劉紅霞

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西榆林 719000）

中國(guó)的農(nóng)業(yè)人口比例很大，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平有了很大的發(fā)展，但管理水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在著一定差距[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，為了更好地發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，很多學(xué)者研究了農(nóng)田環(huán)境，探索了環(huán)境對(duì)田間作物生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響，重點(diǎn)關(guān)注了土壤、空氣及其各組成成分的比例關(guān)系[2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了用于蔬菜大棚的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，在分析溫室環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實(shí)用的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出了一種利用無(wú)線傳感技術(shù)的無(wú)線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)程農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，該技術(shù)的使用大大降低了人工成本和更換傳感器電池的成本。文獻(xiàn)[5-6]利用傳感器進(jìn)行空氣溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集，為精準(zhǔn)控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作方案提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制滴灌系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了農(nóng)田環(huán)境的溫度、光照的變化和植物土壤濕度等參數(shù)。目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還處在初級(jí)階段，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)不完善，底層感知系統(tǒng)搭建門(mén)檻高，物聯(lián)網(wǎng)資源共享性差，呈碎片化狀態(tài)。因此，文中以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控，從而有效推動(dòng)農(nóng)業(yè)向精細(xì)化、智能化的方向發(fā)展。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境分析

農(nóng)田的環(huán)境監(jiān)測(cè)與溫室或其他監(jiān)測(cè)不同，不需要實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，可以選擇一些成本低、功耗較低的數(shù)據(jù)傳輸方式。其次，實(shí)時(shí)采集技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸周期也較長(zhǎng)，一般地，土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可以每隔幾個(gè)月或更長(zhǎng)周期對(duì)土壤的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]，因此，只要事先設(shè)置好數(shù)據(jù)的上傳周期，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要應(yīng)用在農(nóng)田環(huán)境中采集土壤的溫度、濕度、PH 值、光照等數(shù)據(jù)[9]，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)調(diào)控的科學(xué)依據(jù)，以提高產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益并提升品質(zhì)。

基于農(nóng)田實(shí)際環(huán)境的考慮，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)結(jié)合4G 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)適于農(nóng)田環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)總體要求如下：

1）覆蓋150 畝農(nóng)田，每50 m2設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)，平均每20 畝地設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)。

2）要求監(jiān)測(cè)土壤的溫度、濕度、PH 值以及空氣的溫度濕度和光照。

3）傳感器節(jié)點(diǎn)要求體積小、成本低、安裝部署簡(jiǎn)單，并防水防塵，適于戶外運(yùn)行。

4）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，自動(dòng)設(shè)置上傳周期，節(jié)點(diǎn)電池要求連續(xù)工作3 個(gè)月以上。

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)兩個(gè)模塊[11]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器終端采集上傳到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的PC 端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析。此外，監(jiān)測(cè)端提供WEB 服務(wù)，方便用戶以B/S 方式連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)由下至上劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[12]。感知層主要利用溫濕度傳感器等各類(lèi)傳感器進(jìn)行信息的采集和獲取，并通過(guò)ZigBee 傳輸協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸層[13]。傳輸層主要將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)借助4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換與共享。在應(yīng)用層中，系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化與信息化管理提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊主要完成農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集，該模塊由兩部分組成：傳感器和電路。系統(tǒng)中的采集節(jié)點(diǎn)主要有空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等[14]。通過(guò)ZigBee 技術(shù)和4G通信技術(shù)使傳感器與系統(tǒng)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)采用的ZigBee 芯片是TI 公司生產(chǎn)的芯片CC2530，該芯片使用了增強(qiáng)的8.51CPU，具有超低功耗的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多功能、高效率的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[15]。其中，ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和A/D轉(zhuǎn)換[16]，數(shù)字化后再進(jìn)行采集數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)間的串口數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框架

1）空氣溫濕度傳感器。該傳感器是一種復(fù)合傳感器，主要應(yīng)用數(shù)字采集技術(shù)、溫度傳感技術(shù)和濕度傳感技術(shù)，最主要的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、體積小、功耗低、性價(jià)比高[16]。

