農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案探析

呂圣林 余思東

(廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007)

1 概述

如今，我國正處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的過度期，十九大報告也明確指出：要加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于2000年以后興起，物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)的深度結(jié)合快速推進(jìn)了農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)的步伐，同時也為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了前所未有的契機(jī)。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將先進(jìn)的各種電子信息設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)當(dāng)中，感知溫度的高低、土壤肥力、空氣的濕度、陽光的輻射等參數(shù)，然后通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)匯集到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能專家系統(tǒng)中進(jìn)行分析、比對、處理，實施自動化控制。把先進(jìn)的電子信息設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)當(dāng)中，對傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)整個產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行深度的改造，從而減少了農(nóng)業(yè)所需要的勞動力，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所用的資源，提高農(nóng)產(chǎn)品的食用安全和產(chǎn)量，推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的存在問題

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所使用的電子信息設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，不管應(yīng)用在哪個領(lǐng)域，均需要穩(wěn)定、暢通和優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)存在以下問題：

(1)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要以獲取采集的信息為主，相當(dāng)于人的眼睛、鼻子和耳朵，但在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中強(qiáng)調(diào)“動手干”，即控制設(shè)備的自動運(yùn)行，代替農(nóng)民噴藥、施肥、灌溉、投喂、保暖、增氧等等工作，這些工作將由農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、節(jié)能、安全的要求智能化自動完成，這些數(shù)據(jù)的傳輸都需要穩(wěn)定、暢通和優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍占地廣，規(guī)模大并且分散，信息不通暢，導(dǎo)致了電子信息設(shè)備特別是傳感器節(jié)點安裝不規(guī)則、距離遠(yuǎn)，也增加了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)的難度。惡劣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境要求電子信息設(shè)備既要供電，又要防雨、防風(fēng)、防潮、防蟲、防雷等等。

(2)很多實施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的場地比較偏僻，電信、聯(lián)通、移動等網(wǎng)絡(luò)差。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求自建局域網(wǎng)用于接收電子信息，自建局域網(wǎng)設(shè)備主要負(fù)責(zé)各類傳感器設(shè)備的信號傳輸。因此構(gòu)建穩(wěn)定、暢通和優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)尤其重要。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)特點

由于我國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)起步較晚，同世界上發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距。結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的問題，構(gòu)建將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)電子信息設(shè)備包括傳感器設(shè)備、視頻和音頻等數(shù)據(jù)匯集到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器中，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器通過比對、分析下發(fā)自動灌溉、自動噴藥等動作，并通過網(wǎng)絡(luò)同步在智能終端，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案。

3.1 有線連接技術(shù)

有線連接技術(shù)在20世紀(jì)80年代隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起而廣泛應(yīng)用，有線連接技術(shù)主要應(yīng)用在早期的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，它將物聯(lián)網(wǎng)的電子信息設(shè)備通過物理的連線連接網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(如圖1所示)，采用的網(wǎng)絡(luò)通訊方式為單總線方式，有網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定、通訊效率高的特點。但是由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、網(wǎng)絡(luò)分布范圍大并且節(jié)點的位置經(jīng)常要改變，增加了有線連接技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的建設(shè)維護(hù)成本和使用難度，導(dǎo)致有線連接技術(shù)沒有在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中廣泛的應(yīng)用。

圖1有線連接網(wǎng)絡(luò)技術(shù)示意圖

3.2 WIFI技術(shù)

Wi-Fi技術(shù)在20世紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用，它是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改良的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的互通設(shè)備，它的傳輸速率非常高，可以到達(dá)約200M比特率。普遍在家庭、辦公、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)把個人筆記本電腦、Android終端、iOS終端等設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大功能。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)廣泛已應(yīng)用于家庭、辦公、工業(yè)等領(lǐng)域，但是對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實用性不是很強(qiáng)，因為單個無線訪問接入點(AP)很難覆蓋整個農(nóng)作物種植的范圍，需要接入多個AP，這就需要購置、配置無線管理控制服務(wù)系統(tǒng)，加重運(yùn)行維護(hù)的成本，并且在基于IEEE 802.11協(xié)議的WI-FI網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸速率比較高，用于傳輸農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點的信號過于浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。

