基于物聯(lián)科技的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉嘉敏，代永強(qiáng)，潘皓澤，魏霖靜

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

智能農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向，它可以根據(jù)植物的生長(zhǎng)習(xí)性及時(shí)的對(duì)環(huán)境參數(shù)做出調(diào)整，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式，本文以綠色植物作為研究對(duì)象，將物聯(lián)技術(shù)和智能農(nóng)業(yè)結(jié)合起來，基于ZigBee技術(shù)以及多種傳感器搭建一個(gè)模擬平臺(tái)。

2 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。作為一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，ZigBee不僅具有以上優(yōu)點(diǎn)，還具備時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高等優(yōu)勢(shì)。

ZigBee技術(shù)的物理層和媒體訪問控制層是以IEEE802.15.4為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層，而應(yīng)用層則能根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要對(duì)其進(jìn)行開發(fā)并利用，所以，該應(yīng)用可以給用戶提供更加靈活的組網(wǎng)方式。

根據(jù)IEEE.802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以將ZigBee的工作頻率分成3個(gè)頻段：868 MHz、915 MHz、2.4 GHz。在組網(wǎng)性能上，ZigBee技術(shù)可構(gòu)造為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)或星型網(wǎng)絡(luò)，且在每個(gè)組成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)兩個(gè)地址為16bit的短地址(即網(wǎng)絡(luò)地址)和64bit的長(zhǎng)地址(即ZigBee設(shè)備全球唯一的地址標(biāo)識(shí))，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，可容納65536個(gè)設(shè)備數(shù)，充分體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量大這一特點(diǎn)。在無線通訊技術(shù)上，利用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式來避免無線電載波之間的沖突。

ZigBee技術(shù)的低功耗體現(xiàn)在其發(fā)射輸出僅為0～3.6 dBm，通信距離為30～70 m，在保證通信鏈路的條件下，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，消耗最少能量。

為保證通信數(shù)據(jù)的安全性和保密性，ZigBee技術(shù)采用密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法和CSMA-CA機(jī)制，且在MAC層采用了確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，該技術(shù)也提供基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證。

我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)正進(jìn)入發(fā)展的快車道，及眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的ZigBee技術(shù)終借物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用異軍突起。

3 平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.2 平臺(tái)功能模塊

3.2.1 主界面

主界面模塊中包含兩部分，即“當(dāng)前環(huán)境”和“當(dāng)前設(shè)置”(圖2、圖3)。在“當(dāng)前環(huán)境”中可以顯示的信息有雨雪、光照、風(fēng)速、CO2濃度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、土壤溫度和土壤濕度。將所有信息都放在一個(gè)界面上，使人更加清楚明了。除此之外，還可以通過“當(dāng)前設(shè)置”去改變“當(dāng)前環(huán)境”中的信息參數(shù)從而給植物一個(gè)更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

3.2.2 光合作用

光合作用模塊中包含兩部分，即“植物生長(zhǎng)燈”和“換氣扇”(圖4)。可以利用植物生長(zhǎng)燈的開關(guān)來調(diào)節(jié)當(dāng)前光照強(qiáng)度并顯示在當(dāng)前界面中；利用換氣扇的開關(guān)來調(diào)節(jié)CO2濃度并顯示在當(dāng)前界面中。

圖2 主界面

圖3 設(shè)置界面

圖4 光合作用界面

3.2.3 氣象信息

在氣象信息的界面中(圖5)，利用“智能窗”的左右按鍵來調(diào)整智能窗的開關(guān)狀態(tài)從而調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，并將風(fēng)速大小、雨雪狀況和智能窗的開關(guān)狀態(tài)都顯示在當(dāng)前界面中。

3.2.4 溫濕信息

在溫濕信息的界面中包含室內(nèi)溫濕度和土壤的溫濕度兩部分信息(圖6)，用溫控系統(tǒng)的開關(guān)對(duì)加熱器進(jìn)行控制從而調(diào)節(jié)溫度信息，濕度信息可以利用灌溉系統(tǒng)的開關(guān)進(jìn)行加水調(diào)節(jié)。

3.2.5 狀態(tài)信息

狀態(tài)信息界面是用來觀察各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的(圖7)，其包含的節(jié)點(diǎn)有：協(xié)調(diào)器、風(fēng)速節(jié)點(diǎn)、雨雪節(jié)點(diǎn)、光照節(jié)點(diǎn)、CO2節(jié)點(diǎn)、土壤節(jié)點(diǎn)、空氣節(jié)點(diǎn)、換氣扇節(jié)點(diǎn)、生長(zhǎng)燈節(jié)點(diǎn)、灌溉器節(jié)點(diǎn)、電動(dòng)窗節(jié)點(diǎn)和加熱器節(jié)點(diǎn)。

圖5 氣象信息界面

圖6 溫濕信息界面

圖7 狀態(tài)信息界面

3.2.6 視頻監(jiān)控

可以利用“視頻監(jiān)控”實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的生長(zhǎng)狀態(tài)(圖8)，視頻信息直接在該界面中放映。

圖8 視頻監(jiān)控界面

4 物聯(lián)科技在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用前景

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的大力支持，加之物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求最迫切、難度最大、集成性特征最明顯的領(lǐng)域。通過物聯(lián)科技，可以使我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更快的向現(xiàn)代化邁進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也務(wù)必會(huì)成為構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

借助此平臺(tái)上傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以更快更準(zhǔn)確的收集到農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并且利用溫控系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、智能窗、植物生長(zhǎng)燈以及換氣窗等對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的信息參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的智能功能。