基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集控制與預(yù)警系統(tǒng)

薛文龍

摘要：為提高我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，增強(qiáng)農(nóng)民自主抗風(fēng)險(xiǎn)能力，利用基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)，為農(nóng)民提供農(nóng)田第一手環(huán)境資料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉和基本風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，有效地降低農(nóng)業(yè)損失和農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，為農(nóng)業(yè)信息化提供有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)預(yù)警；信息化；ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）09-0195-03

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究有了很大進(jìn)步，已有很多科研人員將新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合進(jìn)了農(nóng)田信息采集與反饋控制系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過(guò)信息感知設(shè)備，使用某種約定協(xié)議，如ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議，將物體與物體、物體與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)而交換、傳輸和處理信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的跟蹤、定位、鑒別、監(jiān)控和管理一體化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境變量信息的實(shí)時(shí)采集、作物預(yù)警等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)碰到的棘手問(wèn)題。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括ZigBee監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)、微型氣象站、ZigBee協(xié)調(diào)控制器和控制中心。ZigBee監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)包括傳感路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、土壤水質(zhì)水分傳感器、噴灌管道、噴灌頭與控制電磁閥。微型氣象站部署在大田附近，用于檢測(cè)大氣氣壓、大田環(huán)境溫濕度、區(qū)域降水量、大田風(fēng)力、風(fēng)向、太陽(yáng)輻射等氣象參數(shù)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。[LL]

根據(jù)農(nóng)田環(huán)境情況，本系統(tǒng)采用擴(kuò)展星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。土壤墑情信息采集是由1個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）和數(shù)十個(gè)具有雙路輸入輸出信號(hào)的ZigBee傳感路由節(jié)點(diǎn)組成的1個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感路由節(jié)點(diǎn)可外接土壤水分傳感器。系統(tǒng)工作時(shí)，從控制中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)出“數(shù)據(jù)采集”命令，經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)收到命令后，向傳感路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令，傳感路由節(jié)點(diǎn)切換到數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài)，啟動(dòng)相應(yīng)控制指令，從外接土壤水分傳感器端口采集數(shù)據(jù)，由傳感路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)封裝為ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包，并從傳感路由節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊發(fā)出信息經(jīng)網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)、通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心；微型氣象站采集的氣象信息經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給控制中心，控制中心收到數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析，提取需要的土壤墑情信息和環(huán)境信息，記入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)田土壤墑情和環(huán)境信息進(jìn)行算法判斷，如果判斷作物缺水則實(shí)施精準(zhǔn)灌溉并進(jìn)行作物缺水預(yù)警；環(huán)境信息判斷，如果有惡劣天氣（比如強(qiáng)風(fēng)），則進(jìn)行天氣預(yù)警。用戶(hù)則通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制中心，獲取農(nóng)田環(huán)境預(yù)警信息。

1.2傳輸方式

目前，在農(nóng)田環(huán)境中，農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)的首選是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。目前主要有Blue Tooth、ZigBee、GPRS、3G、4G和Wi-Fi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式[2]。在本研究中，考慮到農(nóng)田環(huán)境平整，阻隔不大，農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量不大，因此，農(nóng)田間的每個(gè)采集控制節(jié)點(diǎn)擬采用ZigBee傳輸方式組成無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將采集的環(huán)境信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與控制中心及微型氣象站與控制中心之間選用GPRS無(wú)線傳輸方式，用戶(hù)終端則通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制中心，以獲取農(nóng)田環(huán)境信息和預(yù)警信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到本系統(tǒng)的需求和農(nóng)田環(huán)境信息采集與控制技術(shù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中的傳感路由節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530作為主控芯片。CC2530內(nèi)部集成了高性能的8051內(nèi)核，執(zhí)行本系統(tǒng)中所有的控制。為了確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和暢通，本系統(tǒng)將所有傳感節(jié)點(diǎn)都設(shè)置成路由節(jié)點(diǎn)，而不是大多數(shù) ZigBee 自組網(wǎng)當(dāng)中所采用的終端節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閭鞲薪K端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有路由功能，而路由節(jié)點(diǎn)自身除了能采集并上傳數(shù)據(jù)外還能路由別的傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。另外，整個(gè)系統(tǒng)都在野外，電磁環(huán)境復(fù)雜，不確定因素較多，比如設(shè)置傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)事先并不知道應(yīng)該放在什么地方，而將所有傳感節(jié)點(diǎn)都設(shè)置成路由節(jié)點(diǎn)的話，可以有效避免由于數(shù)據(jù)不能順利到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)而造成數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1微型氣象站的選型

