基于物聯網的智慧農業監控系統

袁小平　徐江　侯攀峰

摘要：采用ZigBee技術與3G通信技術、以太網技術相融合的方式，將各農業基地及其內部相關設備組成一個大型的無線傳感網絡系統，并根據分布于各個農業基地內部的傳感器采集參數，精準掌控各個農業基地的內部狀況，實現基地、設備、人之間的遠程信息交互，形成一種基于物聯網的智慧農業監控系統。經對系統進行實際運作，發現該系統穩定性、遠程信息采集交互、可視化及環境調控均達到實際需求，可對大規模農業基地進行實時管理。

關鍵詞：物聯網；智慧農業；監控系統；傳感器；采集

中圖分類號： S24 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0376-03

當前，我國的農業正由小規模種植的個體方式向集約化、大規模基地種植方式發展[1]，隨之而來如灌溉、施肥、蟲害等各種問題也逐步凸顯出來。因此，如何對大規模、大面積的農業基地實施高效率、信息化、安全化的科學管理，是一個當務之急需要解決的問題。

目前，國內農業基地的環境監控大部分采用傳統方式，即通過人工手段進行監控，這大大增加了不必要的勞動力開銷，降低了工作效率。物聯網利用局部網絡與互聯網等通信技術，把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理與控制的智能化。本研究在物聯網基礎上，提出一種智慧農業監測監控系統，通過該系統，用戶可以不受空間限制，對大規模農業基地進行環境信息采集，同時又能對其進行可視化的精確調控，從而實現現代農業的集中高效管理。

1 系統總體方案

監控系統由3部分組成，即由ZigBee無線網絡、嵌入式操作平臺、視頻監控模塊組成的現場監控子系統，由3G傳輸網絡，以太網形成的無線網絡子系統及遠程監控管理中心（圖1）?，F場監控子系統通過ZigBee網絡，將傳感器等設備采集到的數據傳輸至位于基地的嵌入式操作平臺，同時將控制指令發送給基地中需要控制的設備；現場監控子系統采集相關環境參數后存入數據庫，通過無線網絡子系統傳輸至遠程監控管理中心，同時，遠程監控管理中心結合現場監控子系統傳輸的相關參數與視頻信息，通過無線網絡子系統發出相應的調控指令。

2 現場監控子系統

現場監控子系統需要滿足實時數據采集、數據存儲分析、自動控制、網絡連接等功能。

2.1 短距離ZigBee網絡設計

作為一種低復雜度、低速率、低成本、低損耗的新興無線網絡技術，ZigBee技術[2]成為一些近距離通信技術應用的首選。從農業基地角度來看，一般所需要傳輸的數據類型對通信速率要求不高，用ZigBee方式取代傳統的布線方式有相當的可行性?？紤]到一般農業基地均具有多測點、多設備、控制距離較短的特點，一般采用ZigBee的Mesh組網（網狀組網）模式（圖2）。Mesh網絡由協調節點、路由器和多個終端節點組成，它是一種多跳的網絡系統，網絡中節點與節點之間可以直接通信，每一次的通信都會由一條或多條路由節點進行中繼，最終傳輸給目的節點。

在基地中，應選取合適的位置放置空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等。為便于安裝與調試，系統采用多合一傳感器，以集中測量各種參數，省去多個單一傳感器所需的各種配置，使安裝更加簡易與便捷。該傳感器采用標準的Modbus-RTU通訊協議，支持RS232與RS485數字量輸出。

傳感器將采集到的數據通過ZigBee終端節點傳輸給路由節點，路由節點將自行選擇最優的通信路徑傳輸給協調節點，協調節點匯聚采集到的數據，傳輸給嵌入式操作平臺，這樣即使有一些節點出現故障，也不會影響最終的通信。工作人員可以通過觀測嵌入式操作平臺顯示的各組傳感器數據，作出合理的判斷。同時，協調節點負責接收來自嵌入式操作平臺的控制信息，通過路由器節點中繼發送給指定的ZigBee終端節點，ZigBee終端節點接收到信息后，通過對與終端節點相連的設備進行控制，完成灌溉、施肥等一系列操作，其工作流程為：首先初始化網絡；然后終端節點將對ZigBee網絡進行搜索，搜索到相應的網絡之后申請加入；加入成功后開始接收協調節點的數據反饋，并判斷是接收傳感器的數據還是控制設備，從而進行相應的操作（圖3）。

2.2 嵌入式操作平臺設計

采用ARM-Linux控制器模式[3]。硬件部分選取ARM11系列核作為嵌入式控制器的微處理器，該系列處理器具有處理能力強、性能高、功耗低的特點；軟件部分操作系統則采用Linux操作系統，它具有兼容性高、多用戶、多任務、界面操作簡單、安全性好、支持多種平臺等優點。嵌入式系統結構如圖4所示，虛線部分為嵌入式系統的軟件架構及內置的應用程序。

嵌入式操作平臺基于Linux操作系統建立嵌入式WEB服務器，以滿足同遠程管理中心瀏覽器的信息交互。為滿足視頻等大數據量信息的處理，系統引入輕量級SQLite數據庫，便于存儲與管理信息，采用通用CGI技術完成WEB服務器與數據庫的連接。通過網頁與數據庫之間的連接，可以將用戶的查詢要求轉換成數據庫的查詢命令，并將查詢結果通過網頁返回給遠程用戶；遠程用戶可以通過瀏覽器發送控制指令，通過CGI傳送給與ZigBee協調節點相連接的串口，ZigBee 協調節點由串口接收信息后，將信息發送給對應的ZigBee終端節點，從而實現對設備的控制。

