基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：為精準(zhǔn)變量播種、施肥、施藥及自動(dòng)灌溉等的實(shí)施，并為科學(xué)研究提供全面信息，本文設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)透徹感知、可靠傳輸及智能處理理念，整個(gè)系統(tǒng)由無線感知網(wǎng)絡(luò)、傳輸節(jié)點(diǎn)、ＧＰＲＳ及上位機(jī)管理系統(tǒng)等部分組成。其中無線感知網(wǎng)絡(luò)由感知終端和傳感模塊組成，并通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行連接。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)感知作物生長環(huán)境信息及作物生理信息，并將數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理系統(tǒng)。上位機(jī)管理系統(tǒng)首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，還可通過Ｗｅｂ系統(tǒng)在線展示和發(fā)布。長時(shí)間運(yùn)行測試表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；透徹感知；無線感知網(wǎng)絡(luò)

　?。币?/p>

　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）是現(xiàn)代高新農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的盲目投入、節(jié)約成本并增加產(chǎn)量、提高農(nóng)資利用率、減少環(huán)境污染、阻止生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化而提出的新舉措［１］。其核心思想是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力、地形、氣候、病蟲草害等），分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，對作物栽培管理實(shí)施定位，改定量投入為變量投入［２］。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)、作物栽培管理技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代生產(chǎn)形式和管理模式，是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施中，作物的生長信息和環(huán)境信息的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取是關(guān)鍵。高密度的、全面的農(nóng)業(yè)信息獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的前提。針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)存在的參數(shù)不全面、實(shí)時(shí)性差等問題，設(shè)計(jì)了本信息采集系統(tǒng)［３～５］。

　?。蚕到y(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

　　我國農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的高速發(fā)展為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，更是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境信息的獲取提供了有力工具和可靠保證。物聯(lián)網(wǎng)是“萬物溝通”的，具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)間、任何地點(diǎn)及任何物體的連結(jié)，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到了任何需要實(shí)時(shí)管理的物與物之間。與常規(guī)技術(shù)相比，物聯(lián)網(wǎng)以其更透徹感知功能，極大提高了人類感知世界的能力；以其更全面的互聯(lián)，增強(qiáng)了人類遠(yuǎn)程認(rèn)知的能力；以其更深入的智能化，提高了人類與世界和諧相處的能力。物聯(lián)網(wǎng)的功能特點(diǎn)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)信息的全面、可靠、深入、廣泛感知提供了可靠保障［６～１１］。２．１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)由感知層、傳輸層及智能處理層組成。其中，感知層由眾多感知節(jié)點(diǎn)組成，眾多感知節(jié)點(diǎn)通過無線連接組成了無縫感知網(wǎng)絡(luò)；傳輸層由傳輸節(jié)點(diǎn)組成，可根據(jù)需要設(shè)置傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量；智能處理層完成信息的顯示、存儲(chǔ)、分類及智能處理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖１所示。

　　由圖１看出，感知層采用了典型的分簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)由Ｓｉｎｋ節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)三種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。Ｓｉｎｋ節(jié)點(diǎn)作為感知層的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)通過單挑或多跳路由方式與Ｓｉｎｋ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。感知節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)信息感知的基本功能單元，并把感知信息通過無線傳輸向簇頭傳送。

　　２．２感知節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)國際電信聯(lián)盟的建議，感知層的主要功能是通過各種類型的傳感器對物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)／動(dòng)態(tài)的信息進(jìn)行大規(guī)模、分布式的信息獲取與狀態(tài)辨識，并針對具體感知任務(wù)，采用協(xié)同處理的方式對多種類、多角度、多尺度的信息進(jìn)行在線計(jì)算與控制［１２］。感知節(jié)點(diǎn)是物體屬性及環(huán)境感知任務(wù)的承擔(dān)者。首先是完成物體所處環(huán)境信息的感知，還要對物體屬性進(jìn)行感知。感知節(jié)點(diǎn)還具有ＧＰＳ定位及無線傳輸功能。分析感知節(jié)點(diǎn)特性，設(shè)計(jì)感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖２所示。感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，以信息感知主板為核心，根據(jù)需要輔以相應(yīng)功能模塊。信息感知主板的微處理器選用了具有超低功耗、片上資源豐富、指令執(zhí)行速度快的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９。微處理器除帶有８個(gè)ＡＤＣ轉(zhuǎn)換接口外，另還具有５個(gè)８腳的ＩＯ接口。均輔以１０腳的標(biāo)準(zhǔn)插座（１腳和１０腳分別連接地和電源），可通過排線連接需要的傳感器件。