本研究選用的微型氣象站是武漢中科能慧科技發(fā)展有限公司的NHQXZ601無(wú)線氣象站，該站采用ARM技術(shù)，用來(lái)測(cè)量大田環(huán)境風(fēng)力和風(fēng)向、空氣溫濕度、大氣壓力、太陽(yáng)輻射量、降雨量和蒸騰量等環(huán)境氣象指標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)采用分組模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶(hù)需要變換相應(yīng)的模塊或者傳感器，以滿(mǎn)足不同客戶(hù)的需求。系統(tǒng)備有顯示設(shè)備，具有可自主保存數(shù)據(jù)、全自動(dòng)數(shù)據(jù)通信等功能。該站具有技術(shù)領(lǐng)先于同行、測(cè)量效果好、測(cè)量精度高、內(nèi)存大、測(cè)量距離遠(yuǎn)、交互界面友好、適用性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣象探測(cè)、海洋環(huán)境探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、機(jī)場(chǎng)和港口環(huán)境預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。

2.2傳感路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

傳感路由節(jié)點(diǎn)由土壤水分傳感器、信號(hào)功放電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CC2530_QFN處理器、射頻及電源模塊組成，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田土壤環(huán)境信息（土壤溫濕度），并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。選擇HS-102STR土壤水分傳感器，對(duì)農(nóng)田土壤溫濕度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選擇傳感器時(shí)主要考慮單位能耗、測(cè)量距離、測(cè)量精度、單位成本與功耗等因素[3]。傳感路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)相互協(xié)作的方式完成農(nóng)田土壤環(huán)境信息采集，最終將數(shù)據(jù)匯聚到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)。HS-102STR土壤水分傳感器采集的信號(hào)為電壓和電流信號(hào)，本研究利用標(biāo)定的方法得到實(shí)際想要的參數(shù)。

CC2530_QFN芯片共有41個(gè)引腳，其中包括了電源接口、晶振接口、I/O接口和RF射頻接口等。其中總共有21個(gè)通用I/O端口，有些端口還存在特殊用途，用來(lái)連接其他的外部設(shè)備。CC2530_QFN芯片的應(yīng)用電路比較簡(jiǎn)單，只需要少數(shù)的外接元件即可實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中該芯片的應(yīng)用電路如圖2所示，部分引腳具體說(shuō)明如下：（1）22和23引腳外接 32 MHz 晶振。雖然CC2530內(nèi)部集成了1個(gè)16 MHz的RC振蕩電路，用來(lái)給芯片正常工作時(shí)提供時(shí)鐘，但RF射頻模塊必須工作在32 MHz的頻率，所以要使用CC2530的無(wú)線射頻功能，就必須在電路中設(shè)計(jì)1個(gè)32 MHz的晶振。（2）32和33引腳外接32.768 kHz晶振，用來(lái)做看門(mén)狗定時(shí)器和睡眠定時(shí)器的控制時(shí)鐘。看門(mén)狗時(shí)鐘獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘，可以防止系統(tǒng)出錯(cuò)，睡[CM（25]眠時(shí)鐘獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘，可以在芯片休眠時(shí)起作用。（3）

20引腳為低電平復(fù)位引腳，向該引腳輸入低電平即實(shí)現(xiàn)芯片的復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位的方式，將該引腳與33 V電源直接相連，從而實(shí)現(xiàn)芯片的上電復(fù)位。（4）25和26引腳為CC2530芯片本身自帶的RF射頻接口，只需要一些簡(jiǎn)單的電路元件即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。

2.3網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)

較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較快的運(yùn)行速度是網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)的標(biāo)配，因此在設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，本研究選擇TI公司生產(chǎn)的OMAP3530處理器作為主處理器，該處理器采用 Cortex-A8架構(gòu)。本研究使用OMAP3530處理器對(duì)網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，用以接收傳感路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，而后使用AT命令初始化GPRS模塊，利用P2P協(xié)議將網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上并獲得電信運(yùn)營(yíng)商分配的IP地址，進(jìn)而與控制中心建立連接[4]，采集的信息通過(guò)GPRS模塊向控制中心轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1傳感路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感路由節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行一系列的初始化，等待接收網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的組網(wǎng)信號(hào)，接收到組網(wǎng)信號(hào)后，向網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求入網(wǎng)，如果網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)允許其加入網(wǎng)絡(luò)則入網(wǎng)成功，如果網(wǎng)關(guān)路由點(diǎn)不允許其加入網(wǎng)絡(luò)則傳感路由節(jié)點(diǎn)持續(xù)請(qǐng)求入網(wǎng)直到加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)成功后傳感路由節(jié)點(diǎn)周期性采集土壤溫濕度信息并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)，傳感路由節(jié)點(diǎn)完成采集任務(wù)后進(jìn)入休眠模式直到下一次任務(wù)到達(dá)或者休眠時(shí)間到。傳感路由節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。

