無線傳感網技術在現代設施農業中的應用開發

張 新　(紹興職業技術學院，浙江紹興 312000)

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無線傳感網技術在現代設施農業中的應用開發

張 新(紹興職業技術學院，浙江紹興 312000)

摘要利用無線傳感網等技術來設計現代農業管理的自動化。基于無線傳感網、高速傳輸網絡、視頻監控等物聯網核心技術，實現農業種植環境的全面實時監控管理，達到科學施肥與種植環境參數的實時調整，促進植物的良好生長，提高生產效率。由于采用了物聯網技術，具備了靈活應用和擴充的能力，適用于大面積的智能農業自動化管理。

關鍵詞無線傳感網；設施農業；視頻監控；農業種植

一直以來，我國農業種植大都采用傳統種植管理方式，農作物的生產效率不高。農作物的生長依賴于土壤和氣候等主要環境因素，長期以來經驗型的管理模式難以有效控制和管理好種植環境的變化，使得化肥和水資源等沒有被充分有效利用，導致了大量養分損失并造成環境污染，影響了農業的可持續發展[1]。近年來，信息技術的突飛猛進為智能農業的發展提供了機遇。設施農業種植方式的推廣與應用極大地提高了部分農作物的生產效率與產量。當前，農業大棚種植方式已成為快速高效生產蔬菜和水果的主要方法，在農業大棚種植環境中，pH、光照度、濕度、CO2濃度、溫度等因素對作物的種植有很大影響，采用人工控制方式難以做到科學種植，而利用信息化技術來實現農業大棚種植環境的自動化管理具有很大優勢[2]。

目前，我國設施農業大棚的應用發展十分迅速，如南京萬宏測控技術有限公司開發了“智能農業物聯網系統”；國外大棚信息化管理系統發展比較早，但是大多價格偏貴，不適合我國國情。筆者根據當前我國的現實情況，經過科學分析和設計，利用無線傳感網、寬帶網絡和視頻監控等技術優勢，設計實現集智能監測、智能決策和實時控制于一體的智能農業大棚信息化管理系統。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡(WSN)是由分布在一定區域內靜止或移動的傳感器節點組成，這些節點以自組織和多跳的方式構成無線傳輸網絡。無線傳感網以協作地感知、采集、處理和傳輸被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者，完成對感知區域的監控與管理。無線傳感器網絡系統結構見圖1。

無線傳感器網絡采用Zigbee技術，是一種近距離、低復雜度、低功率、低數據速率、低成本的無線通信技術，Zigbee技術本身建立在IEEE802.15.4協議基礎之上，無線通信一般使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術。它的主要特點是：大規模、自組織、動態性、可靠性和以數據為中心。網絡拓撲結構有3種類形：星形結構、網狀結構和簇狀結構。網內節點設備按其功能不同分成全功能設備(FFD)和半功能設備(RFD)2類，其中FFD設備具有數據轉發和路由功能。

無線傳感器網絡由終端節點、數據轉發節點和協調器節點組成。終端節點負責感知對象信息的采集，經數據轉發節點的多跳路由，完成數據信息的傳輸，最終匯聚到協調器節點，通過協調器接入遠程傳輸網絡。

2設施種植系統架構

設施農業是隨著工程技術的發展而出現的，近年來物聯網技術的突飛猛進，給設施農業的發展插上了騰飛的翅膀。設施種植大棚以無線傳感器網絡為基礎，采用常見的3層體系結構[3]，見圖2。

2.1信息采集層(感知)這是整個設施種植管理系統的基礎和前提。在農業大棚種植環境中，pH、光照度、濕度、CO2濃度、溫度等植物生長因素是系統管理的基礎信息，為此前端感知信息子系統要布設至少5大類傳感器來采集，如CO2濃度的信息，這些信息依據事先設定的采樣頻率間隔實時進入協調器節點，協調器節點與中心控制器交互通信，當大棚空間較大時，也可增設轉發節點，達到信息準確安全進入中心控制器。另外，為了實時調節大棚室內環境和植物生長的情況，按需設置設備控制節點和視頻攝像頭，設備控制節點如抽風機控制，當大棚室內CO2濃度偏高時，要自動啟動抽風機來降低CO2的濃度，通過實時圖像的采集觀察植物生長態勢。感知節點、中心控制器、設備控制節點、協調器節點和視頻攝像頭組成一個前端無線傳感網實現大棚室內環境多類環境參數的采集與反饋控制。

2.2信息傳輸層[4]信息采集層獲取的各類信息必須通過網絡的傳輸進入云端信息處理中心進行存貯與處理，網絡的傳輸只實現信息透明傳輸，在設計時可采用移動通信網絡或WiFi的方式來實現，基本做到視頻圖象和環境參數的實時有效傳輸。

