基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬永斌　趙 濤

摘 要：傳統(tǒng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較低的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率，無法精準(zhǔn)采集農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本研究設(shè)計(jì)了農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在原有系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器電路模塊、無線射頻模塊及采集與存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集。軟件設(shè)計(jì)方面，利用采集端確定數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集。對比試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以促進(jìn)農(nóng)作物的精細(xì)化培育。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)作物生長環(huán)境;精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TN790 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）35-0024-03

Design of Precision Data Acquisition System for Crop Growth

Environment Based on Internet of Things

MA Yongbin ZHAO Tao

（Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu Henan 476000）

Abstract： The traditional crop growth environment accurate data collection system has a low data collection accuracy rate and cannot accurately collect crop growth environment data. Therefore， based on the Internet of Things technology， this study designed a precise data collection system for crop growth environment. Based on the original system hardware， the system has designed sensor circuit modules， wireless radio frequency modules， and acquisition and storage modules to achieve accurate data acquisition. In terms of software design， the data is collected by the acquisition end， pre-processed， and the database is designed to achieve accurate data collection. Comparative experiments show that the system can promote the refined cultivation of crops.

Keywords： Internet of Things;crop growth environment;accurate data acquisition

目前，農(nóng)業(yè)市場與信息化建設(shè)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。信息技術(shù)可以改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)要素的組合方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效和信息資源開發(fā)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)對農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在堅(jiān)持以互聯(lián)網(wǎng)為核心的前提下進(jìn)行延伸和擴(kuò)展[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要內(nèi)容就是進(jìn)行信息的交換和通信，致力于實(shí)現(xiàn)物物相息的綜合數(shù)據(jù)采集。農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有控制植物生長環(huán)境的能力，針對影響農(nóng)作物生長的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集，溫度、光照、生長需要的微量元素等都處于精準(zhǔn)控制狀態(tài)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)傳感器電路模塊

在農(nóng)作物生長過程中，溫度、濕度及光照度是影響農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集的三大要素。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，傳感器電路模塊設(shè)計(jì)主要分為溫度采集電路、濕度采集電路和光照度采集電路[2]。

溫度采集電路采用的溫度傳感器型號(hào)為TMK421，它是一種精密的電路溫度傳感器。當(dāng)TMK421阻值PT100上升0.385Ω時(shí)，溫度就隨之上升1℃。當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境溫度為25℃時(shí)，溫度采集電路由單電源供電，農(nóng)作物生長環(huán)境溫度越高，溫度傳感器電阻越大，測量范圍為-250～850℃，可以滿足所有農(nóng)作物生長環(huán)境的應(yīng)用條件[3]。濕度采集電路設(shè)計(jì)的是一種柔性透明的高性能濕度傳感器，該傳感器基于MoO3納米片，采用低成本、簡便的溶液方法合成。所制備的濕度傳感器對外部相對濕度表現(xiàn)出出色的靈敏度，農(nóng)作物生長環(huán)境濕度從0%變?yōu)?00%時(shí)，電流變化了5個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，濕度采集電路具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，并且具有很好的機(jī)械靈活性，可以高效準(zhǔn)確地采集農(nóng)作物生長環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)。光照度采集電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容是光照傳感器，基于Zigbee3.0無線通信協(xié)議，可以精準(zhǔn)化檢測農(nóng)作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度并記錄歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，它可以將農(nóng)作物生長環(huán)境光照變化作為自動(dòng)化條件，為農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集提供智能場景聯(lián)動(dòng)。傳感器電路模塊的設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器，能夠?qū)r(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，特別是采集農(nóng)作物生長過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)計(jì)無線射頻模塊

無線射頻模塊的主要內(nèi)容就是通過無線方式傳輸信息，無線射頻模塊具有采集、傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選擇ISO14443作為無線射頻模塊，其由農(nóng)作物生長環(huán)境物理特性、射頻功率和信號(hào)接口、讀寫器和電子標(biāo)簽以及傳輸協(xié)議四部分共同組成。讀寫器通過其天線向外發(fā)送一定頻率的電磁波，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入信號(hào)接口的工作范圍后，其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流而被激活，于是將其存儲(chǔ)的信息通過內(nèi)部天線發(fā)送出來。再由讀寫器的天線接收來自電子標(biāo)簽的載波信號(hào)，將其傳送給讀寫器。讀寫器對接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與解碼處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給采集與存儲(chǔ)模塊。

