朱偉華, 周文姝

(1. 吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林　132021;2. 海南核電有限公司維修處, 海南 海口　570100)

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基于4G技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

朱偉華1, 周文姝2

(1. 吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林132021;2. 海南核電有限公司維修處, 海南 ?？?70100)

針對(duì)農(nóng)業(yè)小氣候數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于4G技術(shù)的農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器陣列采用基于蟻群的路由算法提高了節(jié)點(diǎn)的能效和利用率。在專(zhuān)有4G傳輸網(wǎng)絡(luò),采用了基于能量的最優(yōu)路徑算法,提高了頻譜利用率。采取統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸和解析,提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有效性。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)小氣候的環(huán)境數(shù)據(jù)的有效監(jiān)控,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

農(nóng)業(yè)小氣候； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 4G技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得農(nóng)業(yè)小氣候的監(jiān)測(cè)成為可能。所謂農(nóng)業(yè)小氣候是指農(nóng)田、大棚或者果園林地中貼近地表的一些環(huán)境參數(shù)[1]。比如：空氣的濕度和溫度,地表的濕度和溫度,二氧化碳的濃度以及地表的輻射等。對(duì)于農(nóng)業(yè)小氣候的監(jiān)測(cè)有助于農(nóng)作物的優(yōu)良生長(zhǎng)。

對(duì)農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)時(shí),可將監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層[2]。在感知層土壤的濃度和濕度等數(shù)據(jù)利用各種傳感器采集,而傳輸層則負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,由于采集的數(shù)據(jù)具有復(fù)雜、海量等特性,很容易對(duì)傳輸信道造成擁堵。因此,采用行之有效的數(shù)據(jù)傳輸方式是非常必要的。由于4G技術(shù)具備傳輸速率快、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)[3],本文提出了一種基于4G技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)控系統(tǒng)。

1　農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)時(shí)不僅需要采集溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù),還需要根據(jù)農(nóng)業(yè)人員的要求提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、圖形輔助數(shù)據(jù)及地理位置等數(shù)據(jù)。

(1) 準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中,外部環(huán)境因素尤為重要。外部環(huán)境因素主要有光照強(qiáng)度、空氣的溫度和濕度、土壤的溫度和濕度、二氧化碳濃度等,需要應(yīng)用多種類(lèi)型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)成為關(guān)鍵的問(wèn)題。

(2) 可視化視頻監(jiān)控。以往農(nóng)業(yè)人員需要查看農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)或者查看病蟲(chóng)害、風(fēng)害等情況時(shí)往往需要親自到現(xiàn)場(chǎng)查看,無(wú)形浪費(fèi)了人力、物力和財(cái)力?？梢暬曨l監(jiān)控則解決了這一問(wèn)題,調(diào)整攝像頭云臺(tái)多角度旋轉(zhuǎn),及時(shí)查看視頻信息。

(3) 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息管理。由于數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和海量性的特點(diǎn),數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理十分必要。農(nóng)業(yè)人員可一天多時(shí)態(tài)查看農(nóng)業(yè)信息,及時(shí)作出調(diào)整,并在數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足要求或者超出要求時(shí)發(fā)出報(bào)警措施。比如：土壤過(guò)干時(shí)則需打開(kāi)灌水閥門(mén),濕度過(guò)大時(shí)則及時(shí)關(guān)門(mén)灌水閥門(mén)。

(4) 定位服務(wù)。農(nóng)業(yè)人員管理多塊農(nóng)田信息時(shí),根據(jù)多塊農(nóng)田存的相對(duì)位置信息,進(jìn)行定位服務(wù),及時(shí)管理位置信息。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了多傳感器采集技術(shù)、控制技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制分析技術(shù)于一體[4]。它通過(guò)監(jiān)控中心的智能軟件分析收集到的數(shù)據(jù),得到農(nóng)業(yè)作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和作物現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素,根據(jù)作物生長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),及時(shí)控制農(nóng)作物生長(zhǎng)必需的水、或者營(yíng)養(yǎng)液等,為農(nóng)業(yè)人員提供不出門(mén)即可管理農(nóng)作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。它還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理,方便技術(shù)人員在線指導(dǎo)農(nóng)業(yè)操作人員維護(hù)設(shè)備管理或者作物的給排水等操作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在區(qū)域性農(nóng)田中排布傳感器陣列(主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、濃度傳感器等),再利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5-6]感知農(nóng)田小氣候的主要信息元素。這些信息數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)有4G網(wǎng)絡(luò)傳輸,數(shù)據(jù)達(dá)到應(yīng)用層后根據(jù)數(shù)據(jù)的解析規(guī)則和特定要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、報(bào)表生成或者可視化圖形。

