基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法

邵 斌

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機科學(xué)與工程系,河北 廊坊 054000)

0 引言

為更好地發(fā)展農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化監(jiān)控,不少學(xué)者針對農(nóng)業(yè)作業(yè)田間的環(huán)境進行了研究,通過土壤、空氣及其中各組分的比例關(guān)系來挖掘該環(huán)境對田間作物生長產(chǎn)生的影響。目前,大多數(shù)研究是從農(nóng)業(yè)機器本體的機構(gòu)與作業(yè)效率等環(huán)節(jié)來提升農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)耕作的水平,但在構(gòu)建完整監(jiān)控系統(tǒng)模式方面應(yīng)用較少。為此,在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,從物聯(lián)網(wǎng)的信息、通訊及控制方面對農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)原理

物聯(lián)網(wǎng)原理可簡要描述為:通過高準(zhǔn)確性的信息傳感裝置(如RFID、激光掃描、紅外感應(yīng)等),按照預(yù)定的通信協(xié)議,實現(xiàn)物與物的信號傳輸和通信,最終構(gòu)建成為一個智能化識別與監(jiān)控跟蹤體系。此過程中,物的編碼、傳輸途徑、存儲能力及控制系統(tǒng)等都必須進行逐一配備。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是用于監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備或農(nóng)業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò),以GPRS、ES、RS等應(yīng)用較為廣泛。圖1為物聯(lián)網(wǎng)機理下的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控原理流程圖。由圖1可知:選取與農(nóng)業(yè)環(huán)境相關(guān)的參數(shù)(空氣溫度、光照強度、空氣濕度等),通過檢測裝置輸入到環(huán)境采集監(jiān)控系統(tǒng),進而通過移動網(wǎng)絡(luò)和Internet對數(shù)據(jù)進行查詢分析和問題追溯,改進農(nóng)業(yè)種植和管理方法,最終不斷改進提升,實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植和高效化生產(chǎn)。

為更為直觀化、科學(xué)化地掌控環(huán)境信息,對該監(jiān)控系統(tǒng)進行模塊化分解,表1為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的管理模塊組成及功能實現(xiàn)。由表1可看出:主要從用戶登錄、信息采集、視頻顯示、數(shù)據(jù)處理及設(shè)備執(zhí)行任務(wù)等7個功能。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)機理下的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控原理流程圖

表1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理模塊組成及功能

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 信息獲取

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的信息獲取由多樣化的傳感裝置組成,其信號的傳遞與處理包括采樣、辨別、加權(quán)、估量及確認(rèn)等多個環(huán)節(jié),得出核心的信息處理論模型為

J=[Y(k)-H(k)G(k)]TU[Y(k)-H(k)G(k)]

=0

在農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)中,為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確作用,其信息獲取作為最為關(guān)鍵的第1步,各傳感裝置的配置與選型需符合監(jiān)測要求。表2給出基于物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的主要傳感裝置及參數(shù)。該參數(shù)的選取是在綜合考慮功能、成本及測量精度因素后匹配,通過空間、時間、信息及模塊的4個管理模塊組成信息傳感的管理。

表2 物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的主要傳感裝置及參數(shù)

續(xù)表2

2.2 信息傳輸

傳輸信號的發(fā)送與接收要符合農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要求的程序與功能,數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖2所示。

工作時,發(fā)送功能的實現(xiàn)取決于數(shù)據(jù)的引腳判定,處于設(shè)置的零狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)發(fā)送;同理,信息的數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)則與此類似,在此不做贅述。

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件傳送電路如圖3所示。為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路通道的順暢且各信號的數(shù)據(jù)處理更符合實際,增設(shè)信號處理的反饋控制環(huán)節(jié),采用當(dāng)前的監(jiān)控集成系統(tǒng)控制軟件,設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)信號反饋模型,如圖4所示。工作時,通過比較發(fā)生器對參照信息進行存儲,傳送至控制信號發(fā)生器,得出控制信號,進入環(huán)境監(jiān)控設(shè)備;同時與輸入的信號進行誤差對比,通過反饋網(wǎng)絡(luò)模型給出一個反饋信號到達比較器進行比較,進行內(nèi)部比較調(diào)節(jié),輸出一個可反饋可調(diào)節(jié)的執(zhí)行信號,整體環(huán)節(jié)由內(nèi)部處理自動完成。

