農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)應(yīng)用解決方案探析

丘映瑩

摘要：針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用區(qū)域分布廣、電源接入困難、電壓不穩(wěn)定的問題，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中各子系統(tǒng)的供電技術(shù)進(jìn)行深入研究，并以南陽鎮(zhèn)高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目為例，探索出可靠的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)解決方案，闡述農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)的具體運(yùn)作。旨為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用和可持續(xù)性發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；電源系統(tǒng)；無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；供電

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-4374（2016）06-0061-04

1 概述

我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的時期，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)興起，物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的深度結(jié)合，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將傳感器加入到土地、水體、灌溉系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通的工具和環(huán)境中去，然后通過網(wǎng)絡(luò)把這些事物連接起來，進(jìn)行智能化分析運(yùn)算，實(shí)施精細(xì)、動態(tài)、全面的管理及控制，推動生產(chǎn)力水平的提升，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。

作為電子信息設(shè)施，無論是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或其它領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)，都離不開穩(wěn)定的電源供應(yīng)。由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有著應(yīng)用區(qū)域分布廣、電源接入困難、電壓不穩(wěn)定的特殊情況，因此，如何獲得穩(wěn)定可靠、長期耐用的電源系統(tǒng)，一直是困擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個難題。一方面，一旦發(fā)生電源供應(yīng)中斷的故障，將有可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不可挽回的損失；另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域廣泛分布在山間、田野，若不能獲得電源供應(yīng)，這些區(qū)域的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就不能得到根本性解決。因此，有效的電源供應(yīng)，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)得以大力發(fā)展的重要保障。目前，此領(lǐng)域相關(guān)研究成果還非常少。為此，本文對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)進(jìn)行全方位研究，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供可靠的電源解決方案，并結(jié)合對農(nóng)戶指導(dǎo)應(yīng)用的實(shí)例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍

物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：

（1）應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)建立精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，收集溫室、田間的環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)測作物的生長情況，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)規(guī)劃、自動生產(chǎn)控制等。

（2）應(yīng)用RFID（射頻識別，Radio Frequency Identification）技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)、加工、批發(fā)以及零售等各個環(huán)節(jié)的有效管理，構(gòu)建食品供應(yīng)鏈跟蹤與可追溯體系。

（3）隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步和推廣應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的融合不斷加深 ，除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)外，還將在農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)、農(nóng)村社會管理、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)、農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展等方面大顯身手。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)分類與解決方案

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)離不開電源供應(yīng)，由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性，對電源供應(yīng)方式的要求也相應(yīng)多種多樣。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，供電系統(tǒng)根據(jù)模塊功能可分為：數(shù)據(jù)處理與控制中心供電、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）供電、指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電等三個部分。

3.1 數(shù)據(jù)處理與控制中心供電解決方案

數(shù)據(jù)處理與控制中心是整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，該部分對供電要求最高，必須做到7*24小時不間斷供電。主電源由市電線路供電，由于農(nóng)村電網(wǎng)電壓不穩(wěn)，且時有停電的情況，所以必須裝備在線式UPS（備用電源系統(tǒng)）。規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入非常大，為確保用電不間斷，UPS系統(tǒng)必須采用雙機(jī)互為備份，備用電源系統(tǒng)的電池組容量應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貑未瓮ｋ娮铋L時間及所有設(shè)備總功率來確定，市場上常用的鉛酸電池由于其壽命短，使用效果不佳，不適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)這類需要長期穩(wěn)定電源的場合。備用電源系統(tǒng)的電池組應(yīng)選用鋰電池組，鋰離子電池以單位能量密度大、壽命長、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)著稱，能勝任野外惡劣的環(huán)境?？紤]到農(nóng)村時常停電，有時候UPS的電池組會因市電供應(yīng)不足而充不滿電，給農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)帶來隱患，因此，還應(yīng)在房頂或附近的空地上架設(shè)功率適用的太陽能電池板，有陽光的日子可以給后備電池組進(jìn)行充電，還可將多余的電能提供給系統(tǒng)用?？紤]到在極端情況下會出現(xiàn)連續(xù)多日的陰雨天氣，導(dǎo)致在市電長時間斷電的同時，太陽能電池板無足夠的日照時間來給電池組充電，當(dāng)電池容量過低時，系統(tǒng)將向管理員發(fā)出報(bào)警信息，在得到管理員回復(fù)確認(rèn)后，啟動備用發(fā)電機(jī)來給系統(tǒng)供電，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。該方案供電原理見圖1所示。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電解決方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低廉的微型傳感器組成的負(fù)責(zé)感知、采集和處理檢測區(qū)域中信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其通過無線方式進(jìn)行通信，采用多跳、自組織的方式組成一個網(wǎng)絡(luò)體系。通常一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由終端傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)組成。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗決定整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較分散，從硬件結(jié)構(gòu)看，節(jié)點(diǎn)的能耗主要是在微處理器模塊和無線通信模塊。這為設(shè)計(jì)供電方式時提供了思路，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的低功耗及可持續(xù)性供電。

