物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)

楊宇紅　彭春富

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)不斷深入到我國社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，促進(jìn)我國社會主義現(xiàn)代化的快速發(fā)展。為加強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)科學(xué)化、信息化、智能化、自動化與一體化建設(shè)，提高農(nóng)民自主抗風(fēng)險的能力，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將信息技術(shù)運用到農(nóng)田發(fā)展建設(shè)之中，運用農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)營者提供農(nóng)產(chǎn)品生長、培育的第一手資料，實現(xiàn)農(nóng)田的自動化灌溉技術(shù)，做好基本風(fēng)險預(yù)警工作，極大程度上降低了我國農(nóng)業(yè)運行中的損失，提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量，加快我國農(nóng)業(yè)建設(shè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)田環(huán)境；信息采集控制；預(yù)警系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中利用信息感知設(shè)備，在達(dá)成某種約定協(xié)議的前提下，將農(nóng)作物的發(fā)展情況與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)的連接在一起，從而實現(xiàn)農(nóng)作物與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交換、信息傳輸與信息處理工作，對農(nóng)作物種植地進(jìn)行全面跟蹤、控制、管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的一體化。

1農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計一種物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)，將功能不同的傳感器放置到待測區(qū)域內(nèi)，對待測區(qū)域內(nèi)部的氣候變化進(jìn)行檢測，例如待測區(qū)域內(nèi)部的水分、濕度、溫度、光照度等信息進(jìn)行監(jiān)測與處理，根據(jù)農(nóng)作物在生長過程中對陽光、水分、營養(yǎng)、濕度、溫度的要求，及時對農(nóng)作物種植地做出相應(yīng)的處理，提升農(nóng)作物抗災(zāi)性，提升農(nóng)作物產(chǎn)量。

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)模塊、控制采集模塊、電源三部分構(gòu)成。農(nóng)田環(huán)境信息包含大氣壓信息、環(huán)境濕度信息、風(fēng)速風(fēng)向信息、土壤水分信息、光照度信息等，應(yīng)選用數(shù)字大氣壓傳感器模塊測量農(nóng)作物種植地的大氣壓，選用數(shù)字溫濕度傳感器模塊測量環(huán)境中濕度信息，選用數(shù)字風(fēng)速風(fēng)傳感器模塊檢測農(nóng)作物種植地的風(fēng)速與風(fēng)向，選用數(shù)字土壤濕度傳感器模塊測量土壤中的含水量，選用光強(qiáng)度檢測模塊測量光照度。本文將選用Arduino信號的開放板作為整個系統(tǒng)的控制核心，利用該開發(fā)板對系統(tǒng)電源進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能、降耗的效果，充分解決農(nóng)田種植過程中供電困難的問題；因該開發(fā)板的外部模塊較為成熟，在確保插接正確的情況下就能正常、穩(wěn)定的工作，功能性十分強(qiáng)大，其操作技術(shù)簡單，能夠為系統(tǒng)傳感器提供5伏或者是303伏的運行電源，有效解決系統(tǒng)中傳感器的供電問題，極大程度上節(jié)約了設(shè)備運行成本。

其中，網(wǎng)絡(luò)模塊是由Arduino Ethernet W5100和TP-LINKTL-WR720N、ECl22組成。在安裝網(wǎng)絡(luò)模塊時需從以下兩個步驟人手：第一步，需將路由器初始化，將路由器的DHCP的服務(wù)模式開啟，就不同在初始化程序中設(shè)置IP地質(zhì)，使軟件能夠在任何情況下均能夠正常運行；第二步，將W2100安裝到Ardu-ino上，將軟件進(jìn)行初始化，然后設(shè)置其物理地質(zhì)，只有運行主程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制時Yeelink平臺才能夠接收到環(huán)境信息。農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)的控制核心是ArduinoUNO R3，該程序選用型號為ATmega328的微處理器。因AT-mega328信號的微處理器內(nèi)部安裝有獨立片形式的內(nèi)震蕩器，即“可編程看門狗定時器”，31KB Flash內(nèi)存、6個模擬輸入端口，14個數(shù)字I/0端口，能夠?qū)λO(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)化處理，將所監(jiān)控到的信息準(zhǔn)確、直觀地傳遞給農(nóng)業(yè)管理人員。電源是由兩部分組成，其一是9伏干電池，該電源主要為網(wǎng)絡(luò)模塊、Ar-duino開發(fā)板和傳感器供電；其二是移動電源，該電源可以重復(fù)使用，主要是為路由器供電。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

