基于光載無線交換技術的渭南智慧農業系統研究

陰國富

摘要：針對精細農業應用具有作物類型與地勢多樣、受干擾因素多等特點，以較好的環境適應性、低功耗、低成本、標準化為目標，對面向精細農業的無線傳感器網絡組織結構和組網方式進行研究，結合實施農業與大田的實際應用環境，設計無線多媒體傳感器網絡系統架構，進行仿真試驗。結果表明，該系統能夠較好地滿足精細農業應用需求，均衡節點能耗，延長網絡生命周期。

關鍵詞：無線傳感器網絡；智慧農業；壓縮傳感；光載無線交換

中圖分類號：S126 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0414-05

渭南市是陜西省的主要農業城市，是西安市的菜園子、果園子，該地地域遼闊、地形復雜、氣候多變。如何在有限的農田資源基礎上，借助先進的科技手段提高農田的生產效率、經濟效益與環境效益已經成為亟待解決的問題。目前，以現代信息技術與農業技術融合為特點的農業技術成為解決以上問題的關鍵支撐技術之一，其核心是利用信息技術精確、及時地獲取地塊中每個小區土壤、環境與作物的信息，診斷作物長勢和產量在空間上存在差異的原因，并對每個小區作出決策，準確地在每個小區上進行灌溉、施肥、噴藥等，以達到最大限度地提高水、肥等的利用率，增加產量，減少環境污染的目的。

無線多媒體傳感器網絡（WMSNs）是20世紀發展起來的一種無線自組織網絡，是物聯網的關鍵組成部分，因此智慧農業解決方案集先進的物聯網工程信息平臺、新興現代農業、移動互聯網和物聯網技術為一體，依托部署在農業生產現場的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、智能控制等，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策平臺^[1]。

1 基于光載無線交換技術的渭南智慧農業系統設計

智慧農業系統包括物聯網工程信息平臺、環境監測系統、智能控制系統、數據中心、生產追溯系統、遠程農業監控系統等。基于物聯網工程信息平臺的智慧農業系統架構如圖1所示。

在農業大棚部署各種用途的傳感設備，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤水分傳感器等，以采集農作物生長環境的各種參數^[2]。傳感設備將采集到的數據通過無線傳感網絡（ZigBee）等傳輸給中間層Wi-Fi/無線傳感網關，Wi-Fi/無線傳感網關再將采集到的信息進行過濾、分組、關聯、聚合等操作，形成TCP/IP數據包，通過物聯網工程信息平臺及有線計算機網絡上傳到數據中心；數據中心將數據進行整理、分類，保存在數據服務器上，并根據農業專家系統對各類控制設備實施控制，達到對溫濕度、光照、土壤水分、土壤肥力、環境通風的智能控制；數據中心將各類數據和設備狀態信息通過網路發布出去，提供本地、遠程的數據訪問及設備控制，達到遠程監控農業生產過程；數據中心將農作物生長及生產過程中的各種數據進行分類保存，以實現對農產品的安全追溯及產品生產過程的追溯。

1.1 物聯網工程信息平臺

物聯網信息平臺由光載無線交換機及其配套設備遠端射頻單元構成，用于實現Wi-Fi無線射頻信號的遠距離、大范圍的光纖分布，是物聯網無線網絡分布的主要方式。

光載無線交換機安裝在物聯網智慧農業系統中心機房的落地式網絡機柜里面，與原來的有線布線網絡連接，接入有線計算機網絡；光載無線交換機內置Wi-Fi接入點（AP，所有網絡協議處理、基帶數據處理、射頻信號處理都集中在光載無線交換機內），通過單模光纖鏈路將 Wi-Fi 射頻信號分布至農業大棚內，完成大棚內Wi-Fi無線信號的全覆蓋，將 Wi-Fi/無線傳感網關、Wi-Fi無線控制網關、Wi-Fi攝像頭、Wi-Fi手持掃描終端及其他Wi-Fi智能終端（手機、筆記本電腦等）接入統一的Wi-Fi無線局域網，構成整體的物聯網平臺。

1.2 數據中心

為實現物聯網智慧農業系統的智能管理、智能控制，并開展功能復雜的綜合設計和科研項目，智慧農業系統配置了1臺高性能服務器，用于存儲系統數據及運行系統程序。

該數據中心的服務器具備自動采集環境數據并分類處理和存儲，能根據農業專家系統提供的設備控制指令或實現自動控制，提供本地或遠程網絡訪問服務，實施對系統的本地或遠程監控和設備管控。數據中心通過大屏幕實時顯示環境參數、音視頻信息的匯總及各種異常狀態和生產信息提示（圖2）。

1.3 環境監測及控制系統

1.3.1 環境監測系統

環境監測及控制系統由各類傳感器節點、無線傳感網絡、無線傳感網關構成，實現對農作物的生長過程進行全面監管和精準調控^[3]。系統主要感知氣候參數、土壤參數以及視頻圖像數據。氣候參數的感知主要包括風向、風速、空氣溫濕度、光照強度、空氣二氧化碳含量等，土壤參數的感知主要包括土壤水分、營養液EC值、pH值等，感知土壤水分、肥力等參數，視頻圖像感知采用Wi-Fi攝像頭實施對農作物及大棚周邊的實時監控。環境監測系統中無線傳感網采用ZigBee無線傳感網，每個傳感器連接1個ZigBee節點，無線傳感網拓撲結構采用星形結構，將各個傳感器的數據無線匯集到Wi-Fi/無線傳感節點，經處理、封包，經物聯網工程信息平臺上傳數據中心。

