基于情景感知水稻育秧大棚農業物聯網的設計與實現

摘 要：情景感知提供有一種依據情景信息實現智能決策的計算模式。文章提出了一種基于情景感知的水稻育秧大棚環境感知與控制服務模型，較好地解決了物聯網環境下農業領域的情景感知、情景處理及情景服務問題。在實際的水稻育秧農業產生中，感知節點可提供水稻育秧大棚內的各類環境信息，執行節點則執行相關的情景處理結果，基站平臺、服務器平臺、移動終端平臺負責情景信息處理與信息推送，這樣，通過設置控制因子與環境因子之間的關系，即可自主應對各類異常情況。

關鍵詞：農業物聯網；情景感知；環境參數；數據融合

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302(2014)06-0029-03

0引言

隨著無線傳感器與執行器網絡、網格計算及情景感知等技術的成熟，農業物聯網在農業生產的大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖及農產品物流等方面已進入快速推進和實質應用階段。

農業物聯網以農業現場的各類傳感器為感知設備，充分利用無線傳感器網絡、互聯網等多種傳輸通道，實現農業信息的多尺度的可靠傳輸，并將獲取的海量農業信息進行融合、處理，實現智能控制，進而提高農業生產經營精細化管理水平，達到合理使用農業資源、降低生產成本、改善生態環境、提高農產品產量和品質[1]。

黑龍江省是中國主要的水稻產區之一，因氣候原因，黑龍江省內各墾區的水稻育秧工作一般在每年3月中旬到5月中旬在水稻育秧大棚內進行，大棚內的環境直接影響到秧苗的質量。通過在水稻育秧大棚內部署農業物聯網，水稻育秧管理人員可隨時隨地了解育秧大棚內環境并可遠程控制大棚內的設備，實現精確化管理，可有效提升壯秧率，提高水稻的產量[2]。

本文基于此，在充分分析了水稻育秧大棚的功能需求基礎上，基于WSAN和情景感知，設計了一套水稻育秧大棚情景感知農業物聯網系統，實現了全面感知水稻育秧大棚的實時環境，并通過對感知信息融合處理，實現基于智能決策的精準控制。

1系統模型

1.1情景感知

情景感知形成于普適計算環境下，指利用傳感器感知情境信息，通過對情景信息的分析、處理，自主地為用戶提供服務的過程。凡是能夠按照用戶需求，根據情境向用戶提供相關信息及服務的系統，均可稱作情境感知系統。情境感知系統由情景獲取（情景提供）、情景表示（情景處理）和情景使用（應用服務）等三部分構成[3]。

2006年8月Google提出了云計算，云計算較好地解決了情境感知系統中大數據收集、分析、處理，以及實時信息服務等儲多問題，從而促進了情景感知技術在物聯網領域的應用。與傳統情景感知服務相比，云計算環境下的情景感知服務在情景獲取、情景表示和情景使用等方面都有了全新實現模式[4]，從而具有智能化、交互性強，以及實時性高的特點。

1.2情景感知系統結構

應用于水稻育秧大棚的情景感知物聯網系統結構[5-8]如圖1所示。該系統由情景獲取、情景處理、應用服務等三部分組成。

圖1水稻育秧大棚的情景感知物聯網系統結構

情景獲取主要負責對水稻育秧大棚內的環境因子進行采集和獲取，在經過保真預處理后，將信息轉換成指定格式。情景獲取通常利用無線傳感器網絡(WSN)來實現，這種實現方式僅能感知情景，而無法自主的改變情景，為解決這一問題，本設計中引入了無線傳感器與執行器網絡(WSAN)，這種網絡由一組傳感器節點和執行器節點構成。傳感器節點用于提供水稻育秧大棚內的各類環境信息，而執行器節點用于執行相關的情景服務。另外，針對水稻育秧大棚群數據處理的實際，系統數據處理結構借鑒了 “半自主結構”和“協同結構”的思想[9]，并將兩者思想相融合，提出半自主協同結構，圖2所示是系統數據處理的網絡結構。在這種結構中，感知節點同時向執行節點和匯聚節點傳送數據，執行節點將對收到的數據分析，但在執行某類操作以前會與匯聚節點進行協商。在這種結構中，匯聚節點監控整個信息網絡，并與服務器平臺、感知節點與執行節點通信。

