基于物聯網技術的智慧農業監控系統設計

徐曉雨 ，張 旭 ，朱 勇

（1牡丹江師范學院 物理與電子工程學院 黑龍江 牡丹江 157000）

（2哈爾濱翔冠科技開發有限公司 黑龍江 哈爾濱 150000）

（3黑龍江大學 黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

為保障我國傳統農業快速過渡到現代農業，我們必須在農業領域掌握相關的技術并根據農業發展的實際，提高農業信息化水平，加快我國智慧農業建設的速度。使用現代科學技術，充分利用農業生產資源以減少農業生產成本，增加農業生產產量和農民收入，這是智慧農業首先要解決的問題。伴隨傳感器技術、嵌入式技術、網絡技術以及通信技術的蓬勃發展，物聯網技術由此誕生。物聯網技術與農業領域的融合將有助于智慧農業的興起。在農業生產和科研中，有了物聯網技術的加入，能夠顯著地轉變農業生產方式，提高管理水平。有助于加快我國現代化農業的發展步伐，可以幫助我們進一步實現智慧農業。

物聯網技術可以應用在農產品的溯源領域，還可以監控農業水產養殖，或者遠程監控農作物的生產過程等諸多領域。由此可以看出信息技術尤其是物聯網技術對農業領域的深刻影響。基于物聯網的智慧農業將是未來農業的發展方向，傳統農業將會迎來前所未有的大變革。

2 物聯網體系結構

物聯網的含義就是物體與物體之間，通過互聯網實現連接，來完成信息交換和數據通信。1999年，物聯網技術由美國麻省理工學院提出。研究設計出了第一版的無線射頻識別系統（RFID），也就是說物聯網最出的理論體系是基于RFID技術完成的。

無線射頻識別系統的基本原理是：通過互聯網的連接，實現對物體的智能化識別。主要包括對物體的定位、實時的監控以及有效的管理。伴隨著無線傳感器網絡（WSN）技術的日臻成熟，WSN和RFID的有機的結合到一起，形成了物聯網體系架構。

根據國際電信聯盟（ITU）發布的報告，對物聯網體系架構做出以下解析：通過無線射頻識別系統、衛星定位系統、二維碼識讀設備等相關的信息傳感系統，將這些系統通過統一的協議互通互連，利用互聯網作為媒介實現對物體的身份識別、跟蹤定位和有效管理的綜合網絡。物聯網體系架構主要由感知層、傳輸層以及應用層三個層次組成。其中感知層以自組織的方式構成局域網，利用WSN、RFID等信息感知系統識別和感知周邊的環境信息；傳輸層是利用運營商提供的網絡（2G、3G、4G）和各種專用網絡連接到互聯網中，來完成對感知信息的有效傳輸；應用層實際上就是物聯網在不同領域的應用，例如：智慧農業、智慧城市、智慧物流等等。

3 基于物聯網的農業監控系統架構

我國東北地區在農業種植方面主要依靠傳統農業進行生產，以黑龍江牡丹江地區為典型。這種農業生產模式導致了農業生產效率低下，經營管理落后等不良后果。因此從傳統農業向智慧農業轉型是很有必要的。

在智慧農業模式下，可以檢測農田全方位、完整的數據信息：土壤的溫度和濕度、周邊空氣的溫度和濕度、降雨量、風度大小、水質的pH值等等。由于農田地理條件本身的復雜度很高，采集的數據也是多樣的。各種傳感器需要放置在野外的環境中，一旦電源用光或者其他故障都會導致無法工作。另外這些傳感器經常需要改變分布的位置，大多數監控器的設計都是以有線的方式接入組網的。對于面積覆蓋廣袤的農田來說，就無法實現對網絡的移動性要求。這些局限性都為農田環境參數的數據采集帶來了困難。

因此，很有必要研發出一套具有實時測量、智能化管理、可移動的農業環境監控系統。這對我國升級改良傳統農業結構，改善農產品質量，提高農業生產效率，推進農業部門的管理水平的提高都具有深遠的意義。根據以上的分析，可以將無線視頻檢測系統、無線傳感器系統與互聯網有機的結合在一起，構成一個基于物聯網技術的智慧農業監控系統。此系統按照物聯網的體系結構也可以劃分為三個部分：感知層、傳輸層以及應用層。

