基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

　　摘要：采用ZigBee技術與3G通信技術、以太網技術相融合的方式，將各農業(yè)基地及其內部相關設備組成一個大型的無線傳感網絡系統(tǒng)，并根據分布于各個農業(yè)基地內部的傳感器采集參數(shù)，精準掌控各個農業(yè)基地的內部狀況，實現(xiàn)基地、設備、人之間的遠程信息交互，形成一種基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經對系統(tǒng)進行實際運作，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)穩(wěn)定性、遠程信息采集交互、可視化及環(huán)境調控均達到實際需求，可對大規(guī)模農業(yè)基地進行實時管理。

　　關鍵詞：物聯(lián)網；智慧農業(yè)；監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器；采集

　　當前，我國的農業(yè)正由小規(guī)模種植的個體方式向集約化、大規(guī)?；胤N植方式發(fā)展…，隨之而來如灌溉、施肥、蟲害等各種問題也逐步凸顯出來。因此，如何對大規(guī)模、大面積的農業(yè)基地實施高效率、信息化、安全化的科學管理，是一個當務之急需要解決的問題。目前，國內農業(yè)基地的環(huán)境監(jiān)控大部分采用傳統(tǒng)方式，即通過人工手段進行監(jiān)控，這大大增加了不必要的勞動力開銷，降低了工作效率。物聯(lián)網利用局部網絡與互聯(lián)網等通信技術，把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理與控制的智能化。本研究在物聯(lián)網基礎上，提出一種智慧農業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，用戶可以不受空間限制，對大規(guī)模農業(yè)基地進行環(huán)境信息采集，同時又能對其進行可視化的精確調控，從而實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)的集中高效管理。

　　1系統(tǒng)總體方案

　　監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成，即由ZigBee無線網絡、嵌入式操作平臺、視頻監(jiān)控模塊組成的現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)，由3G傳輸網絡，以太網形成的無線網絡子系統(tǒng)及遠程監(jiān)控管理中心(圖1)?，F(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)通過ZigBee網絡，將傳感器等設備采集到的數(shù)據傳輸至位于基地的嵌入式操作平臺，同時將控制指令發(fā)送給基地中需要控制的設備；現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)采集相關環(huán)境參數(shù)后存人數(shù)據庫，通過無線網絡子系統(tǒng)傳輸至遠程監(jiān)控管理中心，同時，遠程監(jiān)控管理中心結合現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P參數(shù)與視頻信息，通過無線網絡子系統(tǒng)發(fā)出相應的調控指令。

　　2現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)

　　現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿足實時數(shù)據采集、數(shù)據存儲分析、自動控制、網絡連接等功能。

　　2．1短距離ZigBee網絡設計

　　作為一種低復雜度、低速率、低成本、低損耗的新興無線網絡技術，ZigBee技術Ⅲ成為一些近距離通信技術應用的首選。從農業(yè)基地角度來看，一般所需要傳輸?shù)臄?shù)據類型對通信速率要求不高，用ZigBee方式取代傳統(tǒng)的布線方式有相當?shù)目尚行??？紤]到一般農業(yè)基地均具有多測點、多設備、控制距離較短的特點，一般采用ZigBee的Mesh組網(網狀組網)模式(圖2)。Mesh網絡由協(xié)調節(jié)點、路由器和多個終端節(jié)點組成，它是一種多跳的網絡系統(tǒng)，網絡中節(jié)點與節(jié)點之間可以直接通信，每一次的通信都會由一條或多條路由節(jié)點進行中繼，最終傳輸給目的節(jié)點。

　　2．2嵌入式操作平臺設計

　　采用ARM—Linux控制器模式¨1。硬件部分選取ARMl1系列核作為嵌入式控制器的微處理器，該系列處理器具有處理能力強、性能高、功耗低的特點；軟件部分操作系統(tǒng)則采用Linux操作系統(tǒng)，它具有兼容性高、多用戶、多任務、界面操作簡單、安全性好、支持多種平臺等優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)結構如圖4所示，虛線部分為嵌入式系統(tǒng)的軟件架構及內置的應用程序。

　　3無線網絡子系統(tǒng)

　　無線網絡子系統(tǒng)采用中國聯(lián)通3G(第3．代移動通信技術)網絡∞。與以太網元縫連接，實現(xiàn)用戶的遠程監(jiān)控。隨著3G技術的成熟及網絡覆蓋區(qū)域廣，3G網絡的高抗干擾能力、高兼容性與高數(shù)據傳輸速率，使得它完全可以滿足農業(yè)基地監(jiān)測過程中各種數(shù)據的傳輸需求。以太網采用專線連接模式，由遠程管理中心向網絡服務商申請固定的公網IP地址；現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)接收到相關信息，嵌入式控制平臺通過3G—DTU(3G數(shù)據單元)將信息通過3G網絡發(fā)送出去，經過基站與網絡服務器設備實現(xiàn)3G網絡與以太網的無縫連接；通過網絡服務商提供的固定IP傳輸至遠程管理中心，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠距離管理中心的連接(圖6)。反之，管理中心的相關控制信息也可以通過該線路向現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)布，現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)接收到控制信息后，通過一系列信息逆向處理實現(xiàn)最終的遠程控制。

　　4遠程監(jiān)控管理中心

　　管理中心由網絡接人設備和工作計算機等組成拍1，以完成基地現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)信息的采集、存儲和顯示，同時實現(xiàn)對基地視頻遠程手動控制，實現(xiàn)對基地環(huán)境參數(shù)的遠程手動或自動控制。采用B／S(瀏覽器／服務器)模式"1，遠程用戶通過預先設計的友好人機界面瀏覽器登入遠端ARM—Linux控制器，可以通過獲取攝像頭的視頻圖像，直觀地觀察各個農業(yè)基地的動植物生長狀況；可以通過相關環(huán)境參數(shù)的顯示，客觀分析實時狀況；可以根據歷史數(shù)據進行事后分析與未來預測。根據用戶對系統(tǒng)的要求，設計以下幾個主要的界面：(1)設置歷史報表、報警設置、歷史曲線等選項，點擊對應的按鈕，就會彈出對應的界面，用戶可以參照相關的界面顯示，作出合理的判斷，同時每個界面均具有打印輸出的功能；(2)對各基地空氣溫濕度、氨氣濃度、土壤溫濕度、光照強度等參數(shù)作出實時的顯示，同時配置施肥器、通風機、二氧化碳發(fā)生器、水泵等虛擬裝置，用戶只需點擊虛擬裝置，便可實現(xiàn)對遠程裝置的開關操作；(3)根據各種傳感器檢測的環(huán)境參數(shù)，通過監(jiān)控管理中心對相關參數(shù)正常范圍的設置，實現(xiàn)農業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的自動控制。系統(tǒng)遠程監(jiān)控5個農業(yè)基地的相關參數(shù)效果見圖7。

　　5結論

　　圖7遠程監(jiān)控基地相關參數(shù)效果圖示．引入目前比較成熟的3G通信技術，完成智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整個網絡的無縫銜接。本系統(tǒng)目前已經在江蘇省沛縣現(xiàn)代農業(yè)科技示范園投入使用，監(jiān)控的農業(yè)基地覆蓋沛縣全境。通過研究和應用表明，該系統(tǒng)只須架構1套監(jiān)控系統(tǒng)，便可以對處在全國各地所有農業(yè)生產基地進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)人、設備之間的信息交互，適合于大規(guī)模農業(yè)基地的生產管控。基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，具有相當高的穩(wěn)定性，能夠完成農業(yè)生產持續(xù)可靠的精準監(jiān)控，在農業(yè)領域有很好的應用前景。

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