ARM-Linux控制器對參數的采集與對設備的控制流程為：首先是初始化網絡，然后定時采集相關的數據存入SQLite數據庫，采集間隔由工作人員決定，最后在WEB上動態的更新數據。一般情況下，系統默認為自動控制模式，系統采用魯棒性較高的模糊PID算法[4]對基地進行更加人性化的自動控制：結合傳感器采集到的相關數據，控制器通過模糊計算推理分析采集到的相關數據；根據分析，發送控制信號到相關設備，實現對作物生長環境的調控，使基地的環境狀況達到最適合作物生長的狀態。在接收到遠程管理中心的控制信號，系統會立刻轉入手動模式。嵌入式系統控制流程如圖5所示，首先發送ZigBee網絡初始化命令；初始化完成后，系統定時采集傳感器反饋的數據并同步更新到數據庫中，同時，實時反映在WEB頁面上；操作人員在觀察到實時更新的數據后，判斷是否進行手動操作。endprint

2.3 視頻監控設計

采用高清網絡云臺攝像頭模式，既可以現場調節嵌入式平臺來控制攝像頭轉動，也可以遠程操控，它擁有標準的 H.264 壓縮算法，支持D1、CIF等2種分辨率，適合無線網絡；支持水平360度全向轉動，安裝使用方便；適用于不便布線的場合。

攝像頭將采集到的視頻數據經過內置的編碼器編碼，經由無線網絡子系統傳輸至管理中心，通過管理中心的解碼器解碼后播放視頻。

3 無線網絡子系統

無線網絡子系統采用中國聯通3G（第3代移動通信技術）網絡[5]與以太網無縫連接，實現用戶的遠程監控。隨著3G技術的成熟及網絡覆蓋區域廣，3G網絡的高抗干擾能力、高兼容性與高數據傳輸速率，使得它完全可以滿足農業基地監測過程中各種數據的傳輸需求。

以太網采用專線連接模式，由遠程管理中心向網絡服務商申請固定的公網IP地址；現場監控子系統接收到相關信息，嵌入式控制平臺通過3G-DTU（3G數據單元）將信息通過3G網絡發送出去，經過基站與網絡服務器設備實現3G網絡與以太網的無縫連接；通過網絡服務商提供的固定IP傳輸至遠程管理中心，實現現場與遠距離管理中心的連接（圖6）。反之，管理中心的相關控制信息也可以通過該線路向現場監控子系統發布，現場監控子系統接收到控制信息后，通過一系列信息逆向處理實現最終的遠程控制。

4 遠程監控管理中心

管理中心由網絡接入設備和工作計算機等組成[6]，以完成基地現場環境參數信息的采集、存儲和顯示，同時實現對基地視頻遠程手動控制，實現對基地環境參數的遠程手動或自動控制。

采用B/S（瀏覽器/服務器）模式[7]，遠程用戶通過預先設計的友好人機界面瀏覽器登入遠端ARM-Linux控制器，可以通過獲取攝像頭的視頻圖像，直觀地觀察各個農業基地的動植物生長狀況；可以通過相關環境參數的顯示，客觀分析實時狀況；可以根據歷史數據進行事后分析與未來預測。根據用戶對系統的要求，設計以下幾個主要的界面：（1）設置歷史報表、報警設置、歷史曲線等選項，點擊對應的按鈕，就會彈出對應的界面，用戶可以參照相關的界面顯示，作出合理的判斷，同時每個界面均具有打印輸出的功能；（2）對各基地空氣溫濕度、氨氣濃度、土壤溫濕度、光照強度等參數作出實時的顯示，同時配置施肥器、通風機、二氧化碳發生器、水泵等虛擬裝置，用戶只需點擊虛擬裝置，便可實現對遠程裝置的開關操作；（3）根據各種傳感器檢測的環境參數，通過監控管理中心對相關參數正常范圍的設置，實現農業基地環境參數的自動控制。系統遠程監控5個農業基地的相關參數效果見圖7。

5 結論

引入目前比較成熟的3G通信技術，完成智慧農業監控系統整個網絡的無縫銜接。本系統目前已經在江蘇省沛縣現代農業科技示范園投入使用，監控的農業基地覆蓋沛縣全境。通過研究和應用表明，該系統只須架構1套監控系統，便可以對處在全國各地所有農業生產基地進行實時監控，實現人、設備之間的信息交互，適合于大規模農業基地的生產管控。基于物聯網的智慧農業監控系統，具有相當高的穩定性，能夠完成農業生產持續可靠的精準監控，在農業領域有很好的應用前景。

參考文獻：

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[3]尹嘉鵬，徐志祥. 針對少實時任務應用的嵌入式Linux改進[J]. 計算機工程，2013，39（10）：49-52.

[4]楊 智，朱海鋒，黃以華. PID控制器設計與參數整定方法綜述[J]. 化工自動化及儀表，2005，32（5）：1-7.

[5]王建峰，黃國策，康巧燕. 4G移動通信系統及其與3G系統的比較研究[J]. 西安郵電學院學報，2006，11（5）：13-17， 27.

[6]郭 勇，黃巍巍，王偉朋. 基于以太環網的污水處理系統設計與應用[J]. 儀表技術與傳感器，2013（5）：60-61， 69.

[7]王英輝，周鳳星. 基于B/S模式的鋼企自動化管理系統的設計與應用[J]. 制造業自動化，2013，35（19）：72-75.endprint