2.1感知層傳感器陣列設(shè)計(jì)

在大面積農(nóng)田中,根據(jù)區(qū)域環(huán)境的不同會(huì)設(shè)置不同類(lèi)型的傳感器,或者傳感器的位置具有不確定的因素。傳感器節(jié)點(diǎn)可根據(jù)區(qū)域劃分,每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn),然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的多跳技術(shù)[7]進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。網(wǎng)絡(luò)陣列圖見(jiàn)圖2。

在傳感器陣列中,匯聚節(jié)點(diǎn)(4G路由節(jié)點(diǎn))將陣列通信范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn),而陣列中的路由節(jié)點(diǎn)又將各采集節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)作為采集節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn),而匯聚節(jié)點(diǎn)又是路由節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn),其通信的特點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)只能和父親節(jié)點(diǎn)通信,相互之間不能通信。這種“子發(fā)父收”的方式稱(chēng)為簇樹(shù)結(jié)構(gòu)[8],其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收發(fā)信息明確,而其缺點(diǎn)在于位于樹(shù)根部的路由節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)榉磸?fù)收發(fā)信息致使能量“衰竭”。任何一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)能量衰竭后都能夠引發(fā)該區(qū)域信息無(wú)法傳輸?shù)暮蠊?即部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。此情況下,農(nóng)業(yè)人員無(wú)法及時(shí)正確看到農(nóng)作物的整體狀況。由于路由節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)亩ㄏ蛐?其行為類(lèi)似“蟻群”,因此本系統(tǒng)采用基于“蟻群”的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法,來(lái)解決局部信息缺失的問(wèn)題。該算法也是本課題的后續(xù)研究重點(diǎn),不再詳述。

2.2專(zhuān)有4G傳輸網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)信息交互的中心,交互過(guò)程中數(shù)據(jù)信息量傳輸頻繁,對(duì)信息數(shù)據(jù)的處理具有較高的要求,因此從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和后續(xù)發(fā)展性?xún)煞矫婵紤],使用基于4G技術(shù)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這種專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)具備通信范圍廣、組網(wǎng)靈活、按使用實(shí)際流量計(jì)費(fèi)、信息通信安全等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互格式

在數(shù)據(jù)傳輸和解析過(guò)程中采取統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)格式見(jiàn)圖3。

圖3　數(shù)據(jù)傳輸、解析格式

其中,幀頭用以信息數(shù)據(jù)的收發(fā)標(biāo)志。農(nóng)田編號(hào)和區(qū)域編號(hào)對(duì)應(yīng)著農(nóng)田的具體位置和農(nóng)田區(qū)域中的具體路由節(jié)點(diǎn),區(qū)域編號(hào)采用具體的IP地址分配,因此可以通過(guò)查詢(xún)具體的IP信息來(lái)觀測(cè)農(nóng)田內(nèi)某個(gè)區(qū)域的具體小氣候信息。圖3中后續(xù)幾位則為具體的觀測(cè)值,涵蓋了農(nóng)田小氣候的所有信息元素。

根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在監(jiān)控中心的解析端將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次解析,一是格式解析,二是內(nèi)容解析。格式解析即為將信息按照?qǐng)D3格式分成多個(gè)片段,之后進(jìn)行內(nèi)容解析,將解析到的多個(gè)片段的內(nèi)容具體解讀,確定傳感器陣列,得到最終真實(shí)的農(nóng)田小氣候環(huán)境因素。

2.2.2身份驗(yàn)證體系

在4G專(zhuān)有農(nóng)業(yè)小氣候傳輸系統(tǒng)內(nèi),4G用戶(hù)和臺(tái)式客戶(hù)端在內(nèi)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)可以直接應(yīng)用IP登錄。用外網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí),采取兩個(gè)方面措施:一是系統(tǒng)設(shè)置防火墻,對(duì)外非法訪問(wèn)有效攔截;二是采用身份驗(yàn)證和密碼輸入,確保訪問(wèn)用戶(hù)權(quán)益。同時(shí),系統(tǒng)對(duì)所有的訪問(wèn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤記錄,包括訪問(wèn)的用戶(hù)名、訪問(wèn)者的IP、訪問(wèn)的時(shí)間、進(jìn)行了哪種操作等,方便系統(tǒng)管理員進(jìn)行信息甄別。