3.3 GPS技術(shù)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是20世紀(jì)70年代由美國軍方研制的空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，傳輸?shù)乃俾士梢赃_(dá)到100M比特率。GPS技術(shù)的優(yōu)點就是：技術(shù)比較成熟，也沒有傳輸距離的限制，傳輸?shù)乃俾氏鄬碚f比較高，并且連接的設(shè)備不會掉線等優(yōu)點(如圖2所示)。

圖2 GPS技術(shù)示意圖

但是在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用過程中存在著以下缺點：農(nóng)作物的種植場地很多是在遠(yuǎn)離GPS基站的地方，GPS信號不穩(wěn)定甚至沒有信號。每個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備節(jié)點都需要安裝一個GPS模塊，特別是感知層的傳感器設(shè)備數(shù)量眾多，并且GPS模塊在農(nóng)作物種植這種惡劣的環(huán)境下，建設(shè)、維護(hù)成本過高，不適合廣泛的應(yīng)用于實際的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目中。

3.4 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，它是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，通訊距離采用組網(wǎng)的形式從幾米到幾百米都可以(如圖3所示)。由于ZigBee技術(shù)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層很方便進(jìn)行“私人定制”服務(wù)，因此基于ZigBee技術(shù)的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有機(jī)動、靈活的特點。ZigBee技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，是由于它有以下三個特點：

圖3 ZigBee技術(shù)示意圖

3.4.1 數(shù)據(jù)傳輸速率低、可靠 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中只有溫度、濕度和光照度等數(shù)據(jù)的采集傳輸，下發(fā)對鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)和自動灌溉等設(shè)備的啟停控制這些簡單的數(shù)據(jù)傳輸，主要要求數(shù)據(jù)在傳輸過程中可靠穩(wěn)定。而基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度一般不超過200k比特率，僅限于低傳輸速率的應(yīng)用，符合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)要求，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中監(jiān)控視頻、語音通話之類的大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用和以采集數(shù)據(jù)信號為主的傳感節(jié)點相比是少之又少的。ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸可靠，它的介質(zhì)鏈路層(以MAC層)采用CSMA-CA碰撞避免機(jī)制。在這種機(jī)制下數(shù)據(jù)包的傳輸是即時的，上一節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)包后，下一個節(jié)點接受到數(shù)據(jù)包，再返回一個數(shù)據(jù)包告知上一節(jié)點確認(rèn)已經(jīng)接受到數(shù)據(jù)包了；如果沒有收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)包上一節(jié)點認(rèn)為數(shù)據(jù)包已經(jīng)碰撞、丟失了，將再重新傳輸一次同樣的數(shù)據(jù)包，這樣數(shù)據(jù)傳輸非常可靠。通過用CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，保證了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性。

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低 根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點，即：負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)的電子信息設(shè)備市電提供比較困難，要采集設(shè)備通過自帶的電源作動力；網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸距離遠(yuǎn)的特能。 網(wǎng)絡(luò)容量大：根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點多，傳輸距離合適。基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)通訊，它有兩類設(shè)備：一類是簡單功能設(shè)備、一類是全功能設(shè)備，并且可以混合使用，這樣就增加了基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)通訊的容量，據(jù)實驗數(shù)據(jù)：基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點數(shù)可以達(dá)到1萬個，這已經(jīng)完成符合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際要求了。 基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)路由和節(jié)點間通訊接立，可以將傳輸距離增大到幾公里，也符合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際需要。功耗低：基于ZigBee的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行的情況下，傳輸率很低，一般不超過200K比特率，并且信號在收發(fā)的時候也是一瞬間就完成的事情，百分之九十五以上的時間ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是處在休眠的狀態(tài)，休眠時功率是很低幾乎可以忽略不計，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)非常節(jié)能，通常情況下一對電池可以使用一年多。

