基于物联网的精准农业信息感知系统设计

　　摘要：为精准变量播种、施肥、施药及自动灌溉等的实施，并为科学研究提供全面信息，本文设计了精准农业信息感知系统。系统设计基于物联网透彻感知、可靠传输及智能处理理念，整个系统由无线感知网络、传输节点、ＧＰＲＳ及上位机管理系统等部分组成。其中无线感知网络由感知终端和传感模块组成，并通过标准接口进行连接。系统能实时感知作物生长环境信息及作物生理信息，并将数据可靠传输到上位机管理系统。上位机管理系统首先对数据进行处理，并将数据写入数据库，还可通过Ｗｅｂ系统在线展示和发布。长时间运行测试表明，系统性能稳定可靠。

　　关键词：物联网；精准农业；透彻感知；无线感知网络

　　１引言

　　精准农业（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）是现代高新农业技术发展进程中为减少农业生产中的盲目投入、节约成本并增加产量、提高农资利用率、减少环境污染、阻止生态环境的进一步恶化而提出的新举措［１］。其核心思想是获取农田小区作物产量和影响作物生产的环境因素（如土壤结构、土壤肥力、地形、气候、病虫草害等），分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，对作物栽培管理实施定位，改定量投入为变量投入［２］。精准农业是在现代信息技术、作物栽培管理技术、农业工程装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代生产形式和管理模式，是当今世界农业发展的潮流，也是未来农业发展的趋势。在精准农业实施中，作物的生长信息和环境信息的准确实时获取是关键。高密度的、全面的农业信息获取是精准农业实施的前提。针对当前农业信息采集系统存在的参数不全面、实时性差等问题，设计了本信息采集系统［３～５］。

　　２系统功能与结构

　　我国农业信息化技术的高速发展为精准农业实施奠定了基础，物联网作为现代信息技术发展的产物，更是为农业生产及环境信息的获取提供了有力工具和可靠保证。物联网是“万物沟通”的，具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的连接物理世界的网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体的连结，将网络技术延伸到了任何需要实时管理的物与物之间。与常规技术相比，物联网以其更透彻感知功能，极大提高了人类感知世界的能力；以其更全面的互联，增强了人类远程认知的能力；以其更深入的智能化，提高了人类与世界和谐相处的能力。物联网的功能特点，为精准农业相关信息的全面、可靠、深入、广泛感知提供了可靠保障［６～１１］。２．１系统结构基于物联网的精准农业信息感知系统由感知层、传输层及智能处理层组成。其中，感知层由众多感知节点组成，众多感知节点通过无线连接组成了无缝感知网络；传输层由传输节点组成，可根据需要设置传输节点数量；智能处理层完成信息的显示、存储、分类及智能处理。系统整体结构如图１所示。

　　由图１看出，感知层采用了典型的分簇型网络结构。网络由Ｓｉｎｋ节点、簇头节点和感知节点三种类型的节点构成。Ｓｉｎｋ节点作为感知层的网关节点，簇头节点通过单挑或多跳路由方式与Ｓｉｎｋ节点进行数据通信。感知节点是实现信息感知的基本功能单元，并把感知信息通过无线传输向簇头传送。

　　２．２感知节点硬件设计

　　根据国际电信联盟的建议，感知层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态／动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识，并针对具体感知任务，采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制［１２］。感知节点是物体属性及环境感知任务的承担者。首先是完成物体所处环境信息的感知，还要对物体属性进行感知。感知节点还具有ＧＰＳ定位及无线传输功能。分析感知节点特性，设计感知节点结构如图２所示。感知节点设计采用了模块化结构，以信息感知主板为核心，根据需要辅以相应功能模块。信息感知主板的微处理器选用了具有超低功耗、片上资源丰富、指令执行速度快的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９。微处理器除带有８个ＡＤＣ转换接口外，另还具有５个８脚的ＩＯ接口。均辅以１０脚的标准插座（１脚和１０脚分别连接地和电源），可通过排线连接需要的传感器件。

　　3感知节点软件设计

　　感知节点主要完成信息的感知和传输。采用了被动感知信息方式，感知节点接收到采集命令后，继而完成信息采集及转发任务。即感知节点的微处理器接到采集任务后，首先进行信息的采集和处理，处理好的数据由无线传输模块把信息转发给传输节点，并由传输节点传输到上位机。微处理器与无线模块间通讯采用了通用串行异步协议通讯方式，并在无线传输中定义了统一的数据收发协议。软件流程如图７所示。

　　４上位机软件系统设计

　　上位机软件系统主要完成数据接收、数据存储及数据处理功能。系统采用ＪＡＶＡ开源框架开发，系统使用ＭＶＣ三层设计模式，即：ＪＳＰ＋Ｓｅｒｖ－ｌｅｔ＋ＪａｖａＢｅａｎ。即ＭＶＣ把一个应用的输入、处理、输出流程按照Ｍｏｄｅｌ、Ｖｉｅｗ、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ的方式进行了分离，一个应用被分成了模型层、视图层、控制层三个层次。Ｓｅｒｖｌｅｔ为ＭＶＣ的控制层，担当主要逻辑控制。通过接受ＪＳＰ传来的用户请求，调用以及初始化ＪａｖａＢｅａｎ，然后通过ＪＳＰ传到客户端。ＪａｖａＢｅｅｎ为ＭＶＣ模型层，担当配合ＪＳＰ以及Ｓｅｒｖｌｅｔ来完成用户的请求。ＪＳＰ为ＭＶＣ视图层，担当接受与响应客户端。其实现的流程为：客户发送请求给控制器Ｓｅｒｖｌｅｔ，Ｓｅｒｖｌｅｔ根据请求实例化模型组件，进行存储数据和业务逻辑操作，操作结果返回给ＪＳＰ，ＪＳＰ再把信息解析给客户。数据库采用Ｍｙｓｑｌ５．０设计，并通过Ｔｏｍｃａｔ服务器在线发布。等用户登录之后，即可查看实时及理事数据。其流程如图８所示。数据处理中，还开发了大田生姜自动精准灌溉决策模型。参照该模型，系统可根据感知到的环境信息及生姜生长信息，自动进行生姜浇灌处理。

　　５结束语

　　基于物联网的透彻感知及可靠传输技术设计了农业信息感知系统。系统由感知层、传输层及智能处理三层组成，其中感知层中的感知节点通过标准接口与传感器进行连接，可根据需要连接不同类型的传感器，方便实现不同类型信息的透彻感知、可靠传输及智能处理。系统开发成功后，长时间大量实验表明，系统运行稳定可靠、维护方便，易于扩展，具有较高的推广应用价值。

　　参考文献：

　　［１］王煕，于玲，杜向军．精准农业液体施肥变量控制技术要点［Ｊ］．农机化研究，２００６（１１）：５－７．

　　［２］汪懋华．精细农业的实践与农业科技创新［Ｊ］．中国软科学，１９９４（４）：２１－２５．

　　［３］高晓燕，汤楚宙，吴明亮．变量播种技术在精细农业中的研究现状与发展前景［Ｊ］．企业技术开发，２０１１，３０（５）：１－３．

　　［４］匡丹，袁国良．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的精准农业中监控网络［Ｊ］．信息技术，２０１０（８）：１４３－１４５．

　　柳平增１，２，孟祥伟１，田盼３，邓振民１，王文山１，王玉存１，毕树生２

《基于物联网的精准农业信息感知系统设计》

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