2）土壤溫濕度傳感器。通過(guò)在農(nóng)田埋入熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤穩(wěn)定性和含水率的測(cè)量。

3）光照強(qiáng)度傳感器。利用光敏元件可將光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行分析和匯總。

3.2 無(wú)線通信模塊

ZigBee 技術(shù)是一種低功耗的、技術(shù)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)成本相對(duì)較低的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它的主要特點(diǎn)是適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的近距離傳輸[17]。ZigBee 的數(shù)據(jù)通信速率一般為250 kB/s。在系統(tǒng)的通信傳輸過(guò)程中，需要在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中再增加4G 傳輸模塊才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，4G 網(wǎng)絡(luò)的各層間接口都是開(kāi)放的。物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用環(huán)境層之間能夠提供無(wú)縫高數(shù)據(jù)率的無(wú)線服務(wù)[18]，該系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將采集模塊和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在空間上進(jìn)行分離。ZigBee 天線一般要求全向輻射，使用倒F 天線[19]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 功能設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以Eclipse 為開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)，系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能分為五大模塊，分別是新聞通知、農(nóng)田管理、病蟲(chóng)害預(yù)防、統(tǒng)計(jì)分析和用戶管理，如圖3 所示。系統(tǒng)采用了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理[20]。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)不能更好地解決物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)的方式，選用數(shù)據(jù)庫(kù)MySql 和NoSql。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)NoSql選取了模式自由、面向集合存儲(chǔ)、易存儲(chǔ)對(duì)象類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDb，它是介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的產(chǎn)品[21]。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是表的結(jié)構(gòu)是可變的，對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有嚴(yán)格要求，不需要預(yù)先定義表的結(jié)構(gòu)映像，這與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是完全不同的；其缺點(diǎn)是沒(méi)有統(tǒng)一的查詢語(yǔ)法。因此，從傳感器獲取的數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在MongoDb 數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行匯總，然后再把結(jié)果轉(zhuǎn)存到MySql數(shù)據(jù)庫(kù)中，由MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)向用戶提供數(shù)據(jù)的查詢服務(wù)，由此提高了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)的響應(yīng)速度與查詢質(zhì)量。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于B/S 模式完成，系統(tǒng)的登錄界面如圖4 所示。由于系統(tǒng)對(duì)不同用戶設(shè)置的權(quán)限和功能需求不完全相同，所以在成功登錄后顯示不同的界面。管理員登錄后的主界面如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

圖5 登錄主界面

系統(tǒng)基于MVC 模式開(kāi)發(fā)，采用S2SH 框架開(kāi)發(fā)部署，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田中各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照等的數(shù)據(jù)采集和管理。在系統(tǒng)使用過(guò)程中，用戶在計(jì)算機(jī)終端登錄農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?yàn)g覽系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，用戶可以在該界面查詢數(shù)據(jù)，也可以對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。圖6 所示為某區(qū)域一時(shí)間段內(nèi)的溫度查詢曲線圖。如果監(jiān)測(cè)界面中數(shù)據(jù)以紅色顯示，則表示該數(shù)值超過(guò)了系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)際使用可以采集到大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)的匯聚和處理功能最終傳輸?shù)浇K端設(shè)備。這樣系統(tǒng)用戶就可以分析和處理終端采集到的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)和綜合管理[22]。

圖6 溫度值曲線圖

6 結(jié)論

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田安裝傳感器，采集農(nóng)田中溫度、濕度、光照等農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境指標(biāo)，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境與狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用WEB 技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，使農(nóng)田管理者可以不在現(xiàn)場(chǎng)就能監(jiān)測(cè)到作物生長(zhǎng)環(huán)境。文中農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，該項(xiàng)研究在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化、智能化等領(lǐng)域均提供了一定技術(shù)支持，在智慧農(nóng)業(yè)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制以及智能化管理的研究中也提供了一定依據(jù)。