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        基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

        2022-03-19 23:00:00喻琨陳政汪輝敬美香
        經(jīng)濟(jì)師 2022年2期

        喻琨 陳政 汪輝 敬美香

        摘 要:為了解決我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)存在高種植成本、高難度經(jīng)營(yíng)管理的問(wèn)題,利用目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和智能管理方面的應(yīng)用,從而使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)參與到農(nóng)業(yè)管理中來(lái)進(jìn)而有效地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。文章分析了B/S(Browser/Server)、Java和JavaScript語(yǔ)言在MyEclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境中的關(guān)鍵技術(shù),提出采用Tomcat軟件來(lái)發(fā)布信息并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能。用戶可以在局域網(wǎng)(LAN)中訪問(wèn)監(jiān)控中心,當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值范圍時(shí),將由監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令,通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)街骺刂菩酒缓罂刂评^電器的開(kāi)關(guān)操作,把農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物生長(zhǎng)信息這些收集來(lái)的資料放到數(shù)據(jù)庫(kù)里保存,讓其成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)信息庫(kù),從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)雙高,引進(jìn)現(xiàn)代化的技術(shù)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

        關(guān)鍵詞:ZigBee物聯(lián)網(wǎng) 智能農(nóng)業(yè)傳感器 無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)采集

        中圖分類(lèi)號(hào):F252.23? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1004-4914(2022)02-022-03

        一、引言

        我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小,耕地高度分散。我國(guó)自古以來(lái)都是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),人多地少,主要經(jīng)濟(jì)形式是自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟(jì),男耕女織是長(zhǎng)期以來(lái)形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。如何提高單位面積耕地的利用效率和產(chǎn)量是中國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。與此同時(shí),伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),資源短缺,土壤退化,環(huán)境退化等一系列問(wèn)題逐漸出現(xiàn)。對(duì)于我國(guó)的農(nóng)業(yè)而言,由于生產(chǎn)技術(shù)落后,基礎(chǔ)設(shè)施落后以及長(zhǎng)期以來(lái)科技含量低,在近幾十年的生產(chǎn)過(guò)程中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和管理水平尚未得到全面提高。

        為了促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變發(fā)展,必須解決土壤退化、科技含量低、資源短缺等一系列復(fù)雜問(wèn)題。而是否能及時(shí)解決這些問(wèn)題對(duì)解決農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量問(wèn)題具有決定性的作用。因此,迫切需要根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要,掌握農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù),提高農(nóng)業(yè)信息化程度,加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的步伐[2],增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和收入。

        物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究,可以改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理水平的模式,加速我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,并實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)。可以看出,在物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的影響下,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化。

        二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        (一)系統(tǒng)需求分析

        在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域,我國(guó)長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下,管理水平落后。為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不足的問(wèn)題,所以提出并實(shí)施了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)(SASIOT)項(xiàng)目,該項(xiàng)目具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理的優(yōu)勢(shì)[3]。對(duì)于智能農(nóng)業(yè),農(nóng)田環(huán)境的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)是土壤的溫度和濕度、環(huán)境的溫度和濕度、降雨量、風(fēng)速大小、二氧化碳的濃度、水環(huán)境的酸堿值等。在農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集方面,由于農(nóng)田地理?xiàng)l件的復(fù)雜性和采集參數(shù)的多樣性,需要在野外部署很多傳感器,這些傳感器通常需要在野外移動(dòng),當(dāng)面對(duì)能量耗盡和其他故障的時(shí)候無(wú)法正常工作[4]。過(guò)去,監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于有線模式。對(duì)于大片農(nóng)田,其應(yīng)用受到局限,無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)需求。因此,具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理功能的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),對(duì)于促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。該系統(tǒng)付諸實(shí)踐后,可以大大提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平,并在該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

        (二)系統(tǒng)方案和架構(gòu)設(shè)計(jì)

        ZigBee和WiFi共同組成的混合網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)SASIOT功能。如圖1所示,是SASIOT系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),主要由三部分組成,分別是監(jiān)控中心模塊、農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、農(nóng)田信息采集模塊。

        農(nóng)田信息獲取模塊是一個(gè)ZigBee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),由土壤溫度和濕度傳感器以及小型氣象站組成。它主要負(fù)責(zé)收集作物種植區(qū)的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù),環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù),降雨量多少,風(fēng)速大小,二氧化碳濃度和水環(huán)境酸堿值的數(shù)據(jù)。每一個(gè)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成:一個(gè)是負(fù)責(zé)農(nóng)田土壤參數(shù)獲取的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn);另一個(gè)是具有雙重功能的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),它具有兩個(gè)功能。首先,作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員,ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)建立和維護(hù),同時(shí)可以收集數(shù)據(jù)。其次,它可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集和顯示。

        監(jiān)控中心模塊主要負(fù)責(zé)顯示土壤的溫度、濕度以及環(huán)境的溫度、濕度,降雨量多少,風(fēng)速大小,二氧化碳濃度,水環(huán)境的酸堿值,并實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控并顯示作物生長(zhǎng)地區(qū)的作物,為農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者科學(xué)種植提供了有效依據(jù)。

        基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與Internet集成在一起。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu),系統(tǒng)可以分為三部分:系統(tǒng)感知層,系統(tǒng)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用層。