圖3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸硬件電路實現(xiàn)

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)信號反饋模型

2.3 終端處理

物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)終端處理則是在協(xié)調(diào)器的控制下,形成較為合理的物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)田作業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)終端顯示設(shè)計如圖5所示。

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)對采集的節(jié)點終端和設(shè)備執(zhí)行的節(jié)點終端進行信息糅合,通過一系列的串口通信和TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)云終端和服務(wù)器的監(jiān)控與顯示。

圖5 農(nóng)田作業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)終端顯示設(shè)計簡圖

按照上述方法,在實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的通訊環(huán)節(jié),參照運用穩(wěn)定的API,設(shè)置如下的通訊協(xié)議接口:

… …

char EZMac_Wake_up(void)

char EZMac_Sleep(void)

char EZMac_Transmit(void)

char EZMac_Receive(void)

char EZMac_Idle(void)

char EZMacReg_Write(MacRegs Name, char Value)

char EZMacReg_Read(MacRegs Name, char Value)

char EZMacBuf_Write(char* buf)

char EZMacBuf_Read(char* buf)

… …

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作流程簡圖

工作時,首先進行初始化操作進入新建網(wǎng)絡(luò),成功后確定ID通過PC顯示網(wǎng)絡(luò)信息進入智能監(jiān)控狀態(tài),信號的判別通過數(shù)據(jù)處理和節(jié)點入網(wǎng)兩個程序完成操作指令。該協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要是通過匯集采集的數(shù)據(jù)經(jīng)硬件電路通道在控制指令程序下發(fā)送至終端顯示設(shè)備,完成一輪監(jiān)控。

3 監(jiān)控系統(tǒng)試驗

3.1 條件設(shè)置

進行農(nóng)用環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可行性測試試驗,設(shè)置如表3所示的試驗控制模型協(xié)議機參數(shù)。其中,光照控制環(huán)節(jié)的信號采集由光敏傳感器及其電機完成,空氣溫度獲取環(huán)節(jié)由溫度傳感器及相配套的排氣扇裝置組成,主要通過設(shè)置上報狀態(tài)、上報間隔及溫濕度參數(shù)的記錄實現(xiàn)。

表3 監(jiān)控系統(tǒng)試驗控制模塊協(xié)議設(shè)置

3.2 過程分析

經(jīng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)試驗,得出了圖7所示的基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)試驗服務(wù)器體系設(shè)計。該體系運行在后臺,但保證了環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)瀏覽終端的穩(wěn)定準(zhǔn)確顯示,便于作業(yè)人員遠(yuǎn)程觀測與調(diào)控。

圖7 基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)試驗服務(wù)器體系設(shè)計

選定該環(huán)境監(jiān)測的5個參數(shù)進行系統(tǒng)評價,形成如表4所示的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)。 由表4可以看出:系統(tǒng)可以有效地采集到參數(shù)信息且各數(shù)據(jù)與儀器測得的數(shù)據(jù)誤差控制在5%范圍內(nèi)。其中,空氣溫度的系統(tǒng)監(jiān)測顯示值為20.9℃時,對應(yīng)的儀器測得值為21.3℃,兩者誤差為1.87%;土壤濕度的系統(tǒng)監(jiān)測顯示值為18.9%時,對應(yīng)的儀器測得值為18.1%,兩者誤差為4.42%。這說明,監(jiān)控系統(tǒng)具有可行性。

表4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié)論

1) 通過理解農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的原理及應(yīng)用組成,對農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計和監(jiān)控試驗。

2) 應(yīng)用嵌入式數(shù)據(jù)庫處理與分析數(shù)據(jù),獲取了較為完整的服務(wù)器處理結(jié)構(gòu)體系,同時對農(nóng)業(yè)環(huán)境選定參數(shù)進行對比,結(jié)果表明:系統(tǒng)采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)與儀器測得值誤差控制在5%范圍內(nèi),系統(tǒng)可行。