基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

袁小平　徐江　侯攀峰

摘要：采用ZigBee技術(shù)與3G通信技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)相融合的方式，將各農(nóng)業(yè)基地及其內(nèi)部相關(guān)設(shè)備組成一個大型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并根據(jù)分布于各個農(nóng)業(yè)基地內(nèi)部的傳感器采集參數(shù)，精準掌控各個農(nóng)業(yè)基地的內(nèi)部狀況，實現(xiàn)基地、設(shè)備、人之間的遠程信息交互，形成一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)對系統(tǒng)進行實際運作，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)穩(wěn)定性、遠程信息采集交互、可視化及環(huán)境調(diào)控均達到實際需求，可對大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地進行實時管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器；采集

中圖分類號： S24 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0376-03

當(dāng)前，我國的農(nóng)業(yè)正由小規(guī)模種植的個體方式向集約化、大規(guī)?；胤N植方式發(fā)展[1]，隨之而來如灌溉、施肥、蟲害等各種問題也逐步凸顯出來。因此，如何對大規(guī)模、大面積的農(nóng)業(yè)基地實施高效率、信息化、安全化的科學(xué)管理，是一個當(dāng)務(wù)之急需要解決的問題。

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)基地的環(huán)境監(jiān)控大部分采用傳統(tǒng)方式，即通過人工手段進行監(jiān)控，這大大增加了不必要的勞動力開銷，降低了工作效率。物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理與控制的智能化。本研究在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，提出一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，用戶可以不受空間限制，對大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地進行環(huán)境信息采集，同時又能對其進行可視化的精確調(diào)控，從而實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的集中高效管理。

1 系統(tǒng)總體方案

監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成，即由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式操作平臺、視頻監(jiān)控模塊組成的現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)，由3G傳輸網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)形成的無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)及遠程監(jiān)控管理中心（圖1）?，F(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將傳感器等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸至位于基地的嵌入式操作平臺，同時將控制指令發(fā)送給基地中需要控制的設(shè)備；現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)采集相關(guān)環(huán)境參數(shù)后存入數(shù)據(jù)庫，通過無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)傳輸至遠程監(jiān)控管理中心，同時，遠程監(jiān)控管理中心結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)與視頻信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)控指令。

2 現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿足實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲分析、自動控制、網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

2.1 短距離ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

作為一種低復(fù)雜度、低速率、低成本、低損耗的新興無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)[2]成為一些近距離通信技術(shù)應(yīng)用的首選。從農(nóng)業(yè)基地角度來看，一般所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型對通信速率要求不高，用ZigBee方式取代傳統(tǒng)的布線方式有相當(dāng)?shù)目尚行??？紤]到一般農(nóng)業(yè)基地均具有多測點、多設(shè)備、控制距離較短的特點，一般采用ZigBee的Mesh組網(wǎng)（網(wǎng)狀組網(wǎng)）模式（圖2）。Mesh網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由器和多個終端節(jié)點組成，它是一種多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間可以直接通信，每一次的通信都會由一條或多條路由節(jié)點進行中繼，最終傳輸給目的節(jié)點。

在基地中，應(yīng)選取合適的位置放置空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等。為便于安裝與調(diào)試，系統(tǒng)采用多合一傳感器，以集中測量各種參數(shù)，省去多個單一傳感器所需的各種配置，使安裝更加簡易與便捷。該傳感器采用標(biāo)準的Modbus-RTU通訊協(xié)議，支持RS232與RS485數(shù)字量輸出。

傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee終端節(jié)點傳輸給路由節(jié)點，路由節(jié)點將自行選擇最優(yōu)的通信路徑傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點匯聚采集到的數(shù)據(jù)，傳輸給嵌入式操作平臺，這樣即使有一些節(jié)點出現(xiàn)故障，也不會影響最終的通信。工作人員可以通過觀測嵌入式操作平臺顯示的各組傳感器數(shù)據(jù)，作出合理的判斷。同時，協(xié)調(diào)節(jié)點負責(zé)接收來自嵌入式操作平臺的控制信息，通過路由器節(jié)點中繼發(fā)送給指定的ZigBee終端節(jié)點，ZigBee終端節(jié)點接收到信息后，通過對與終端節(jié)點相連的設(shè)備進行控制，完成灌溉、施肥等一系列操作，其工作流程為：首先初始化網(wǎng)絡(luò)；然后終端節(jié)點將對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行搜索，搜索到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)之后申請加入；加入成功后開始接收協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)反饋，并判斷是接收傳感器的數(shù)據(jù)還是控制設(shè)備，從而進行相應(yīng)的操作（圖3）。

2.2 嵌入式操作平臺設(shè)計

采用ARM-Linux控制器模式[3]。硬件部分選取ARM11系列核作為嵌入式控制器的微處理器，該系列處理器具有處理能力強、性能高、功耗低的特點；軟件部分操作系統(tǒng)則采用Linux操作系統(tǒng)，它具有兼容性高、多用戶、多任務(wù)、界面操作簡單、安全性好、支持多種平臺等優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，虛線部分為嵌入式系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及內(nèi)置的應(yīng)用程序。

嵌入式操作平臺基于Linux操作系統(tǒng)建立嵌入式WEB服務(wù)器，以滿足同遠程管理中心瀏覽器的信息交互。為滿足視頻等大數(shù)據(jù)量信息的處理，系統(tǒng)引入輕量級SQLite數(shù)據(jù)庫，便于存儲與管理信息，采用通用CGI技術(shù)完成WEB服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的連接。通過網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫之間的連接，可以將用戶的查詢要求轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫的查詢命令，并將查詢結(jié)果通過網(wǎng)頁返回給遠程用戶；遠程用戶可以通過瀏覽器發(fā)送控制指令，通過CGI傳送給與ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點相連接的串口，ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點由串口接收信息后，將信息發(fā)送給對應(yīng)的ZigBee終端節(jié)點，從而實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