        系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程如下:首先,通過(guò)在農(nóng)田中部署傳感器節(jié)點(diǎn),小型氣象站和高清視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn),收集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)視作物生長(zhǎng)狀況。其次,將收集的數(shù)據(jù)或?qū)嵉貓D像收集到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))和無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)WSN和無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。最后,無(wú)線網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)視中心進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)注冊(cè)后,農(nóng)業(yè)經(jīng)理或普通用戶可以登錄到Web服務(wù)器,以獲取有關(guān)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和作物生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)信息。在監(jiān)控中心的前端界面中,可以通過(guò)直方圖,刻度盤(pán)和曲線的形式顯示環(huán)境演變過(guò)程。與此同時(shí),還可以控制傳感節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))。

        三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        (一)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

        該軟件系統(tǒng)主要從三個(gè)方面開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)相關(guān)程序,包括監(jiān)控中心的相關(guān)程序,傳感節(jié)點(diǎn)的傳感終端程序,以及協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序[5]。

        (二)傳感節(jié)點(diǎn)

        WSN節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序兩個(gè)主要部分,主要負(fù)責(zé)農(nóng)田感測(cè)區(qū)中數(shù)據(jù)的收集和傳輸。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)地址,用來(lái)記錄該結(jié)點(diǎn)的信息。傳感器結(jié)點(diǎn)根據(jù)默認(rèn)配置收集并發(fā)送數(shù)據(jù)。如果結(jié)點(diǎn)是從監(jiān)視中心接收到配置指令,就會(huì)對(duì)接收到的指令進(jìn)行分析和處理,然后根據(jù)接收到的指令修改配置信息從而進(jìn)行工作。傳感器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)特定時(shí)間段將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),這就是一個(gè)明顯的例子。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于傳感器結(jié)點(diǎn)與監(jiān)視中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。等到系統(tǒng)加電和初始化后,將實(shí)時(shí)監(jiān)視ZigBee模塊和串行模塊。如果監(jiān)視數(shù)據(jù),則將解析數(shù)據(jù)。解析后,一方面將數(shù)據(jù)寫(xiě)入串行端口,另一方面將數(shù)據(jù)通過(guò)zigBee模塊發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序的流程圖分別顯示在圖3和圖4中。

        TDR-3用于設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器。輸出電壓到實(shí)際土壤含水量的轉(zhuǎn)換如公式(1)所示:

        式中θv表示土壤水分含量,VOUT是指?jìng)鞲衅鬏敵鲭妷褐怠?/p>

        式中Y是CO2的濃度,X是傳感器的輸出電壓。

        E-201-C-9型pH電極用于設(shè)計(jì)水環(huán)境的pH傳感器。傳感器的輸出電壓與pH的實(shí)際值線性相關(guān)。

        式中Y1表示水環(huán)境pH值,X1是水環(huán)境pH的傳感器輸出電壓值。

        選擇DS-2CD5A24FWD-IZ(H)(S)型高清攝像機(jī)作為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)可以采集受監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù),并壓縮采集的視頻數(shù)據(jù),同時(shí)支持RS232接口。下行鏈路消息的基本格式如表1所示。

        標(biāo)頭采用固定格式,具有兩個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度,即0X90EB。

        (三)監(jiān)控中心系統(tǒng)分析

        根據(jù)實(shí)際需要,選擇MyEclipse作為監(jiān)控中心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)基于B/S架構(gòu)的HTML(超文本標(biāo)記語(yǔ)言),它具有很強(qiáng)的互操作性。JAVA不僅是一種編程語(yǔ)言,還是一個(gè)應(yīng)用程序。

        為了查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù),必須連接數(shù)據(jù)庫(kù)。只有完成數(shù)據(jù)庫(kù)連接后,才能訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。表2中顯示了080F0205的節(jié)點(diǎn)地址的歷史信息。[6]

        四、結(jié)論

        根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求,基于IoT體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)收集和共享農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)。監(jiān)控中心的Web服務(wù)器可以存儲(chǔ)收集到的信息,為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供信息支持,對(duì)農(nóng)業(yè)非常重要。

        研究并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。但仍然存在一定的局限,需要不斷地改進(jìn)和提高。

        [基金項(xiàng)目:2021年度湖南省社會(huì)科學(xué)成果評(píng)審委員會(huì)一般課題《“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下湖南省智慧養(yǎng)老服務(wù)問(wèn)題研究》(編號(hào):XSP21YBC618)]

        參考文獻(xiàn):

        [1] 宋艷.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(24):38-39.

        [2] 宋艷,程改蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(08):101-103

        [3] 鄭婷婷.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)控制管理系統(tǒng)[D].西安工程大學(xué)碩士論文,2018.

        [4] 龔燕飛,聶宏林.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(13):52-55.

        [5] 羅嘉龍,劉衛(wèi)星,陳正銘,林佳煜.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2018,14(30):186-189.

        [6] 張博文.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)江大學(xué)碩士論文,2017.

        (作者單位:1.長(zhǎng)沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心 湖南長(zhǎng)沙 410000;2.湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院 湖南衡陽(yáng) 421002;3.長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410004;4.湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 湖南衡陽(yáng) 421001)

        [作者簡(jiǎn)介:喻琨(1980—),男,湖南長(zhǎng)沙人,長(zhǎng)沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心主任,實(shí)驗(yàn)師職稱,主要從事教育信息化研究;陳政(1988—),男,湖南常寧人,湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院講師、碩士,主要從事信息工程管理研究;通訊作者:汪輝(1983—),男,湖南常寧人,湖南交通工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院副教授、碩士,主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與農(nóng)業(yè)信息工程研究;敬美香(1998—),女,湖南邵東人,湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師、碩士,主要從事農(nóng)業(yè)信息工程研究。]

        (責(zé)編:若佳)

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