1.3 設(shè)計(jì)采集與存儲(chǔ)模塊

采集與存儲(chǔ)模塊的主要功能就是實(shí)時(shí)地對農(nóng)作物生長環(huán)境的三種數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以便做出科學(xué)的農(nóng)業(yè)管理方案，促使農(nóng)作物良好生長，提高農(nóng)作物生產(chǎn)效益。農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊如圖1所示。其間以ARM嵌入式處理器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊，采集上述三種傳感器數(shù)據(jù)及無線射頻模塊數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，然后發(fā)送至數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集過程中，利用采集端確定數(shù)據(jù)，不需要配置即可完成數(shù)據(jù)采集。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用下，首先設(shè)置和確定數(shù)據(jù)字段，輸入網(wǎng)址后，軟件即可自動(dòng)識(shí)別出頁面上的數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)確定結(jié)果，每一類數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)采集字段，通過右擊字段可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置，包括修改字段名稱或增減字段，由此完成采集數(shù)據(jù)任務(wù)的添加。

圖1 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在確定采集端數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的預(yù)處理是指將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用于之后系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)采集的數(shù)字信號(hào)。其間運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

[Ani=f（An-1j∈Bn-1An-1j）×knij+bni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Ani]為第[i]層的第[n]個(gè)特征數(shù)據(jù);[f（.）]為激活函數(shù);[Bn-1]為第[n-1]層特征數(shù)據(jù)的集合;[An-1j]為第[n-1]層第[j]個(gè)特征數(shù)據(jù);[knij]為[Ani]的第[j]個(gè)卷積核;[bni]為第[n]層的第[i]個(gè)特征數(shù)據(jù)的偏值。

將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過池化層進(jìn)行處理，計(jì)算出濾波器最大值，得到精確的農(nóng)作物生長環(huán)境特征數(shù)據(jù)。

[Ani=downAn-1i]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[down（.）]為池化函數(shù)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)在預(yù)處理過程中的精準(zhǔn)化程度及穩(wěn)定度關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)化程度及穩(wěn)定度。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

將所有經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，便于二次搜索。當(dāng)確定基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集過的數(shù)據(jù)經(jīng)過正規(guī)人員修改時(shí)，必須重新采集數(shù)據(jù)。嚴(yán)格按照基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的具體模式，將這些數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，經(jīng)過程序的自動(dòng)化判斷，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集。這樣能夠獲得精準(zhǔn)的管理效果，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集。詳細(xì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

3 對比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了確?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，本研究針對農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度進(jìn)行試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，整個(gè)試驗(yàn)均在統(tǒng)一環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)所用設(shè)備型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)完全統(tǒng)一，將農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)設(shè)為25℃，測試農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。為確保試驗(yàn)的普遍性，設(shè)定試驗(yàn)總次數(shù)為10次，使用兩個(gè)系統(tǒng)分別各采集5次農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。首先采用傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再采用本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)施同樣操作步驟，設(shè)置傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為對照組，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，記錄5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將兩個(gè)系統(tǒng)下農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度進(jìn)行對比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度對比

由表1可得，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度更高。通常，采用相同的電路及設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更能夠精準(zhǔn)采集農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)。由此可見，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以促進(jìn)農(nóng)作物的精細(xì)化培育。

4 結(jié)語

目前，現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)根據(jù)農(nóng)作物生長發(fā)育的規(guī)律，對農(nóng)作物生長環(huán)境加以精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物種植的精細(xì)化培育。試驗(yàn)表明，本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率方面有著傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。因此，該系統(tǒng)可以為農(nóng)作物生長環(huán)境精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭玲玲.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（16）：1-2.

[2]韓洋.基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分析[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（8）：118.

[3]張騰飛，崔俊宇，芮平，等.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)作物環(huán)境采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（4）：21-25.