2.3信息服務處理層(應用)通信網絡傳輸的各類信息最終進入云端服務器，實施對各類信息的篩選、處理與存儲。云端信息服務系統承擔著對設施種植大棚實時環境信息的分析與決策等重要功能，當環境參數越過事先設定的門限時，通過如短信、電話等多種形式報警，也可通過多種方式把信息推送到用戶面前(如移動終端查詢)。

3信息采集子系統

信息采集子系統由無線傳感網、中心控制器和視頻攝像頭3部分組成。無線傳感網包括了感知節點、協調器節點、設備控制節點3類節點設備；視頻攝像頭實時獲取植物生長狀態圖象，直接接入中心控制器；中心控制器類似于一個接入網關，與協調器交互通信獲取環境信息，通過WiFi或4G網絡上傳數據給云端信息中心[5]。

3.1無線傳感器網絡感知節點和設備控制節點統稱終端節點。為了全面監測與控制設施種植大棚內環境參數，系統設置了pH、光照度、濕度、CO2濃度、溫度等多類傳感器節點來采集環境參數，另外也設置了如通風機、電熱板、光照機、水噴霧機等調節設備來調控大棚室內環境。終端節點一般由傳感器模塊(設備控制模塊)、控制模塊、通信模塊和電源模塊組成。節點上的傳感器或設備控制器根據模塊對象不同市場采購，如水噴霧控制可采用磁控制模塊來實現[6]。節點的控制與通信模塊采用TI公司的MSP430F1611超低功耗MCU和CC2530通信MCU來實現。傳感器采集信息經模數轉換與MSP430F1611交互通信，經適當處理后轉發給CC2530通信模塊并通過無線傳輸方式由協調器接收。CC2530通信模塊同時也接收協調器發來的控制信息，來啟動和關閉設備控制器來實現對大棚環境狀態的調節控制。

終端節點控制軟件主要由節點主控程序、無線收發通信程序、感知數據采集程序組成。節點主控程序是核心部分，一方面接收來自感知模塊中傳感器的檢測數據，按要求對這些數據進行處理和計算，并把感知數據傳送給通信模塊轉發出去；另一方面要從通信模塊獲取外部數據信息，完成對節點硬件其他模塊的控制與管理，實現與其他相鄰節點進行組網通信。另在空閑情況下，要控制節點進入節能休眠省電狀態。節點軟件流程見圖3。協調器節點與前面的終端節點基本相同，硬件主要包括通信模塊、電源模塊、節點控制模塊和上位機接口模塊。與終端節點不同的就是沒有了傳感器模塊而增加了一個與上位機通信的上位機接口模塊，接收中心控制器的控制命令并轉發給相應的終端節點，同時接收終端節點采集的數據轉發給中心控制器。另一主要任務是組建Ad-Hoc網絡并進行維護，接收網絡中其他監測節點的網絡狀態信息，為請求入網的節點分配地址，并接收監測信息。協調器節點流程見圖4。

3.2中心控制器中心控制器實際上相當于一個接入網關，實現對設施種植大棚環境的實時監控管理，具備數據收集、視頻圖象采集、存貯管理、分析處理、自動控制和網絡信息轉發功能[7]。對于一般的無線傳感網，協調器通過RS232串行通信方式連接到一臺通用計算機，然后作為網關的通用計算機聯接到遠程網絡上，實現信息遠程透明傳輸。該系統采用了單獨設計中心控制器來代替傳統方案的通用網關，中心控制器采用嵌入式技術，集成了遠程通信模塊(4G和WiFi)、嵌入式處理系統、嵌入式Web服務器等，這種設計方案有利于本系統的分布式組網和獨立式個體使用，具有更好的應用適應能力。

中心控制器由主處理模塊、遠程通信模快(4G和WiFi)、串行通信模塊和視頻采集與控制模塊組成。主處理模塊采用ARM1176JZF-S核，它具有處理能力強、功耗低、性能好、成本低的特點，以Linux操作系統作為運行和應用開發平臺，Linux系統支持多用戶、多進程、實時性好、功能強大并穩定，開放原碼且有豐富的開發資源。協調器節點通過串口輸入采集到的環境參數，視頻攝像頭的視頻數據直接進入主處理模塊，考慮輸入信息數據量較大，系統采用SQLite數據庫作為信息存儲和管理，采用嵌入式Boa服務器軟件構建Web服務器，利用CGI使網頁具有交互功能，實現通過網絡瀏覽器對整個信息采集子系統進行全面配置管理以及部分信息的查詢。遠程通信模快(4G和WiFi)實現與上位網絡(如英特網)的聯接，達到信息的遠程可靠傳輸，采用國內中興公司生產的中興MV3500模塊，它改變了原有設計方案的“MCU+LTE模塊+WiFi芯片”架構，直接將WiFi芯片嵌入LTE模塊中，降低了對MCU處理能力的要求，簡化了設計[8]。