3.2.1 終端節(jié)點(diǎn)供電方案 終端節(jié)點(diǎn)可以從外界感知相關(guān)信息，采集所需要的環(huán)境參數(shù)。主要獲取風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光照及農(nóng)田中空氣的溫濕度數(shù)據(jù)，為灌溉量的決策提供依據(jù)。一個終端節(jié)點(diǎn)一般由傳感器單元、處理單元、收發(fā)單元以及電源模塊構(gòu)成， 電源模塊可采用太陽能電池板、無線充電和鋰電池共同供電的方式來提供電源，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)能源的持續(xù)供給。在無光照的使用環(huán)境中，可只提供無線充電方案對節(jié)點(diǎn)的鋰電池進(jìn)行充電，但必須采用適合的無線充電算法，以確保終端節(jié)點(diǎn)能夠補(bǔ)充到可以維持其正常工作的電能。終端節(jié)點(diǎn)供電原理見圖2所示。

采用太陽能電池及無線充電方式充電改變了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能量單向遞減的過程，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)能量自給，無須為節(jié)點(diǎn)更換電池。

在大規(guī)模的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的使用量非常大，且分布區(qū)域廣，部署環(huán)境復(fù)雜，如果全部使用耗能型電源（電源的電量越用越少），經(jīng)過一段時間后，節(jié)點(diǎn)將因缺電而停止工作，而通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的，會造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難以預(yù)計(jì)的損失。因此，通過研究使用無線充電的方法來對大量的無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)充電，采用合理的充電調(diào)度算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電池電壓低于設(shè)定值時，向控制中心發(fā)送充電請求信號，控制中心發(fā)出指令給智能無線充電系統(tǒng)（或無線充電機(jī)器人），由智能無線充電設(shè)備根據(jù)控制中心的指令，對缺電的節(jié)點(diǎn)定向充電?？刂浦行倪€可根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)歷次發(fā)出的充電請求，預(yù)測出該節(jié)點(diǎn)下一次應(yīng)充電時間，提前對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，確保無線節(jié)點(diǎn)能夠長期使用。無線充電原理見圖3所示。

3.2.2匯聚結(jié)點(diǎn)供電方案 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間通信，處理數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)包括處理器、射頻芯片、GPRS模塊和電源模塊，是終端節(jié)點(diǎn)通往控制中心的一個樞紐，其能否持續(xù)正常工作，關(guān)系到所管轄區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成敗。匯聚結(jié)點(diǎn)的功耗往往比終端節(jié)點(diǎn)大很多，因此其供電部分，主要采用以固定電源供電為主，太陽能充電為補(bǔ)充的供電方式。為確保萬無一失，當(dāng)以上供電方式失效且電池剩余電量低于設(shè)置值時，匯聚結(jié)點(diǎn)將向控制中心發(fā)出供電異常警報(bào)，以便管理人員及時排除供電故障。匯聚節(jié)點(diǎn)供電原理見圖4所示。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電解決方案

數(shù)據(jù)處理中心把各節(jié)點(diǎn)收集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的操作（如水泵、風(fēng)扇、卷簾機(jī)、加熱器、增氧機(jī)等），以實(shí)現(xiàn)灌溉、溫濕度控制、光照控制等農(nóng)業(yè)自動化的目的。這些設(shè)備多為大功率設(shè)備，因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源必須由大功率的電源提供。在實(shí)際應(yīng)用中，其供電方式可參考控制中心供電方式。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源解決方案應(yīng)用實(shí)例—南陽鎮(zhèn)高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)應(yīng)用解決方案研究過程中，根據(jù)廣西南寧市南陽鎮(zhèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖農(nóng)戶的要求，設(shè)計(jì)實(shí)施了高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，現(xiàn)結(jié)合此系統(tǒng)，對前述電源解決方案進(jìn)行應(yīng)用闡述。

4.1 南陽鎮(zhèn)高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目簡介

采用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的南陽鎮(zhèn)高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目，取得了顯著的養(yǎng)殖成效，其養(yǎng)魚密度可以達(dá)到一般狀況下的8倍，帶來的經(jīng)濟(jì)效益明顯，同時減少污染，具備較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。項(xiàng)目包括控制中心和養(yǎng)殖基地兩個組成區(qū)域，控制中心設(shè)在農(nóng)戶居住區(qū)，養(yǎng)殖基地位于野外。養(yǎng)殖基地根據(jù)養(yǎng)魚生態(tài)鏈劃分為養(yǎng)魚系統(tǒng)、沉淀物處理系統(tǒng)、微生物水處理系統(tǒng)、微生物利用系統(tǒng)、水體消毒與循環(huán)再造系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等幾個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都包括傳感器及控制部件。這些子系統(tǒng)都由相應(yīng)的電源模塊進(jìn)行支持。

4.2 高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目的電源系統(tǒng)