　　3感知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　感知節(jié)點(diǎn)主要完成信息的感知和傳輸。采用了被動(dòng)感知信息方式，感知節(jié)點(diǎn)接收到采集命令后，繼而完成信息采集及轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。即感知節(jié)點(diǎn)的微處理器接到采集任務(wù)后，首先進(jìn)行信息的采集和處理，處理好的數(shù)據(jù)由無線傳輸模塊把信息轉(zhuǎn)發(fā)給傳輸節(jié)點(diǎn)，并由傳輸節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。微處理器與無線模塊間通訊采用了通用串行異步協(xié)議通訊方式，并在無線傳輸中定義了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議。軟件流程如圖７所示。

　　４上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)采用ＪＡＶＡ開源框架開發(fā)，系統(tǒng)使用ＭＶＣ三層設(shè)計(jì)模式，即：ＪＳＰ＋Ｓｅｒｖ－ｌｅｔ＋ＪａｖａＢｅａｎ。即ＭＶＣ把一個(gè)應(yīng)用的輸入、處理、輸出流程按照Ｍｏｄｅｌ、Ｖｉｅｗ、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ的方式進(jìn)行了分離，一個(gè)應(yīng)用被分成了模型層、視圖層、控制層三個(gè)層次。Ｓｅｒｖｌｅｔ為ＭＶＣ的控制層，擔(dān)當(dāng)主要邏輯控制。通過接受ＪＳＰ傳來的用戶請求，調(diào)用以及初始化ＪａｖａＢｅａｎ，然后通過ＪＳＰ傳到客戶端。ＪａｖａＢｅｅｎ為ＭＶＣ模型層，擔(dān)當(dāng)配合ＪＳＰ以及Ｓｅｒｖｌｅｔ來完成用戶的請求。ＪＳＰ為ＭＶＣ視圖層，擔(dān)當(dāng)接受與響應(yīng)客戶端。其實(shí)現(xiàn)的流程為：客戶發(fā)送請求給控制器Ｓｅｒｖｌｅｔ，Ｓｅｒｖｌｅｔ根據(jù)請求實(shí)例化模型組件，進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯操作，操作結(jié)果返回給ＪＳＰ，ＪＳＰ再把信息解析給客戶。數(shù)據(jù)庫采用Ｍｙｓｑｌ５．０設(shè)計(jì)，并通過Ｔｏｍｃａｔ服務(wù)器在線發(fā)布。等用戶登錄之后，即可查看實(shí)時(shí)及理事數(shù)據(jù)。其流程如圖８所示。數(shù)據(jù)處理中，還開發(fā)了大田生姜自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉決策模型。參照該模型，系統(tǒng)可根據(jù)感知到的環(huán)境信息及生姜生長信息，自動(dòng)進(jìn)行生姜澆灌處理。

　　５結(jié)束語

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的透徹感知及可靠傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)。系統(tǒng)由感知層、傳輸層及智能處理三層組成，其中感知層中的感知節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)接口與傳感器進(jìn)行連接，可根據(jù)需要連接不同類型的傳感器，方便實(shí)現(xiàn)不同類型信息的透徹感知、可靠傳輸及智能處理。系統(tǒng)開發(fā)成功后，長時(shí)間大量實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，易于擴(kuò)展，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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　　柳平增１，２，孟祥偉１，田盼３，鄧振民１，王文山１，王玉存１，畢樹生２

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