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)通常由傳感器、網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)以及軟件系統(tǒng)構(gòu)成，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上多采用傳感內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)+外部傳輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性與可擴(kuò)展性。人們通過(guò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署大量傳感器并組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微小的氣候變化，土地墑情及農(nóng)機(jī)狀況，并通過(guò)攝像機(jī)遠(yuǎn)程觀測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況；所有數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)并通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)軟件集中處理，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的全程精細(xì)監(jiān)控，幫助提升土地單產(chǎn)(如圖1)[2]。

圖1

圖2

3 組網(wǎng)傳輸方式

在上述模型中，我們列出了目前在“傳感內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)+外部傳輸網(wǎng)絡(luò)”的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中普遍使用的多種組網(wǎng)傳輸方式，接下來(lái)我們就其中最為主流的幾種方式進(jìn)一步深入論述：

3.1 Zigbee

ZigBee技術(shù)是一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要應(yīng)用于近距離無(wú)線連接。ZigBee技術(shù)支持地理定位功能，它無(wú)需注冊(cè)，傳輸距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m到擴(kuò)展后的幾百米，超高頻Zigbee模塊的傳輸距離達(dá)2千米，傳輸速率根據(jù)不同頻率也分為250kbit/s到40kbit/s。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和最低成本的技術(shù)，模塊一般處于休眠模式，經(jīng)過(guò)15MS轉(zhuǎn)入發(fā)射模式后功耗也僅為1mW。同時(shí)，由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)[3]。

3.2 Wi-Fi

WIFI中文譯為“無(wú)線保真”，是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，事實(shí)上它是一個(gè)高頻無(wú)線電信號(hào)。雖然由無(wú)線保真技術(shù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信質(zhì)量有待改進(jìn)，數(shù)據(jù)安全性也比藍(lán)牙略差，但傳輸速度非?？?，傳輸距離約為10M以內(nèi)，非常符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。無(wú)線保真最主要的優(yōu)勢(shì)在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動(dòng)辦公用戶的需要。

圖3

表1

3.3 Bluetooth

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無(wú)線電技術(shù)，能在移動(dòng)電話、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，其數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到1Mbps。藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)，為各種移動(dòng)設(shè)備和外圍設(shè)備之間的低功耗、低成本、短距離的無(wú)線連接提供了有效途徑。

3.4 RS-485

RS-485是工業(yè)設(shè)備中常用的通訊方式，RS-485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。RS-485抗共模干擾能力增強(qiáng)，抗噪聲干擾性好，在100KbpS的傳輸速率下，可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。由于其特點(diǎn)實(shí)施簡(jiǎn)單方便，因此RS485被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類儀表

3.5 GPRS

GPRS是GSM移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸方式。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?Packet)式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，而非整個(gè)頻道，所以其使用成本較為低廉，且傳輸速率可達(dá)56Kbps甚至114Kbps。由于使用了“分組”的技術(shù)，采用GPRS傳輸移動(dòng)數(shù)據(jù)可以免受斷線的痛苦，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，非常適合傳感器這樣單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)量較小、穩(wěn)定性要求較高的傳輸通信[4-5]。

4 適用場(chǎng)合對(duì)比(表1)

5 傳輸層優(yōu)選

根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的道路上，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了現(xiàn)有的基于有線的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)存在著諸多問(wèn)題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中往往會(huì)面臨地域分布廣、網(wǎng)絡(luò)電力基礎(chǔ)落后，防雷防鼠設(shè)施缺乏等因素，而如何利用現(xiàn)有的有線、無(wú)線技術(shù)進(jìn)行綜合組網(wǎng)則成為了目前解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖滓獑?wèn)題。綜合利用有線和無(wú)線的物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿?，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有較高的適應(yīng)性、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展能力好等特點(diǎn)，而且功率譜密度低，低功耗的模塊非常適應(yīng)各類生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；有線網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性高、承載性較強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，但是對(duì)于偏遠(yuǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地布線則較為繁雜；利用上述特點(diǎn)，優(yōu)化針對(duì)農(nóng)田信息采集和管理為目的綜合組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的穩(wěn)定、實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)給用戶提供更多的決策信息和技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。