4.2.1 電源系統(tǒng)分類 結(jié)合實(shí)際情況，項(xiàng)目電源系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)中心供電、傳感器網(wǎng)絡(luò)供電、執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電等三個部分。

4.2.2 供電方案 數(shù)據(jù)中心供電：數(shù)據(jù)中心建設(shè)在控制室內(nèi)，架設(shè)有數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。供電系統(tǒng)以市電為主，在供電回路中串聯(lián)一臺在線式UPS，當(dāng)市電供應(yīng)中斷時，UPS為服務(wù)器提供24小時不間斷的電源供應(yīng)，保證數(shù)據(jù)處理服務(wù)器能夠連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)供電：由于該養(yǎng)殖基地建設(shè)在野外荒地上，離數(shù)據(jù)處理與控制中心相距大約2公里遠(yuǎn)，無穩(wěn)定的市電供應(yīng)來源，架設(shè)專用供電線路成本過高，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)供電主要以太陽能發(fā)電系統(tǒng)為主，備用發(fā)電系統(tǒng)為輔。傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由匯聚結(jié)點(diǎn)綜合控制器及終端結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)取樣傳感器構(gòu)成，總功耗約為15W。匯聚結(jié)點(diǎn)直接使用有線方式供電。終端傳感器結(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與匯聚結(jié)點(diǎn)連接，使用自帶電池供電，當(dāng)電量小于設(shè)定值，即發(fā)送數(shù)據(jù)給控制中心，控制中心發(fā)出無線充電指令給管理員確認(rèn)后對該結(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電：執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由水泵、紫外線消毒裝置、增氧泵、LED照明燈、電磁閥等構(gòu)成，總功耗約為200W。執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電方式與匯聚結(jié)點(diǎn)相同。

4.2.3 供電設(shè)備 供電設(shè)備主要有：智能電源管理系統(tǒng)、4塊單體實(shí)際功率為100W的單晶太陽能發(fā)電板、12V200AH磷酸鐵鋰電池組、太陽能充電控制器以及500W直流轉(zhuǎn)交流DC12V-AC220V逆變器等。4塊太陽能面板并聯(lián)工作，每塊太陽能板最高輸出電壓18V、電流5.5A。根據(jù)南寧地區(qū)經(jīng)緯度計(jì)算得知，每天的有效發(fā)電時間約為6小時，日發(fā)電量2.4KWH。太陽能供電示意圖見圖5。

太陽能控制器主要功能是將太陽能發(fā)電板發(fā)出來的連續(xù)但電壓不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，對鋰電池組進(jìn)行充電。

磷酸鐵鋰電池組主要是將太陽能板發(fā)出來的電能進(jìn)行存儲。由于養(yǎng)殖基地?zé)o市電供應(yīng)，因此對電池組各方面的要求較高，須能在0-60攝氏度范圍內(nèi)工作，且電池組連續(xù)工作5年容量不能少于80%，所以磷酸鐵鋰電池組為最佳選擇（磷酸鐵鋰電池充放2000次循環(huán)，容量不低于80%；工作溫度范圍：0-80攝氏度）。

電源逆變器主要功能是將儲存在電池組中的12V直流電轉(zhuǎn)化為220V交流電，供給基地內(nèi)所有220V用電設(shè)備使用。逆變器的最大功率為500W，可滿足基地內(nèi)所有用電設(shè)備同時使用。

備用發(fā)電系統(tǒng)主要由一臺功率為1KW的汽油發(fā)電機(jī)構(gòu)成，當(dāng)日照不足導(dǎo)致太陽能發(fā)電板無法對電池組進(jìn)行及時充電時，控制中心根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)傳來的電池剩余容量數(shù)據(jù)通知管理員，管理員可通過手機(jī)遠(yuǎn)程啟動發(fā)電機(jī)對鋰電池組進(jìn)行充電，當(dāng)管理員不能在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行回復(fù)時，控制中心將直接啟動備用發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電。

4.3 實(shí)施情況小結(jié)

在電源系統(tǒng)解決方案有效實(shí)施的情況下，此項(xiàng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高密度環(huán)保魚類養(yǎng)殖項(xiàng)目得到順利開展，除經(jīng)濟(jì)效益明顯外，其應(yīng)用解決方案對于我國廣泛分布的山間、野外的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)都具有一定的借鑒價(jià)值。

5 結(jié)論與展望

有效供電問題一直是影響物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要瓶頸，本文針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電源系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡分析，并提出相關(guān)解決方案。展望未來，除了按本文撰述為系統(tǒng)中各部分提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)之外，還應(yīng)盡可能的減小各節(jié)點(diǎn)的功耗，做到開源節(jié)流，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。隨著電子科學(xué)技術(shù)不斷快速發(fā)展，相信在不久的將來可研發(fā)出在使用壽命期限內(nèi)不需要進(jìn)行能量補(bǔ)充的終端傳感器，以及更多的節(jié)能環(huán)保配件，大力推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

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