1.3.2 智能灌溉系統

智能灌溉系統根據土壤水分傳感器和空氣溫濕度傳感器數據，自動感測到什么時候需要灌溉、灌溉多長時間；自動開啟灌溉系統，自動關閉灌溉系統；同時可以根據土壤的干濕度，實現土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量等。該系統包括硬件部分和軟件系統，其中硬件部分包括土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、Wi-Fi無線控制網關、灌溉設備、水簾（彌霧）等；軟件系統分為2個部分，第一部分數據采集、綜合整理以及數據發布，提供遠程數據查看，第二部分為遠程控制系統，實現遠程設備狀態查詢及設備控制（圖3）。endprint

1.3.3 智能光照控制系統

智能光照控制系統根據大棚內光照傳感器和光合有效輻射傳感器，自動感測到大棚內光照是否合適，并通過控制卷簾的開閉及人工照明燈的亮滅，自動調節大棚的光照強度，以滿足農作物生長需要。該系統包括硬件部分和軟件系統，其中硬件部分包括光照傳感器、Wi-Fi無線控制網關、自控卷簾、自控遮陽板（遮陽網）、自控內遮陽（幕布）、照明燈；軟件系統分為2個部分，第一部分數據采集、綜合整理以及數據發布，提供遠程數據查看，第二部分為遠程控制系統，實現遠程設備狀態查詢及設備控制。

1.4 遠程農業監控系統

遠程農業監控系統主要依托數據中心的網絡服務器，提供遠程訪問服務，采取B/S模式，遠程智能終端（智能手機）

3 當前的應用情況及應用展望

渭南市智慧農業經過幾年的建設已形成一定的規模，但通過一段時間的應用后發現以下幾個方面的問題：網絡對于數據較為密集的地區丟包率高；對于分布于較為偏遠地區的網絡在傳輸過程中帶寬成本相對較高；由于建設過程中缺乏統一標準，不同地區多種網絡數據格式不統一，給個別地區接入大網造成一定困難。針對以上幾方面的問題，以良好的環境適應性、較低的成本、降低網絡節點功率消耗、標準化設施建設為設計目標，對渭南市農業物聯網信息平臺進行了優化，采用光載無線交換技術、無線傳感器網絡壓縮傳感技術對現有的智慧農業工程平臺進行進一步的優化設計，并且制定無線傳感器網絡QoS綜合服務質量評價指標體系。

雖然通過以上優化設計解決該地區智慧農業信息平臺中的一些問題，但隨著我國智慧農業的不斷發展以及農業物聯網工程方面的研究不斷深入，無線傳感器網絡技術也在不斷發展，本研究擬在后續進行以下方面的研究與改進，以滿足區域智慧農業工程的發展：改進無線傳感器網絡中的壓縮傳感算法，使節點能量消耗更低；進行智能服務平臺的開發，以適應智慧農業對農情管理的需求；建立云平臺智慧農業專家庫信息系統為地區農業生產提供更多的技術服務。

參考文獻：

[1]邢偉偉，白瑞林. IEEE 1588時間同步在ZigBee低功耗中的應用[J]. 自動化儀表，2012，33（11）：27-30.

[2]韋 佳，何 磊，顧曉峰，等. ZigBee無線多區域監測系統設計[J]. 自動化儀表，2012，33（11）：39-41.

[3]周益明. 基于無線傳感器網絡的溫室群監測與控制系統的關鍵技術研究與實現[D]. 杭州：浙江大學，2009：56-78.

[4]杜治高，王玉斌，冒亞明，等. 基于物聯網的油庫安全管理信息系統研究[J]. 微型機與應用，2012，31（22）：7-9.

[5]王 偉. 無線傳感器網絡若干關鍵技術研究[D]. 武漢：華中科技大學，2011：87-99.

[6]李玉凱.無線傳感器網絡高能效可靠數據傳輸理論及應用研究[D]. 北京：華北電力大學，2011：12-26.