系統的最底層為感知層，可以由放置在農田的無線傳感器子系統和無線視頻監控子系統實現。通過各種傳感器陣列完成對農業環境信息的采集。系統的中間層為傳輸層，主要由協調器網關來實現。可以將感知層采集的各種環境信息傳輸到應用層，起到承上啟下的重要連接作用。系統的最高層為應用層，可以由網絡服務器和數據庫構成。用于大量數據的存儲和各種信息的發布，其本質上就是一種數據監控中心模塊。數據監控中心可以采用B/S架構進行設計，數據庫中的數據既有農田環境的實時數據也有歷史數據，不管是農業管理者還是普通的用戶，都能夠通過數據監控中心對所關心的農業環境信息進行查看和對比。除此之外，還可以控制系統的有關設備，管理或者發起相關的控制指令。

4 環境監控系統方案設計

基于物聯網技術的智慧農業監控系統的總體思路應當基于如下幾點考慮：首先需要對農田環境重要的參數進行采集；其次應該可以對農作物的生長情況進行實時的監測，監測的數據形式以視頻文件為主；第三，對采集到的各種數據要存儲到Web服務器中，形成一個基礎信息庫，為智慧農業的發展積累第一手數據；另外對于監測節點來說，根據距離的遠近采取動態的傳輸方式，近距離采取有線方式，遠距離采取無線方式；最后，農業管理者需要經過注冊之后，才能登陸系統，實時掌握農田環境參數和農作物的生長情況。基于以上的設計思路，具體方案如下：采用ZigBee和WiFi技術來實現物聯網數據分析功能。可由以下三個子模塊組成：農田信息采集模塊、農田環境實時監測模塊、數據監控中心模塊。

農田信息采集模塊可由土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器以及小型的氣象信息站，組成一個基于紫峰協議的無線監控測試網絡。主要的功能是采集農作物生長區域的土壤溫濕度、環境溫濕度、CO濃度等主要數據。每一個ZigBee監測網絡，都可以由兩部分組成，一是土壤溫度、土壤濕度數據采集節點，即農田土壤重要參數的采集。二是網關節點，具有兩大功能：第一種是作為網絡協調器，自動地對ZigBee監測網絡進行維護和組建，同時也可以對采集的數據進行收集匯總；第二種是實現監測網絡與監控中心信息的傳遞。溫濕度傳感器在監測區域內是呈正三角形狀分布的，通過ZigBee協議將采集到的協議發送到相鄰的路由節點，通過網關把信息傳送給數據監控中心，來完成對農田環境參數的采集與顯示。農田實時監測模塊可由分散在種植區域的多個視頻監控攝像頭（每個攝像頭相距約150米）來實現。WiFi無線視頻監測網絡系統由WiFi無線路由及無線網關組成，來負責農作物生長情況實時的監控。分布在各個區域內的攝像頭通過WiFi將捕捉到的視頻監控數據傳輸到最近的WiFi無線路由，以便將視頻數據傳輸至無線網關，最后由無線網關將數據發送至數據監控中心模塊。數據監控中心模塊主要的作用是對農作物生長區域的各種數據的顯示和農作物實時視頻監測的顯示，從而為農業管理者提供直觀有效的數據，進行科學種植。

5 結論與展望

綜上所述，農業環境監控系統工作流程為：利用安置在農田的傳感器子系統、高清視頻監控子系統、氣象站子系統進行農作物環境參數的數據采集以及實時監測農作物的生長情況。通過無線網絡將采集到的各項數據傳遞到協調器網關，協調器網關再將有效數據發送給數據監控中心分析處理并最終存儲起來。普通用戶或者農業管理者只要經過系統注冊認證成功之后，都可以登錄到服務器，實時了解農田環境參數和農作物生長狀況，在數據監控中心的前臺界面上，通過不同形式的數據統計方式來顯示農田環境具體的變化情形。

[1]宋艷.基于物聯網技術的智能農業種植系統設計[J].現代電子技術，2013.

[2].郭家.基于物聯網的農業監控系統研究與開發[D].無錫：江南大學，2013.

[3].張博文.基于物聯網的智慧農業監控系統研究[D].荊州：長江大學，2017.

[4].徐曉雨，崔華貞.基于物聯網的藥品雙向溯源技術研究[J].黑龍江科技信息，2016.