3.2網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)關(guān)程序主要實(shí)現(xiàn)串口通信配置、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)送與接收、信息在屏幕上顯示。在網(wǎng)關(guān)里面本研究植入了 Android 3.0系統(tǒng)，因?yàn)锳ndroid系統(tǒng)也是基于開(kāi)源Linux系統(tǒng)內(nèi)核，所以使用開(kāi)源的驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)在網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸之前會(huì)自動(dòng)增加幀頭和幀尾，有效地提高傳輸效率，減輕網(wǎng)關(guān)的工作負(fù)擔(dān)。其工作流程如圖5所示。

3.3墑情感知算法設(shè)計(jì)

依據(jù)傳感器獲取到的土壤墑情數(shù)據(jù)特性，同時(shí)綜合考慮土壤墑情的地域變異性，本研究采用模糊C-均值聚類(lèi)算法（fuzzy C-means algorithm，簡(jiǎn)稱(chēng)FCMA或FCM）[5]進(jìn)行土壤墑情預(yù)警。首先，設(shè)置模糊C的權(quán)重屬性，通過(guò)分析土壤墑情地域變異特性來(lái)獲取。通過(guò)土壤墑情數(shù)據(jù)分析表明，試驗(yàn)地塊土壤中的墑情變異系數(shù)為46.56%。本研究在層次分析法中引入土壤墑情變異系數(shù)，進(jìn)而求解模糊C的權(quán)重系數(shù)，采用層次分析法算出模糊C的權(quán)重系數(shù)算法為[5]：（1）構(gòu)造雙向比較矩陣；（2）取n維歸一化初始向量Ψ（0）；（3）計(jì)算，Ψ （k+1）=AΨ（k），k=1，2，…；A為一致性矩陣；（4）歸一化處理Ψ[TX-]（k+1）；（5）對(duì)于給定的精度ε，當(dāng)|Ψi（k+1）-Ψi（k）|<ε，i=1，2，…，n，成立時(shí)，Ψ[TX-]（k+1）即為所求向量，否則返回第二步；（6）計(jì)算最大特征值λ= 1n ∑ ni=1 Ψ （k+1）Ψ[TX-]（k）[SX）]；（7）計(jì)算目標(biāo)一致性指標(biāo)Am= λ-nn-1 ，λ為最大特征值；（8）計(jì)算目標(biāo)一致性比率 RA= AmRI ，RI為平均一致性指標(biāo)；（9）若RA<0.1成立，則通過(guò)一致性檢驗(yàn)；否則，重新構(gòu)造雙向比較矩陣。（10）若所有步驟都計(jì)算完成，則可以獲得總目標(biāo)的權(quán)重向量A=a1，a2，…，am；否則，返回到第一步。

其次，模糊C權(quán)重系數(shù)算法，實(shí)際上是使用模糊概念去處理聚類(lèi)問(wèn)題，最后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)表現(xiàn)出的隸屬度屬于某一聚類(lèi)[6]。本研究給出的目標(biāo)函數(shù)為：

J（U，c1，…，cc）=∑ ci=1 Ji=∑ ci=1 ∑ nj umijd2ij。

這里uij取值介于[0，1]之間，ci為模糊組Ⅰ的聚類(lèi)中心，通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算得知，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)到聚類(lèi)中心的距離加權(quán)平方之和最小的目標(biāo)函數(shù)就是本研究所需的結(jié)果。

通過(guò)上面的公式分析，不難看出FCM算法需要2個(gè)參數(shù)聚類(lèi)數(shù)目c和參數(shù)m。總體來(lái)說(shuō)c要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚類(lèi)樣本的總個(gè)數(shù)，但要保證c>1。而m是一個(gè)控制算法的柔性的參數(shù)，如果m過(guò)大，則聚類(lèi)效果會(huì)很差，而過(guò)小則算法會(huì)接近HCM聚類(lèi)算法。

本研究將土壤水分傳感器獲取到的數(shù)據(jù)迭代進(jìn)模糊C-均值聚類(lèi)算法，則能算出數(shù)據(jù)間的相似度非常小（表1）。

而經(jīng)過(guò)土壤墑情預(yù)警和精準(zhǔn)灌溉后，類(lèi)別間的差異減小（表2），不同區(qū)塊土壤墑情的差異趨于平緩，則說(shuō)明預(yù)警有效，整個(gè)地塊的土壤墑情得到改善。

4總結(jié)

本研究提出基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件實(shí)現(xiàn)，能夠有效采集田間土壤及環(huán)境變量信息，在為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)來(lái)源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于FCM的墑情預(yù)警，為廣大農(nóng)民提供農(nóng)田的第一手環(huán)境資料、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉和基本風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，有效地降低農(nóng)業(yè)損失和農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，為農(nóng)業(yè)信息化提供有力依據(jù)。

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