設(shè)施農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控分析

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1農(nóng)業(yè)控制設(shè)施

設(shè)施農(nóng)業(yè)是近年來隨著農(nóng)業(yè)環(huán)境工程技術(shù)的突破，迅速發(fā)展起來的一種集約化程度很高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)是在人為可控環(huán)境保護(hù)設(shè)施下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，擺脫了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下自然氣候、季節(jié)的制約，以超時(shí)令、反季節(jié)生產(chǎn)的設(shè)施園藝作物為主，不僅使單位面積產(chǎn)量及畜禽個(gè)體生產(chǎn)量大幅度增長，而且保證了農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應(yīng)。設(shè)施農(nóng)業(yè)目前已由簡易塑料大棚、溫室發(fā)展到具有人工環(huán)境控制設(shè)施的自動(dòng)化、機(jī)械化程度極高的現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠。設(shè)施農(nóng)業(yè)在具有高附加值、高效益、高科技含量的設(shè)施園藝領(lǐng)域發(fā)展迅速，其栽培對象主要為蔬菜、花卉和果樹。近年來，設(shè)施畜牧業(yè)、設(shè)施水產(chǎn)養(yǎng)殖也在逐漸興起。國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于上世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)階段開發(fā)和研究集中于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)、多數(shù)據(jù)融合技術(shù)等[1，2]。目前，世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。鑒于此，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統(tǒng)（SOC，SystemonChip）、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展形成新型應(yīng)用技術(shù)，融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，具有隨機(jī)部署、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、等特點(diǎn)、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）、傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)組成。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對各節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的收集、處理及與外網(wǎng)的通信，作為數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)網(wǎng)關(guān)的請求，搜集周圍的信息，如溫度、濕度等；同時(shí)還要兼具有路由功能，通過路由協(xié)議直接或者通過作為多跳中轉(zhuǎn)者的節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到sink節(jié)點(diǎn)，再借助臨時(shí)建立的sink鏈路把整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心；管理節(jié)點(diǎn)接收各點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理。各節(jié)點(diǎn)采用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監(jiān)控區(qū)域，并自組織成網(wǎng)絡(luò)。

3硬件設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，各傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取及傳送，管理節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示獲得的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對相關(guān)量進(jìn)行控制。

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信采用基于Zigbee技術(shù)的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)（圖3所示）。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)。Zigbee遵循開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，協(xié)議棧包括物理層、媒質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，支持自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到2km，并且支持無限擴(kuò)展；工作頻率為2.4GHz和868/928MHz，主要面向消費(fèi)電子、家居和樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款基于具有SOC（片上系統(tǒng))，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)，芯片集成了2.4GHz直接序列擴(kuò)頻RF收發(fā)器、工業(yè)級增強(qiáng)型805l微處理核、高達(dá)256KB閃存、8KBRAM、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)USART接口，21個(gè)通用接口GPIO等，四種供電模式，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作溫度為-40℃～+125℃，工作電壓2.0～3.6V，休眠時(shí)功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模塊由可充電電池、太陽能電池和電源管理單元構(gòu)成，確保各節(jié)點(diǎn)長時(shí)間穩(wěn)定工作。

3.2網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示，RS232接口與DM9161芯片[7]連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入；顯示模塊用于通信流量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測，便于網(wǎng)絡(luò)安裝調(diào)試和故障診斷。

3.3檢測參數(shù)及傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

設(shè)施農(nóng)業(yè)中檢測的參數(shù)有溫度、濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分、各種被控對象的開關(guān)量等。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用電池供電，傳感器選擇時(shí)要考慮功耗等因素；另外，不同參數(shù)在測點(diǎn)分布及數(shù)量配置不盡相同，在設(shè)置節(jié)點(diǎn)時(shí)可適當(dāng)整合，在滿足要求的情況下提高復(fù)用率，具體如下：①溫、濕度節(jié)點(diǎn)：用于溫室溫、濕度監(jiān)測，溫度傳感器選用單總線數(shù)字式DS18B20，測溫范圍為-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高達(dá)±0.0625℃，響應(yīng)時(shí)間＜1s。濕度傳感器選擇頻率輸出濕度模塊HF3226，HF3226采用濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造，具有寬量程：10～95%RH，性能穩(wěn)定，體積小，比例線性的頻率輸出，精度±5%RH，工作溫度范圍–40～80℃。②光照度、CO2節(jié)點(diǎn)：傳感器采用PD-LL，測量范圍0-20000lux，精度：±2%。CO2傳感器選擇TGS4160固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件，測量范圍：0～5000ppm；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；使用溫度：-10～＋50℃。③土壤溫度、水分、養(yǎng)分節(jié)點(diǎn)：土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL，適用于測量任何類型土壤的體積含水量，測量范圍：0-100%，誤差<3%，重復(fù)性誤差<1%；土壤養(yǎng)分的測定包括土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測，可采用離子、生物傳感器。④開關(guān)量節(jié)點(diǎn)：包括天窗、濕簾、噴灌等狀態(tài)檢測，提供控制系統(tǒng)輔助信息，可用接近開關(guān)或光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1監(jiān)控系統(tǒng)軟件

監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，基于VC++6.0編寫，采用數(shù)據(jù)庫操作方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，并對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)分為通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)庫管理及歷史記錄查詢模塊、農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)和控制模塊。

4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)連接并承擔(dān)部分路由功能，保持與臨近節(jié)點(diǎn)的通信，檢測鏈路狀態(tài)等。為降低網(wǎng)絡(luò)的平均功耗、實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)組網(wǎng)，可采用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應(yīng)的分簇拓?fù)渌惴╗8]，選舉產(chǎn)生簇頭，由簇頭簇區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)收集和融合并傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)路由選擇等工作。簇頭可動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。

5結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，各傳感器分工協(xié)作，自主組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，具有隨機(jī)部署、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相比于WiFi、Bluetooth等無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，ZigBee協(xié)議的復(fù)雜度大大降低?；赯igBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)簡單、費(fèi)用低、易擴(kuò)展、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。文章提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，順應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。如果對傳感器節(jié)點(diǎn)稍加修改，重新配置，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。