付吉菊

摘 ? ?要： 目前農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集還不完善，監(jiān)測(cè)不到位，直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一的Zigbee技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提出了基于Zigbee技術(shù)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境框架及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集應(yīng)遵循的原則。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集 ? ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ? ?Zigbee技術(shù)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，種植的農(nóng)作物種類繁多，各種農(nóng)作物的產(chǎn)量直接影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。在各種農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，影響產(chǎn)量最大的因素是生長(zhǎng)環(huán)境，包括空氣的溫度、濕度、風(fēng)速、光照時(shí)間、強(qiáng)度、二氧化碳濃度等，但是目前一些農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集采用的技術(shù)（比如人工采集方式等）對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)還不到位，不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的異常情況，及時(shí)地進(jìn)行調(diào)控，對(duì)產(chǎn)量的影響很大?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建的，它可以實(shí)時(shí)地對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境及農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行無(wú)損數(shù)據(jù)采集。

1.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，它可以通過(guò)一些采集信息的設(shè)備（如紅外感應(yīng)器、射頻識(shí)別、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等）與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取、測(cè)量、捕獲、傳遞，并且這種數(shù)據(jù)的采集具有廣泛性，只要是需要感知和能感知的物體，就可以采集到它的數(shù)據(jù)，并傳送至服務(wù)器，以便監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)利用信息處理技術(shù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與分析工具等各種智能計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的智能分析、計(jì)算和匯總。物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)包括傳感器技術(shù)、Zigbee技術(shù)、智能技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等，其中Zigbee技術(shù)是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)之一。

所謂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用各種傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)的各種農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)器。在對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，要力求全面、準(zhǔn)確，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要完成對(duì)多節(jié)點(diǎn)與多區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，除了對(duì)數(shù)據(jù)的全面性與準(zhǔn)確性要求外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理（如匯總、打包等），傳送到服務(wù)器。

2. Zigbee技術(shù)

Zigbee一詞來(lái)源于蜜蜂的舞蹈，當(dāng)蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物時(shí)，會(huì)通過(guò)跳舞將信息傳遞給同伴，如食物的位置、食物的數(shù)量、食物的方向、食物的距離等，蜜蜂的英文是Bee，蜜蜂跳舞時(shí)發(fā)出發(fā)出嗡嗡（Zig）的聲音，而蜜蜂的這種信息傳遞距離近，低成本，速度不快，這和Zigbee的特點(diǎn)很相似。Zigbee名字由此得來(lái)。Zigbee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，普通的兩節(jié)干電池可供Zigbee節(jié)點(diǎn)工作幾個(gè)月的時(shí)間，因此功耗低;Zigbee工作的頻段是免費(fèi)的，不需要支付費(fèi)用，用戶只要花兩美元買芯片即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因此成本低;Zigbee的節(jié)點(diǎn)一般距離在10m～100m之間，因此距離近;Zigbee節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)要30毫秒，因此延時(shí)短。在對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量比較少，對(duì)傳輸速率要求不高，終端設(shè)備大都采用電池供電，并且要避免有線連接。從以上農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)看，Zigbee技術(shù)非常適用。Zigbee協(xié)議主要包括物理層、媒體存取控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全層。

圖1 ? ?使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的框架

針對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求，設(shè)計(jì)的使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的框架如上圖1所示。

由圖1可知，農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為三個(gè)部分，基于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)、internet的網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于WEB的信息管理系統(tǒng)。Zigbee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有樹形（即形狀像棵樹）、網(wǎng)形（即形狀像張網(wǎng)）、星形三種。其中，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 ? ?星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖2可知，中心位置為協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備都與協(xié)調(diào)器有信息傳輸，因此如何組建協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀，數(shù)據(jù)要通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)傳送，因此比較簡(jiǎn)單，設(shè)備成本不高。由于農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集范圍廣、采集點(diǎn)多，為了保證采集數(shù)據(jù)滿足全面、準(zhǔn)確的要求，最好采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以與若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，最多254個(gè)從節(jié)點(diǎn)，一個(gè)從節(jié)點(diǎn)又可連接多個(gè)傳感器。從節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯聚到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，發(fā)揮協(xié)調(diào)功能，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎EB信息管理系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)遵循如下原則：（1）系統(tǒng)要可靠。在多數(shù)情況下，設(shè)備都沒(méi)有人看守，這就要求設(shè)備的可靠性要高，能夠連續(xù)工作，不易出錯(cuò)，能夠安全可靠地采集、傳輸、處理數(shù)據(jù)。（2）系統(tǒng)要實(shí)用。此系統(tǒng)要簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，易于操作，讓大家容易學(xué)習(xí)、掌握，并熟練地使用它。（3）系統(tǒng)要有適用性。農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，而且范圍大，因此要求此系統(tǒng)在任何環(huán)境下都能正常運(yùn)行，有一定的適應(yīng)性。

在對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是Zigbee技術(shù)能夠完成對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境各類數(shù)據(jù)的采集、提取、傳輸、監(jiān)控等，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，判斷異常情況。

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項(xiàng)目基金：安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（1301031030）。