ARM-Linux控制器對參數(shù)的采集與對設(shè)備的控制流程為：首先是初始化網(wǎng)絡(luò)，然后定時采集相關(guān)的數(shù)據(jù)存入SQLite數(shù)據(jù)庫，采集間隔由工作人員決定，最后在WEB上動態(tài)的更新數(shù)據(jù)。一般情況下，系統(tǒng)默認為自動控制模式，系統(tǒng)采用魯棒性較高的模糊PID算法[4]對基地進行更加人性化的自動控制：結(jié)合傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，控制器通過模糊計算推理分析采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)；根據(jù)分析，發(fā)送控制信號到相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)對作物生長環(huán)境的調(diào)控，使基地的環(huán)境狀況達到最適合作物生長的狀態(tài)。在接收到遠程管理中心的控制信號，系統(tǒng)會立刻轉(zhuǎn)入手動模式。嵌入式系統(tǒng)控制流程如圖5所示，首先發(fā)送ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化命令；初始化完成后，系統(tǒng)定時采集傳感器反饋的數(shù)據(jù)并同步更新到數(shù)據(jù)庫中，同時，實時反映在WEB頁面上；操作人員在觀察到實時更新的數(shù)據(jù)后，判斷是否進行手動操作。endprint

2.3 視頻監(jiān)控設(shè)計

采用高清網(wǎng)絡(luò)云臺攝像頭模式，既可以現(xiàn)場調(diào)節(jié)嵌入式平臺來控制攝像頭轉(zhuǎn)動，也可以遠程操控，它擁有標(biāo)準的 H.264 壓縮算法，支持D1、CIF等2種分辨率，適合無線網(wǎng)絡(luò)；支持水平360度全向轉(zhuǎn)動，安裝使用方便；適用于不便布線的場合。

攝像頭將采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置的編碼器編碼，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)傳輸至管理中心，通過管理中心的解碼器解碼后播放視頻。

3 無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)采用中國聯(lián)通3G（第3代移動通信技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)[5]與以太網(wǎng)無縫連接，實現(xiàn)用戶的遠程監(jiān)控。隨著3G技術(shù)的成熟及網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣，3G網(wǎng)絡(luò)的高抗干擾能力、高兼容性與高數(shù)據(jù)傳輸速率，使得它完全可以滿足農(nóng)業(yè)基地監(jiān)測過程中各種數(shù)據(jù)的傳輸需求。

以太網(wǎng)采用專線連接模式，由遠程管理中心向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商申請固定的公網(wǎng)IP地址；現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)接收到相關(guān)信息，嵌入式控制平臺通過3G-DTU（3G數(shù)據(jù)單元）將信息通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，經(jīng)過基站與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)備實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的無縫連接；通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的固定IP傳輸至遠程管理中心，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠距離管理中心的連接（圖6）。反之，管理中心的相關(guān)控制信息也可以通過該線路向現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)布，現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)接收到控制信息后，通過一系列信息逆向處理實現(xiàn)最終的遠程控制。

4 遠程監(jiān)控管理中心

管理中心由網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備和工作計算機等組成[6]，以完成基地現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)信息的采集、存儲和顯示，同時實現(xiàn)對基地視頻遠程手動控制，實現(xiàn)對基地環(huán)境參數(shù)的遠程手動或自動控制。

采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式[7]，遠程用戶通過預(yù)先設(shè)計的友好人機界面瀏覽器登入遠端ARM-Linux控制器，可以通過獲取攝像頭的視頻圖像，直觀地觀察各個農(nóng)業(yè)基地的動植物生長狀況；可以通過相關(guān)環(huán)境參數(shù)的顯示，客觀分析實時狀況；可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行事后分析與未來預(yù)測。根據(jù)用戶對系統(tǒng)的要求，設(shè)計以下幾個主要的界面：（1）設(shè)置歷史報表、報警設(shè)置、歷史曲線等選項，點擊對應(yīng)的按鈕，就會彈出對應(yīng)的界面，用戶可以參照相關(guān)的界面顯示，作出合理的判斷，同時每個界面均具有打印輸出的功能；（2）對各基地空氣溫濕度、氨氣濃度、土壤溫濕度、光照強度等參數(shù)作出實時的顯示，同時配置施肥器、通風(fēng)機、二氧化碳發(fā)生器、水泵等虛擬裝置，用戶只需點擊虛擬裝置，便可實現(xiàn)對遠程裝置的開關(guān)操作；（3）根據(jù)各種傳感器檢測的環(huán)境參數(shù)，通過監(jiān)控管理中心對相關(guān)參數(shù)正常范圍的設(shè)置，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的自動控制。系統(tǒng)遠程監(jiān)控5個農(nóng)業(yè)基地的相關(guān)參數(shù)效果見圖7。

5 結(jié)論

引入目前比較成熟的3G通信技術(shù)，完成智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在江蘇省沛縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園投入使用，監(jiān)控的農(nóng)業(yè)基地覆蓋沛縣全境。通過研究和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)只須架構(gòu)1套監(jiān)控系統(tǒng)，便可以對處在全國各地所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)人、設(shè)備之間的信息交互，適合于大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地的生產(chǎn)管控?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，能夠完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)可靠的精準監(jiān)控，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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