3.4.3 組網(wǎng)靈活、實現(xiàn)成本低 ZigBee采用IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)作為物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)，用于組建低速率低功耗的無線局域網(wǎng)，它支持3種主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋停盒切屯負(fù)洹⒕W(wǎng)狀拓?fù)浜蜆湫屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，(如下圖4所示ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?，ZED為終端節(jié)點，ZR為路由器節(jié)點，ZC為協(xié)調(diào)器。特別是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性并且很容易添加網(wǎng)絡(luò)路由和節(jié)點間通訊接立，實現(xiàn)了組網(wǎng)靈活性。由于 ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，每塊芯片的價格大約為3元人民幣，實現(xiàn)成本相對于GPS、WI-FI、有線組網(wǎng)等來說很低，因此大大的加強(qiáng)了基于ZigBee技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖4 3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋褪疽鈭D

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案實例

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案研究過程中，根據(jù)廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植的要求，設(shè)計實施了物聯(lián)網(wǎng)+大棚蔬菜種植系統(tǒng)(如圖5所示)，現(xiàn)結(jié)合此系統(tǒng)，對文中所提到的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案進(jìn)行說明。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)+大棚蔬菜種植系統(tǒng)示意圖

4.1 廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植項目的介紹

(1)智慧溫室系統(tǒng)利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以通過個人筆記本電腦、Android終端、iOS終端等設(shè)備實時遠(yuǎn)程獲取溫室蔬菜種植大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)和視頻圖像，為農(nóng)產(chǎn)品可追溯源做好準(zhǔn)備。

(2)在對比農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)后可遠(yuǎn)程或自動控制風(fēng)機(jī)、頂側(cè)面遮陽、噴淋滴灌、管道施肥、加溫補(bǔ)光、CO2氣肥機(jī)等設(shè)備，確保蔬菜種植大棚的環(huán)境最適合蔬菜的生長。

(3)可以根據(jù)作物長勢或病蟲草害情況，由農(nóng)業(yè)專家給予遠(yuǎn)程農(nóng)技指導(dǎo)。

4.2 廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植項目的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

大棚蔬菜種植項目的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用“無線+有線”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線主要是應(yīng)用ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌饕?fù)責(zé)采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)包括：濕度、溫度、土壤肥料、氣體的成分等等數(shù)據(jù)，以便對環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制，自動控制設(shè)的備包括：風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、遮陽簾、頂部通風(fēng)、灌溉電磁閥、CO2氣肥機(jī)等設(shè)備；視頻、音頻則通過有線連接接入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中。

廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植項目具體的網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖六所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和自動控制設(shè)備、傳感器設(shè)備集成在一起，并且擁有一個64位的IEEE地址，這個地址在整個大棚局域網(wǎng)中是唯一的，通過這個唯一的地址農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器就很容易的找到該設(shè)備，并控制該設(shè)備，像控制風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、頂部通風(fēng)、管道施肥、灌溉電磁閥、CO2氣肥機(jī)等設(shè)備的啟停。通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式將收集到的傳感器和自動控制設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)關(guān)，再通過ZigBee網(wǎng)關(guān)，到數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)包匯集把所有的數(shù)據(jù)匯集起來，通過有線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)睫r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行比對分析，下達(dá)指令等等動作。

圖六 玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植網(wǎng)絡(luò)示意圖

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)有著低功耗的特點，在廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植中也得到很好的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動力采用一對南孚電池，通常的情況下可以使用一年。

5 結(jié)論和展望

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的有效途徑，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，本文針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在問題及技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過構(gòu)建廣西玉林市博白縣沙河鎮(zhèn)大棚蔬菜種植項目的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并提出相關(guān)解決方案，收到很好的效果，但是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點的建設(shè)成本略高，希望隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電子技術(shù)不斷快速發(fā)展，在不久的將來可研發(fā)出距離更遠(yuǎn)、傳輸率更優(yōu)質(zhì)、建設(shè)成本更低的電子信息設(shè)備推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，早日實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。