基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)據(jù)采集研究

付吉菊

摘 ? ?要： 目前農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)采集還不完善，監(jiān)測不到位，直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術之一的Zigbee技術，進行數(shù)據(jù)采集，提出了基于Zigbee技術的農(nóng)作物生長環(huán)境框架及設計數(shù)據(jù)采集應遵循的原則。

關鍵詞： 數(shù)據(jù)采集 ? ?物聯(lián)網(wǎng)技術 ? ?Zigbee技術

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，種植的農(nóng)作物種類繁多，各種農(nóng)作物的產(chǎn)量直接影響國家的經(jīng)濟命脈。在各種農(nóng)作物生長過程中，影響產(chǎn)量最大的因素是生長環(huán)境，包括空氣的溫度、濕度、風速、光照時間、強度、二氧化碳濃度等，但是目前一些農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)采集采用的技術（比如人工采集方式等）對生長環(huán)境的監(jiān)測還不到位，不能及時地發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物生長過程中的異常情況，及時地進行調(diào)控，對產(chǎn)量的影響很大。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的監(jiān)測系統(tǒng)是在無線傳感器網(wǎng)絡上構(gòu)建的，它可以實時地對農(nóng)作物生長環(huán)境及農(nóng)作物生長狀況進行無損數(shù)據(jù)采集。

1.物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是物與物相連的網(wǎng)絡，它可以通過一些采集信息的設備（如紅外感應器、射頻識別、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等）與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的提取、測量、捕獲、傳遞，并且這種數(shù)據(jù)的采集具有廣泛性，只要是需要感知和能感知的物體，就可以采集到它的數(shù)據(jù)，并傳送至服務器，以便監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)還可以對采集到的數(shù)據(jù)利用信息處理技術、云計算、數(shù)據(jù)挖掘技術與分析工具等各種智能計算技術進行數(shù)據(jù)的智能分析、計算和匯總。物聯(lián)網(wǎng)的主要技術包括傳感器技術、Zigbee技術、智能技術、射頻識別技術等，其中Zigbee技術是數(shù)據(jù)采集的關鍵技術之一。

所謂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用各種傳感器對監(jiān)測的各種農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)進行自動采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸技術傳輸?shù)椒掌鳌Ｔ趯r(nóng)作物的生長環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集時，要力求全面、準確，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要完成對多節(jié)點與多區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，除了對數(shù)據(jù)的全面性與準確性要求外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要對數(shù)據(jù)自動處理（如匯總、打包等），傳送到服務器。

2. Zigbee技術

Zigbee一詞來源于蜜蜂的舞蹈，當蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物時，會通過跳舞將信息傳遞給同伴，如食物的位置、食物的數(shù)量、食物的方向、食物的距離等，蜜蜂的英文是Bee，蜜蜂跳舞時發(fā)出發(fā)出嗡嗡（Zig）的聲音，而蜜蜂的這種信息傳遞距離近，低成本，速度不快，這和Zigbee的特點很相似。Zigbee名字由此得來。Zigbee技術是一種無線通信技術，普通的兩節(jié)干電池可供Zigbee節(jié)點工作幾個月的時間，因此功耗低;Zigbee工作的頻段是免費的，不需要支付費用，用戶只要花兩美元買芯片即可進行開發(fā)，因此成本低;Zigbee的節(jié)點一般距離在10m～100m之間，因此距離近;Zigbee節(jié)點連接進入網(wǎng)絡要30毫秒，因此延時短。在對農(nóng)作物生長環(huán)境的實時監(jiān)測時會發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量比較少，對傳輸速率要求不高，終端設備大都采用電池供電，并且要避免有線連接。從以上農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測的特點看，Zigbee技術非常適用。Zigbee協(xié)議主要包括物理層、媒體存取控制層、網(wǎng)絡層、應用層和安全層。

圖1 ? ?使用Zigbee技術進行數(shù)據(jù)采集的框架

針對數(shù)據(jù)采集的要求，設計的使用Zigbee技術進行數(shù)據(jù)采集的框架如上圖1所示。

由圖1可知，農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為三個部分，基于星形拓撲結(jié)構(gòu)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)、internet的網(wǎng)絡傳輸，基于WEB的信息管理系統(tǒng)。Zigbee技術的拓撲結(jié)構(gòu)有樹形（即形狀像棵樹）、網(wǎng)形（即形狀像張網(wǎng)）、星形三種。其中，星形拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 ? ?星形拓撲結(jié)構(gòu)

由圖2可知，中心位置為協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡中的傳輸設備都與協(xié)調(diào)器有信息傳輸，因此如何組建協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡至關重要。星形拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀，數(shù)據(jù)要通過協(xié)調(diào)器來傳送，因此比較簡單，設備成本不高。由于農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)采集范圍廣、采集點多，為了保證采集數(shù)據(jù)滿足全面、準確的要求，最好采用星形拓撲結(jié)構(gòu)。一個主節(jié)點可以與若干個從節(jié)點進行通信，最多254個從節(jié)點，一個從節(jié)點又可連接多個傳感器。從節(jié)點上的傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯聚到主節(jié)點，主節(jié)點是網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點，發(fā)揮協(xié)調(diào)功能，主節(jié)點通過網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎EB信息管理系統(tǒng)。

在設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時遵循如下原則：（1）系統(tǒng)要可靠。在多數(shù)情況下，設備都沒有人看守，這就要求設備的可靠性要高，能夠連續(xù)工作，不易出錯，能夠安全可靠地采集、傳輸、處理數(shù)據(jù)。（2）系統(tǒng)要實用。此系統(tǒng)要簡單，容易維護，易于操作，讓大家容易學習、掌握，并熟練地使用它。（3）系統(tǒng)要有適用性。農(nóng)作物生長環(huán)境比較復雜，而且范圍大，因此要求此系統(tǒng)在任何環(huán)境下都能正常運行，有一定的適應性。

在對農(nóng)作物生長環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集時，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術，尤其是Zigbee技術能夠完成對生長環(huán)境各類數(shù)據(jù)的采集、提取、傳輸、監(jiān)控等，并且對數(shù)據(jù)進行智能分析，判斷異常情況。

參考文獻：

[1]王黎麗.基于Zigbee技術的機場機房環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].杭州：浙江工業(yè)大學學位論文，2011：10-12.

[2]于暄.基于GPRS和Zigbee技術的智能家居解決方案的研究[D].貴州：貴州大學學位論文，2007：56-57.

[3]鞏偉.無線數(shù)據(jù)采集技術在燃氣監(jiān)控中的應用研究[J]. 行業(yè)應用與交流，2011（08）：102-104.

項目基金：安徽省科技攻關計劃項目（1301031030）。