2.2.3抗干擾分析

4G信號(hào)傳輸時(shí)可能會(huì)因多徑效應(yīng)[9]的影響,造成信號(hào)的能量和質(zhì)量的下降,再者在覆蓋的小區(qū)內(nèi)也會(huì)存在同頻干擾等因素[10-13]。為了解決以上因素可能會(huì)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)造成影響,本系統(tǒng)采用了基于能量的最優(yōu)路徑選擇算法,提高了頻譜利用率,有效解決了問(wèn)題。

3　測(cè)試分析

3.1數(shù)據(jù)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性,筆者進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)。在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸速率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。在速率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試時(shí)間為2015年6月10日18:00至2015年6月11日09:30,以3 s的間隔采樣,得到的數(shù)據(jù)總量為88 Mbit。在為期約15 h的測(cè)試時(shí)間內(nèi),對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性和傳輸速率進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。從表1中可以看出,4G技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。從表2中可以看出,4G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸方面性能比較優(yōu)良。在臨近結(jié)束時(shí),發(fā)現(xiàn)傳感器陣列本身溫度較高,影響了部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸,后續(xù)增加散熱裝置后,解決了問(wèn)題。整體上系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟包率穩(wěn)定控制在1%以下,可以滿(mǎn)足要求。

表1　現(xiàn)場(chǎng)文件實(shí)時(shí)傳輸測(cè)試

表2　通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在整體設(shè)計(jì)和各功能模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,完成了基于4G技術(shù)的農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)。平臺(tái)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā),基于SQLserver2008型數(shù)據(jù)庫(kù)建立,采用百度地圖實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)界面如圖4所示。平臺(tái)采用田地可視化和相關(guān)數(shù)據(jù)圖形可視化,可查看傳感器地塊、地表信息,傳感器采集、接入、報(bào)警信息,隨時(shí)生成農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)表和圖形。平臺(tái)主要包括:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置、農(nóng)業(yè)資源4G標(biāo)準(zhǔn)、多源信息同步顯示、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、可視化服務(wù)及系統(tǒng)管理。圖5為移動(dòng)終端實(shí)時(shí)查看感知信息。

圖4　監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)

圖5　移動(dòng)終端實(shí)時(shí)信息感知

4　結(jié)語(yǔ)

本文以農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)控要點(diǎn)出發(fā),提出了基于4G技術(shù)的農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息平臺(tái)和移動(dòng)終端平臺(tái),并且通過(guò)不同的數(shù)據(jù)配置,系統(tǒng)可推廣至不同的農(nóng)業(yè)場(chǎng)景,例如果園、森林等。

本文在傳感器陣列所采用的“蟻群”算法和4G專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)采用的“最短路徑”算法在實(shí)際應(yīng)用中尚不能達(dá)到理想狀態(tài),這也是本文后續(xù)研究重點(diǎn)。另外,研究團(tuán)隊(duì)與吉林市蛟河林業(yè)部門(mén)下屬的試驗(yàn)田進(jìn)行了合作研究,并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。

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An Intelligent agricultural microclimate monitoring system based on 4G technology

Zhu Weihua1, Zhou Wenshu2

(1. Jilin Technology College of Electronic Information, Jilin 132021, China;2. Hainan Nuclear Power Co., LTD, Haikou 570100, China)

In view of the characteristics of agricultural microclimate data acquisition and monitoring, this paper proposes an agricultural climate monitoring system based on 4G technology. In the sensor array, the routing algorithm based on ant colony is used to improve the energy efficiency and the utilization ratio of the nodes. In the 4G transmission network, the optimal path algorithm based on energy identification is adopted to improve the spectrum utilization. To improve the stability and effectiveness of the data, it adopts a unified data format standard for transmission and analysis. The data transmission experimental and field experimental results show that the system can achieve the effective monitoring of environmental data in agriculture, and has good application value.

agricultural microclimate; monitoring system; 4G technology

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.023

2015- 09- 22修改日期：2015- 11- 09

吉林市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015334004)

朱偉華(1976—)，男，吉林省吉林市，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù).

S162.4;TP273

A

1002-4956(2016)4- 0082- 04