基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)設(shè)計

趙建強

摘 要：為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，通過對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究，基于物聯(lián)網(wǎng)透徹感知、可靠傳輸和智能處理作用的特點，研發(fā)設(shè)計了農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由傳感器、現(xiàn)場控制節(jié)點、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和智能監(jiān)測管理系統(tǒng)組成。詳細(xì)描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件功能、服務(wù)器通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理流程和Web智能監(jiān)控系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)園區(qū)的部署運行表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，易于使用，擴展維護(hù)方便，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感器;GPRS;Web

中圖分類號：TP18 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了新的發(fā)展模式和支撐技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知，可靠傳送和智能處理三大特征。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可利用其“感知，傳輸和控制”為農(nóng)業(yè)提供智能信息技術(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐和推動下，出現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)（GIS）、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（ES）、遙感監(jiān)測系統(tǒng)（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，精確調(diào)整土壤的施肥、濕度、用藥等，最大限度的降低農(nóng)業(yè)資源消耗，提高產(chǎn)量，降低環(huán)境污染，節(jié)約成本，達(dá)到環(huán)境、資源、經(jīng)濟協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)大棚是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的核心要素，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)和智能，必須解決大棚中環(huán)境監(jiān)測和控制的問題，傳統(tǒng)依靠人力監(jiān)測和控制的方法存在費時費力，低效以及人對環(huán)境影響等問題。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)，并通過在大棚內(nèi)部署各類無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，實時采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，再上報到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理端，使管理者可以利用手機或遠(yuǎn)程計算機實時監(jiān)測農(nóng)作物現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài)信息，并且可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉指定的調(diào)節(jié)設(shè)備（如遮陽簾、澆灌系統(tǒng)、風(fēng)機、加熱器等），調(diào)節(jié)大棚中農(nóng)作物的生長條件，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化管理。

1 ?信息感知系統(tǒng)的功能架構(gòu)

農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)總體分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1所示為農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)的架構(gòu)圖。圖中最底層是最末端，也是無線傳感器節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸層采用CDMA/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，最上層的管理控制基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。末端的傳感器節(jié)點基于ZigBee無線通信協(xié)議組網(wǎng)。ZigBee是一種短距離無線通信協(xié)議，具有功耗低，自組織網(wǎng)，部署靈活和低成本的特點，非常適用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的采集。數(shù)據(jù)傳輸層由各網(wǎng)關(guān)節(jié)點（匯聚節(jié)點）和CDMA/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點采集信息的收集、存儲和傳輸，同時負(fù)責(zé)上層指令的收發(fā)，遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等功能。最上層的管理控制端構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web管理控制應(yīng)用服務(wù)和各個客戶端組成，服務(wù)器負(fù)責(zé)實時接收來自各網(wǎng)關(guān)節(jié)點的信息，完成數(shù)據(jù)的解析和存儲。Web管理控制應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的分析、匯總、查詢、統(tǒng)計和圖表展示以及遠(yuǎn)程指令的下達(dá)。這樣，授權(quán)用戶無論在何時何地，只要登錄系統(tǒng)就可以實時查看各大棚的情況，并可以通過Web的方式控制大棚中的滴灌、卷簾門、溫度、遮陽簾等設(shè)備，實時調(diào)整大棚中作物的生長環(huán)境。

圖1 ?農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)架構(gòu)

2 ?系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ?終端數(shù)據(jù)采集設(shè)計

終端數(shù)據(jù)采集就是利用部署在農(nóng)業(yè)大棚中的各類傳感器，周期性地采集土壤的溫濕度、大氣溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議或串行接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點），現(xiàn)場控制節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）對數(shù)據(jù)處理后通過GPRS/CDMA等無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

土壤溫濕度感知通過土壤溫濕度傳感器完成。本系統(tǒng)選用YSHT5-5型土壤溫濕度傳感器，濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±1.8%RH，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，精度為±0.3 ℃，功耗為80 μW。該傳感器適用于多種類型的栽培基質(zhì)?？諝鉁貪穸葌鞲衅鬟x用簡單耐用的HMP60溫濕度傳感器，溫度精度±0.6 ℃，濕度精度±3%RH，工作環(huán)境溫度為-40～60 ℃。二氧化碳濃度傳感器選擇BMG-CO2-NDIR防護(hù)型二氧化碳傳感器，檢測分辨率為±10 ppm，測量精度為±5%，工作環(huán)境溫度為0～50 ℃，工作環(huán)境濕度為0～100%RH，工作電壓為24 VDC，該傳感器具有較高的靈敏度，受溫度變化的影響較小。

2.2 ?服務(wù)器通信協(xié)議和軟件設(shè)計

服務(wù)器（上位機）主要完成數(shù)據(jù)的接收、存儲和處理的功能。使用C# Winsock完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的解析、處理、存儲和分析。利用C#開發(fā)Win Service異步數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程程序，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008。服務(wù)進(jìn)程安裝在服務(wù)器上并設(shè)置為開機啟動，服務(wù)進(jìn)程持續(xù)監(jiān)聽特定端口。數(shù)據(jù)通信協(xié)議如圖2和表1所示。