6 傳感內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本位于偏遠(yuǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施落后的地方，監(jiān)測(cè)范圍較大而且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變。傳感器單次采集數(shù)據(jù)量較小，但是對(duì)于傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求較高。如果我們采用有線的RS-485方式進(jìn)行傳輸，不僅花費(fèi)成本巨大，而且建設(shè)、后期維護(hù)(防雷、防鼠等)都較為困難；藍(lán)牙和WIFI雖然較為穩(wěn)定，而且傳輸速率較高，但是傳輸距離較近，對(duì)于大面積的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)能為力，ZigBee技術(shù)作為一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，很好地應(yīng)對(duì)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的種種情況。

大量部署在農(nóng)田信息采集區(qū)域的Zigbee節(jié)點(diǎn)組成的自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)氣象，土壤等農(nóng)情信息。每個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和若干的傳感器采集節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)具有雙重功能，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)建立和維護(hù)、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，路由節(jié)點(diǎn)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，因此新添加的傳感器采集節(jié)點(diǎn)會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)采集節(jié)點(diǎn)會(huì)把節(jié)點(diǎn)的信息送給路由節(jié)點(diǎn)，由路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址并計(jì)算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等，十分適應(yīng)大范圍、多樣性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

7 外部傳輸網(wǎng)絡(luò)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)傳輸主要依靠智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備與后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)建立連接，在移動(dòng)通訊技術(shù)普遍應(yīng)用以前，主要方式就是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)，完成與應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；但是隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的普及，對(duì)于那些偏遠(yuǎn)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)線GPRS傳輸往往是唯一和最優(yōu)的選擇，GPRS的傳輸速度為9.6K/s，非常適合傳感器這樣單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)量較小、穩(wěn)定性要求較高的傳輸通信。應(yīng)用系統(tǒng)和智能網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境信息和控制信息的傳遞，智能網(wǎng)關(guān)同時(shí)連接ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)傳輸層的核心設(shè)備。

8 大數(shù)據(jù)傳輸

除傳感數(shù)據(jù)外，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)通常還會(huì)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署高清監(jiān)視器，通過(guò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和變焦調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)情況，高清監(jiān)視器將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并且需要實(shí)時(shí)查看，如果仍然采用Zigbee或者GPRS無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸明顯不切實(shí)際，必須采用網(wǎng)線或光纖等有線傳輸方式。而高清監(jiān)視器通過(guò)NVR匯聚視頻數(shù)據(jù)后將直接采用有線傳輸?shù)姆绞浇尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，使應(yīng)用系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)展示農(nóng)田視頻圖像。（如圖2）

9 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)同時(shí)連接傳感內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部傳輸網(wǎng)絡(luò)，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)傳輸層的核心設(shè)備。通常情況下，智能網(wǎng)關(guān)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中匯聚到路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)而傳輸至后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)也負(fù)責(zé)將應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)控制信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)。智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)繁重，資源需求較高，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境多變，需求多種成熟的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，外部接口較為復(fù)雜，所以我們采用專門為工業(yè)前端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的STM32開發(fā)平臺(tái)。專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的STM32平臺(tái)采用CORTEX-M3核心，采用高性能核心板即可完成精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的計(jì)算要求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選配相應(yīng)模塊讓系統(tǒng)滿足不同層次的應(yīng)用，同時(shí)也極大優(yōu)化了硬件的測(cè)試，系統(tǒng)框圖（如圖3）

10 結(jié)語(yǔ)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，傳輸網(wǎng)絡(luò)的合理組建與優(yōu)化是支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了適應(yīng)于中國(guó)國(guó)情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)傳輸模型，簡(jiǎn)述了該模型體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了傳感內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)—基于Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)和外部傳輸網(wǎng)絡(luò)—基于GPRS的移動(dòng)通訊技術(shù)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境提出了相應(yīng)優(yōu)化組合方式及核心設(shè)備智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的研發(fā)具有指導(dǎo)與參考意義。同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用還受到成本，功耗等因素制約，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，進(jìn)一步提高農(nóng)地單產(chǎn)，提升農(nóng)民收入，造福于整個(gè)社會(huì)。

[1]李曉維.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社,2007.

[2]王鈞.Zigbee技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 [M].信息技術(shù),2012.

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[4]潘明,劉海峰.基于Zigbee技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與研究[M].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2011.

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廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“特色種植監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)”項(xiàng)目合同編號(hào)：桂科轉(zhuǎn)13109073