情景處理是情景感知系統的核心，基于農業情景知識庫，對所感知的情景進行建模，同時對所感知的情景進行過濾和篩選，并最終對生成的情景進行識別，以便輸出情景控制信息。

圖2系統數據處理網絡結構

2系統構建

2.1感知節點

圖3所示的感知節點用于感知水稻育秧大棚內的三大類環境參數。節點MCU采用Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號系統級芯片C8051F021，該芯片集成2個ADC（8通道12位ADC0，8通道10位ADC1），便于實現多通道模擬量采集。

圖3感知節點

感知節點的傳感器部分并沒有采用傳統的“板載”設計，而是采取了 “開放式”設計。即感知節點利用MCU接口豐富優勢，預留電流型傳感器接口、電壓型傳感器接口、數字型傳感器接口，而具體傳感器的種類、類型可利用軟件進行配置，感知節點通道配置軟件如圖4所示。通過配置軟件可為每一感知節點配置一個長度為16位的編碼，作為感知節點網內標識。對于每個模擬通道必須配置通道名稱、單位、測量范圍等參數后，才可正常使用，而對于數字通道只需配置通道名稱和單位即可。

感知節點的無線傳輸部分同時兼融433 MHz無線數據傳輸模式和2.4 GHz ZigBee無線數據傳輸模式，以適應不同地區現場需要。433 MHz無線模塊采用Silicon Laboratories公司的SI4464實現，與MCU通過SPI接口連接，為增大無線數據傳輸距離，在SI4464射頻模塊外增加了一級PA，使最大發射功率達到30 dBm；ZigBee通信部分采用了Digi公司XBee S2模塊。XBee S2以ZigBee協議運作，支持低成本、低功耗無線傳感器網絡工程。

圖4感知節點通道配置軟件

感知節點在數據 “保真”預處理方面，采取了“分布圖+Kalman+Bayes”的“輕量級”數據融合算法[10]。

2.2執行器節點

執行器節點如圖5所示，用于控制水稻育秧大棚內的通風電機、噴淋閥等設備。執行器節點通過無線方式接收基站平臺的控制指令。執行器節點在設計過程中充分考慮了信號隔離與信號抗干擾、卷膜電機上升和下降的互鎖機制，以及設備狀態的自動檢測與處理。

圖5控制節點

與感知節點一樣，執行器節點同樣也配置一個長度為16位的編碼，作為網內設備標識，且要與感知節點統一編碼。

2.3基站節點

基站節點除承擔WSAN網絡情景感知網關節點的功能外，還同時具有匯總數據、感知數據的初級分析與處理，反饋控制信息以及移動終端信息推送等功能。此外，情景推理模塊的特征級融合及部分決策級整合也在基站節點實現。

據此，基站節點利用工控PC機實現，基站節點情景信息管理軟件平臺如圖6所示。該軟件使用C#語言在.NET環境下開發的，采用“感+傳+控”體系結構，數據存儲管理是利用SQLite 3.0實現。

圖6情景信息管理軟件平臺

3結語

農業作為國民經濟的基礎，必將成為物聯網行業應用的重要領域。農業物聯網需要解決數據采集、數據傳輸、數據智能處理等儲多問題，情景感知作為一種依據情景信息，實現智能決策的計算模式，為農業物聯網的構建提供了良好的實現模式。本文結合水稻育秧大棚的實際需求，提出了一種應用于水稻育秧大棚農業物聯網中的情景感知系統模型，包括情景獲取、情景處理、應用服務三個層次。最后，基于本文所提出的模型，實現了水稻育秧大棚情景感知系統，實驗室測試與現場應用均驗證了該設計的有效性。

參 考 文 獻

[1]李道亮.農業物聯網導論[M].北京:科學出版社，2012.

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[7]李征，馬永濤，劉開華.基于物聯網的環境情景感知系統設計與實現[J].計算機工程，2012，38(17):1-4.

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