數(shù)據(jù)處理流程是服務(wù)器持續(xù)監(jiān)聽設(shè)定的通信端口。如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點有數(shù)據(jù)上報，則接收并解析上報數(shù)據(jù)，如果上報數(shù)據(jù)格式錯誤則丟棄，否則解析數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類別存儲到對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。服務(wù)進(jìn)程同時會周期性的從命令數(shù)據(jù)表中查詢下達(dá)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的命令，如果查詢到有新的命令，則按照通信協(xié)議，構(gòu)造下發(fā)命令的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并等待命令執(zhí)行的返回結(jié)果。

圖2 ?數(shù)據(jù)包組成圖

（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點上報數(shù)據(jù)示例CN=1210;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110346;01-Rtd=20.910;02-Rtd=46.907;03-Rtd=536.000;04-Rtd=931.000&&

（2）感知節(jié)點上報數(shù)據(jù)示例CN=1212;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110138;State=3.734&&

（3）大棚控制命令示例QN=20080114093600000;CN=3096;MN=20050708S00001;SN=00002;CP=&&IO0=1;IO1=0&&

表1 ?數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)

名稱 類型 長度 描述

請求編號QN 字符 20 精確到毫秒的時間戳：QN=YYYYMMDDHHMMSSZZZ，用來唯一標(biāo)識一個命令請求，用于請求命令或通知命令

命令編號CN 字符 4 命令編號見6.5中命令列表

網(wǎng)關(guān)節(jié)點

唯一標(biāo)識MN 字符 14 網(wǎng)關(guān)把該編號固化到非易失存儲器中，用作網(wǎng)關(guān)自身的身份識別。編碼規(guī)則：前7位是設(shè)備制造商組織機構(gòu)代碼的后7位，后7位是設(shè)備制造商自行確定的此類設(shè)備的唯一編碼

感知節(jié)點

唯一標(biāo)識SN 字符 5 感知節(jié)點把該編號固化到非易失存儲器中，用作感知節(jié)點自身的身份識別。編碼規(guī)則：暫無。

總包號PNUM 字符 4 PNUM指示本次通訊總共包含的包數(shù)

包號PNO 字符 4 PNO指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的包號

數(shù)據(jù)CP 字符 0≤n≤960 CP=&&數(shù)據(jù)區(qū)&&

2.3 ?Web監(jiān)測和控制端設(shè)計

Web信息監(jiān)測和控制模塊實現(xiàn)的主要功能是將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以形象、直觀的圖表方式展示給管理者，并提供對大棚設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。該模塊采用B/S架構(gòu)設(shè)計， 基于Asp.net開發(fā)，可實現(xiàn)系統(tǒng)用戶授權(quán)管理、系統(tǒng)信息配置、大棚設(shè)備控制、傳感器數(shù)據(jù)匯總查詢、傳感器數(shù)據(jù)實時展示等功能。圖3所示為Web展示的控制端系統(tǒng)界面。

圖3 ?Web展示控制端系統(tǒng)界面

管理人員經(jīng)授權(quán)登錄此系統(tǒng)后，可以查看各個大棚的實時和歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，比如大棚實時的土壤溫濕度、土壤溫濕度的歷史匯總數(shù)據(jù)等。還可以根據(jù)當(dāng)前大棚內(nèi)環(huán)境的實際情況，向大棚風(fēng)扇、滴灌、補光、加溫和卷簾等設(shè)備發(fā)送控制指令，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度、光照、通風(fēng)等，實現(xiàn)大棚環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

大棚的管理控制命令主要包括風(fēng)機控制、遮陽簾控制、室內(nèi)溫濕度控制、灌溉控制四個方面。風(fēng)機控制的主要作用是調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度和二氧化碳濃度。當(dāng)大棚內(nèi)濕度過高時，通過開啟風(fēng)機實現(xiàn)大棚空氣快速流動，從而降低濕氣。在大棚溫度、二氧化碳濃度過高時，通過通風(fēng)也能降低溫度和二氧化碳濃度。遮陽簾的主要作用是控制大棚內(nèi)空氣溫度和光照強度。在大棚內(nèi)溫度過高、光照強度太高時放下遮陽簾，在夜間通過拉上遮陽簾可以保持大棚內(nèi)溫度。室內(nèi)燈光控制可在光照強度不高的陰天或者夜間通過開啟補光燈來增加大棚內(nèi)的光照強度，促進(jìn)作物的光合作用、降低二氧化碳濃度等。室內(nèi)溫濕度控制，包括加溫和降溫操作。降溫一般采用遮光、濕簾、通風(fēng)等操作解決。加溫的方式采用熱水加溫和熱氣加溫，利用管道在大棚內(nèi)循環(huán)散發(fā)熱量等。增加濕度則可以通過噴霧或地面灑水等進(jìn)行，降濕主要采用通風(fēng)、使用干燥劑等方式。灌溉控制，灌溉控制的主要作用是在監(jiān)測到土壤濕度不夠時，通過開啟灌溉設(shè)備對農(nóng)作物進(jìn)行澆水。

3 ?結(jié) ?語

本文提出的這種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)，可對大棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行實時跟蹤和控制，避免了人工實地檢測耗時耗力，獲取數(shù)據(jù)有限，并容易出錯等問題。管理人員可以隨時隨地通過Web端實時查看大棚環(huán)境情況并能根據(jù)當(dāng)前大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制大棚作業(yè)設(shè)備，調(diào)節(jié)大棚中的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化、自動化、智能化。系統(tǒng)開發(fā)成功后部署到農(nóng)業(yè)園區(qū)的實際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，易于擴展，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

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