中心控制器設計方案使得設施種植管理系統具有2種工作模式：一是獨立運行模式；二是組網運行模式。獨立運行模式采用4G遠程通信接入互聯網，用戶通過客戶端瀏覽器實時對大棚環境信息查詢與控制管理。組網運行方式一般采用WiFi方式(或4G)接入網絡，可以把多個設施農業大棚組網管理，達到大范圍應用。無論那種運行模式都具有自動控制和手動控制2種控制模式。默認情況下為自動控制模式，定期采集大棚內環境參數與植物生長圖象。手動控制模式方便管理人員通過Web隨時監控現場，并根據情況對大棚環境進行個性化調控，如發送開啟通風機命令來降低室內CO2濃度等[9]。中心控制器工作流程見圖5。

設施種植大棚視頻監控利用智能攝像頭實現大棚無縫隙、不間斷的視頻監控和事件監測、報警，攝像頭具有高清晰度的圖像采集和轉換，完全滿足大棚室內環境的安全使用。系統通過調節中心控制器輸出的PWM波的占空比，控制云臺轉動實現大范圍監控，視頻服務器采用ffmpeg+ffserver構建，使用x264視頻編碼器壓縮視頻來減輕對網絡傳輸和存儲的壓力。

4云端服務處理系統

云端服務處理系統是設施種植大棚管理的信息處理中心，所有從大棚室內采集的環境信息和監控視頻圖象經中心控制器適當處理與存儲后直接上傳到云端服務中心。全部完整的數據都將永久存儲在云端，供實時或事后查詢、分析處理。應用軟件由系統配置管理模塊、感知數據存貯與處理模塊、監控視頻存貯與處理模塊、報表處理模塊和信息遠程服務模塊組成[10]。應用軟件模塊結構見圖6。

軟件系統采用B/S模式，用戶通過客戶瀏覽器登陸服務中心Web服務網站進行全功能的訪問。以Visual Studio 2005為開發平臺，數據庫采用MSSQL Server，全系統用C#語言編寫完成。系統配置與管理模塊實現全系統的用戶信息和權限等管理，設置與大棚感知信息處理、視頻監控和中心控制器相關的各類參數，完成系統正常工作準備；感知數據存貯和處理模塊實現感知數據的接收、實時存儲和隨機檢索調用處理，按設定條件發送控制信息給中心控制器，實現大棚環境調節和告警提示，實時顯示各種感知信息處理圖表，聯機對存儲數據進行智能分析并提供決策信息[11]。監控視頻儲存與處理模塊實現監控視頻的實時錄存和調用回放，發送命令給中心控制器控制攝像頭云臺，做到有選擇性實時切換監控，并具備一定的視頻智能分析處理；報表處理模塊主要完成各類報表的生成、匯總與打印。

信息遠程服務模塊實現移動終端的訪問，使得系統用戶通過多種手段實現隨時隨地獲取監測、監控數據和信息。遠程服務包括2種方式，一是訪問中心控制器；二是訪問云端服務中心。這2種方式依系統運行模式可靈活采用。中心控制器只存儲了最新一定時間內的部分數據和一些配置監管信息，如要全功能訪問，需要訪問云端服務中心。

5結語

隨著工程技術的進一步發展，設施農業的發展已取得了長足的進步，特別是近幾年來物聯網技術的快速應用推動了設施農業向更高層次的應用發展。該研究運用無線傳感網技術研究設計了設施種植大棚室內環境自動調節管理系統，由于采用了中心控制器方案來前置管理信息采集，增強了系統應用的靈活性和適應性，系統在諸暨智慧農業園區進行了單一大棚試用，效果良好并獲得好評。下一步擬開展一定規模的組網試用，根據試用結果進一步對系統進行修正改進。

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Application of Wireless Sensor Network Technology in Modern Facility Agriculture

ZHANG Xin

(Shaoxing Vocational & Technical College, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Key wordsWireless sensor networks; Facility agriculture; Video surveillance; Agricultural planting

AbstractThe wireless sensor network technology was adopted to design modern agricultural planting management automation. Based on wireless sensor network, high-speed transmission network, video monitoring and other things of the core technology of Internet of things, comprehensively real-time monitoring and management of agricultural planting environment was realized, real-time adjustment of scientific fertilization and planting environment parameters was achieved, thus to promote plants’ good growth and improve production efficiency. The Internet of things technology, with a flexible application and expansion capacity, is appropriate for large-area intelligent agricultural automation management.

基金項目國家科技型中小企業技術創新基金資助項目(13C2621330 2220)。

作者簡介張新(1966- )，男，浙江嵊州人，講師，工程師，碩士，從事物聯網技術、電子信息研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號S 126

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-296-04