經(jīng)相關(guān)人員對農(nóng)田環(huán)境信息的USB串口上傳和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布研究得知，上位機(jī)軟件在串口上傳和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布分別利用LabVIEW軟件程序和Yeelink平臺，能夠利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對曲線數(shù)據(jù)的儲存與顯示；系統(tǒng)下位機(jī)軟件是由數(shù)據(jù)傳送子程序、信號采集子程序、主程序、初始化程序組成。其一，上位機(jī)程序模塊包含Arduino的顯示儲存模塊和通信模塊。顯示儲存模塊作為Lab VIEW前面板的重要構(gòu)件，能夠?qū)@示屏上所現(xiàn)實的一切數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，并具備歷史記錄顯示功能。通信模塊組要由LabVIEW串口設(shè)備、取讀串口數(shù)據(jù)、關(guān)閉串口組成。其二，Yeelink平臺是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有開發(fā)性、服務(wù)型的供應(yīng)商，能夠管理傳感器、儲存海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、自動化。其三，下位機(jī)軟件的詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容如下：（1）數(shù)據(jù)傳送子程序，該程序包含兩個方面，即串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。串口數(shù)據(jù)是由傳感器標(biāo)志位、數(shù)據(jù)內(nèi)容這兩部分構(gòu)成，Lab VIEW軟件能夠按照傳感器標(biāo)志所顯示的位置，對信息進(jìn)行手機(jī)與處理，保證信息的準(zhǔn)確性與時效陛。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是在獲得HTTP請求方式后將數(shù)據(jù)信息傳送到Y(jié)eelink平臺。（2）限號采集子程序，當(dāng)該程序發(fā)起采集信息的命令時，信號在即程序就能夠按照相應(yīng)的信息命令，對大氣壓信息、環(huán)境濕度信息、風(fēng)速風(fēng)向信息、土壤水分信息、光照度信息等進(jìn)行采集。（3）主程序，即田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)與電源接通后，初始化程序最先開啟運行，當(dāng)初始化程序運行結(jié)束后開始運行的程序是主程序。田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警的硬件系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)成功連接之后，主程序能夠?qū)π盘柌杉绦?、?shù)據(jù)傳送子程序進(jìn)行發(fā)起號令。（4）初始化程序，需要將Arduino D7引腳作為輸出I/0的出口，并將串子波特率設(shè)置成9600bit/s，并將傳感器傳送子的數(shù)據(jù)傳送間隔設(shè)置成20秒。

2農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)功能

農(nóng)田生長環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)中傳感器節(jié)點分別位于檢測區(qū)域之內(nèi)，以此構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)基本單元，使傳感器各個節(jié)點之間能夠相互通信、交流，將相鄰的兩個節(jié)點形成簇，每個傳感器節(jié)點信息收集功能均由簇首節(jié)點來完成，將所收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)后期融合后，對其進(jìn)行壓縮處理，然后將壓縮好的數(shù)據(jù)傳送到各個匯聚節(jié)點。因此，匯聚節(jié)點承擔(dān)著任務(wù)管理與傳感器之間通訊與交流的任務(wù)。任務(wù)管理節(jié)點作為WSN數(shù)據(jù)與質(zhì)量管理中心，通常是由多臺服務(wù)器構(gòu)成，農(nóng)業(yè)管理人員通過管理傳感器網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)節(jié)點配置，實現(xiàn)對農(nóng)作物種植環(huán)境的信息檢測與收集。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部的各個傳感器節(jié)點位置，均可利用節(jié)點的自身定位算法或者是GPS定位技術(shù)獲取，依照任務(wù)管理借點所發(fā)出的信息收集質(zhì)量，將采集信息的指令傳送給各個簇首節(jié)點，由簇首節(jié)點將信息進(jìn)行融合處理，將其依次分發(fā)給不同的匯聚節(jié)點，后經(jīng)匯聚節(jié)點接受信息、整理信息、處理信息，利用通信衛(wèi)星或者是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給相對應(yīng)的管理節(jié)點。

3農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)工作流程

第一步，農(nóng)業(yè)種植管理人員利用任務(wù)管理節(jié)點，對互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下發(fā)環(huán)境信息查詢指令，利用互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送到相應(yīng)的匯聚節(jié)點上。

第二步，匯聚節(jié)點遵循農(nóng)業(yè)管理人員所下發(fā)的命令，對相應(yīng)的簇首下發(fā)命令，簇首接受到命令后激活簇內(nèi)節(jié)點，收集農(nóng)業(yè)管理人員所需的信息。節(jié)點按照指令對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的采集，然后對所采集的信息進(jìn)行篩選、整合等處理，再將所整理好的信息傳送給相應(yīng)的簇首節(jié)點，由簇首節(jié)點將信息進(jìn)行融合于壓縮，并最終整理好的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。

第三步，匯聚節(jié)點將簇首節(jié)點所上傳而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次篩選與整理，由外部網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給任務(wù)節(jié)點，將最終信息反饋給農(nóng)業(yè)種植管理人員。

4農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)節(jié)點定位控制

農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)其工作重點在于對系統(tǒng)中節(jié)點的定位與控制，如果節(jié)點設(shè)置錯誤，將直接影響到信息的收集與預(yù)警工作，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)田種植中的應(yīng)用將無法起到實質(zhì)性的作用。因此，在對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行定位時，一定要運用節(jié)點的自身定位算法或者是GPS定位技術(shù)獲取節(jié)點的具體位置，確保節(jié)點位置的準(zhǔn)確性。其中，節(jié)點的自身算法是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中每—個新表節(jié)點的冗余信息，并利用距離估算法，獲取未知節(jié)點的位置；GPS定位技術(shù)獲取節(jié)點是一種最點單且準(zhǔn)確率最高的技術(shù)，具有良好的抗干擾能力，使用性良好，但是運行成本較高，對節(jié)的要求十分苛刻嚴(yán)格，適合被運用到大型、高成本的自動化傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

5總結(jié)

綜上所述，為實現(xiàn)農(nóng)田種植環(huán)境管理與檢測的智能化、一體化、信息化與自動化，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用其中，實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)與防御系統(tǒng)的應(yīng)用與管理，本文從系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)工作流程、系統(tǒng)節(jié)點定位控制四個方面人手，詳細(xì)分析該系統(tǒng)在農(nóng)田環(huán)境信息收集控制與預(yù)警中作中的實際應(yīng)用與實踐。