[7]陶為戈，朱昳華，錢志文，等. 基于ZigBee有源電子標簽和Internet的區域定位系統[J]. 制造業自動化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱創錄. SNMP管理模型下的網絡流量監視與控制[J]. 計算機技術與發展，2013，4（8）：223-226.endprint

1.3.3 智能光照控制系統

智能光照控制系統根據大棚內光照傳感器和光合有效輻射傳感器，自動感測到大棚內光照是否合適，并通過控制卷簾的開閉及人工照明燈的亮滅，自動調節大棚的光照強度，以滿足農作物生長需要。該系統包括硬件部分和軟件系統，其中硬件部分包括光照傳感器、Wi-Fi無線控制網關、自控卷簾、自控遮陽板（遮陽網）、自控內遮陽（幕布）、照明燈；軟件系統分為2個部分，第一部分數據采集、綜合整理以及數據發布，提供遠程數據查看，第二部分為遠程控制系統，實現遠程設備狀態查詢及設備控制。

1.4 遠程農業監控系統

遠程農業監控系統主要依托數據中心的網絡服務器，提供遠程訪問服務，采取B/S模式，遠程智能終端（智能手機）

3 當前的應用情況及應用展望

渭南市智慧農業經過幾年的建設已形成一定的規模，但通過一段時間的應用后發現以下幾個方面的問題：網絡對于數據較為密集的地區丟包率高；對于分布于較為偏遠地區的網絡在傳輸過程中帶寬成本相對較高；由于建設過程中缺乏統一標準，不同地區多種網絡數據格式不統一，給個別地區接入大網造成一定困難。針對以上幾方面的問題，以良好的環境適應性、較低的成本、降低網絡節點功率消耗、標準化設施建設為設計目標，對渭南市農業物聯網信息平臺進行了優化，采用光載無線交換技術、無線傳感器網絡壓縮傳感技術對現有的智慧農業工程平臺進行進一步的優化設計，并且制定無線傳感器網絡QoS綜合服務質量評價指標體系。

雖然通過以上優化設計解決該地區智慧農業信息平臺中的一些問題，但隨著我國智慧農業的不斷發展以及農業物聯網工程方面的研究不斷深入，無線傳感器網絡技術也在不斷發展，本研究擬在后續進行以下方面的研究與改進，以滿足區域智慧農業工程的發展：改進無線傳感器網絡中的壓縮傳感算法，使節點能量消耗更低；進行智能服務平臺的開發，以適應智慧農業對農情管理的需求；建立云平臺智慧農業專家庫信息系統為地區農業生產提供更多的技術服務。

參考文獻：

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[7]陶為戈，朱昳華，錢志文，等. 基于ZigBee有源電子標簽和Internet的區域定位系統[J]. 制造業自動化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱創錄. SNMP管理模型下的網絡流量監視與控制[J]. 計算機技術與發展，2013，4（8）：223-226.endprint

1.3.3 智能光照控制系統

智能光照控制系統根據大棚內光照傳感器和光合有效輻射傳感器，自動感測到大棚內光照是否合適，并通過控制卷簾的開閉及人工照明燈的亮滅，自動調節大棚的光照強度，以滿足農作物生長需要。該系統包括硬件部分和軟件系統，其中硬件部分包括光照傳感器、Wi-Fi無線控制網關、自控卷簾、自控遮陽板（遮陽網）、自控內遮陽（幕布）、照明燈；軟件系統分為2個部分，第一部分數據采集、綜合整理以及數據發布，提供遠程數據查看，第二部分為遠程控制系統，實現遠程設備狀態查詢及設備控制。

1.4 遠程農業監控系統

遠程農業監控系統主要依托數據中心的網絡服務器，提供遠程訪問服務，采取B/S模式，遠程智能終端（智能手機）

3 當前的應用情況及應用展望

渭南市智慧農業經過幾年的建設已形成一定的規模，但通過一段時間的應用后發現以下幾個方面的問題：網絡對于數據較為密集的地區丟包率高；對于分布于較為偏遠地區的網絡在傳輸過程中帶寬成本相對較高；由于建設過程中缺乏統一標準，不同地區多種網絡數據格式不統一，給個別地區接入大網造成一定困難。針對以上幾方面的問題，以良好的環境適應性、較低的成本、降低網絡節點功率消耗、標準化設施建設為設計目標，對渭南市農業物聯網信息平臺進行了優化，采用光載無線交換技術、無線傳感器網絡壓縮傳感技術對現有的智慧農業工程平臺進行進一步的優化設計，并且制定無線傳感器網絡QoS綜合服務質量評價指標體系。

雖然通過以上優化設計解決該地區智慧農業信息平臺中的一些問題，但隨著我國智慧農業的不斷發展以及農業物聯網工程方面的研究不斷深入，無線傳感器網絡技術也在不斷發展，本研究擬在后續進行以下方面的研究與改進，以滿足區域智慧農業工程的發展：改進無線傳感器網絡中的壓縮傳感算法，使節點能量消耗更低；進行智能服務平臺的開發，以適應智慧農業對農情管理的需求；建立云平臺智慧農業專家庫信息系統為地區農業生產提供更多的技術服務。

參考文獻：

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[3]周益明. 基于無線傳感器網絡的溫室群監測與控制系統的關鍵技術研究與實現[D]. 杭州：浙江大學，2009：56-78.

[4]杜治高，王玉斌，冒亞明，等. 基于物聯網的油庫安全管理信息系統研究[J]. 微型機與應用，2012，31（22）：7-9.

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[7]陶為戈，朱昳華，錢志文，等. 基于ZigBee有源電子標簽和Internet的區域定位系統[J]. 制造業自動化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱創錄. SNMP管理模型下的網絡流量監視與控制[J]. 計算機技術與發展，2013，4（8）：223-226.endprint