1 引言
进入21世纪,如何利用最新信息技术加快我国智能农业的发展,是我国农业发展的关键课题。随着计算机技术,网络信息技术和传感器技术的飞速发展,物联网技术不断地的成熟和完善,给现代化农业各领域带来新的发展模式和核心技术[1]。智能农业是在现代信息技术影响下的一个新的农业模式。信息技术正在影响传统农业产业链的各个环节,加快我国农业从传统模式到现代化智能农业的发展的进程。物联网技术利用其“感知,传输,控制”为一体的智能化综合处理系统为我国传统农业提供智能信息技术,提供科学改造模式和现代化经营理念。智能农业是我国传统农业发展的必经途径和重要战略。我国的农业信息化建设已经影响农业生产的各个环节,开发农作物智能监控系统具有深远的意义。它会对我国传统农业升级有一定的推动作用,也为农业智能化发展提供一个新的平台。
2 物联网技术与现代农业发展
继计算机网络,互联网之后,物联网带来了第三次信息革命,世界信息产业翻开了新篇章。物联网是以感知为获取信息途径,以移动网络,互联网等网络传输为信息传递和交互路径,以计算机为信息处理的核心,实现人对物理世界信息的感知和监控。物联网技术是把物理世界中的物体进行标识,对其感知,然后利用智能接口与计算机,显示设备,决策终端等进行连接,信息双向反馈实现自我控制和决策控制。在感知终端,运用无线通信,自组网实现多目标同时感知,提高信息采集效率,加强“物物”之间的有效互联。农业生态环境是一个开放复杂的生态体系。这个体系包含光照强度,空气湿度,土壤肥料,湿度,CO2浓度,土壤湿度,养分和气压等实时多变的环境因素。物联网技术应用到农业现场物联网智能监控系统运用近距离无线传感技术,互联网远程通信技术,对现场的复杂多变的农作物生长信息进行实时采集和传输。把物联网技术融合到农业现场的信号采集中,初步形成了物联网的初步构架。物联网智能检测技术不仅涉及到如何构造传感监测网络的问题,更为关键的是利用计算机终端对农业现场的因素进行自主控制和实时反馈,从而对农作物生长进行实时的监控,达到实时监控,科学养殖和预防灾害等目的。
3 农业物联网技术
3.1 农业物联网的感知层
农业传感器的设计和选择需要满足几个要求:1.一致性与适应性要强。智能农业实质是通过一个完整闭环的控制系统来调控农作物生长的环境因素。所以传感器的性能必须和整个系统协调适应,所以传感器的响应时间间隔,灵敏强度要尽量统一,这样才可以使整个系统快速反应并达到最高效率。2.结实耐用并且稳定性高。农业所处环境是一个复杂的自然环境,自然因素使其现场环境恶劣多变,所以传感器系统必须耐用结实。3.经济适用。农作物种植环境一般面积巨大,所以对传感器的需求量也很大,按照农作物的生产特点,单位面积利润并不高,所以要求传感器成本低,性价比高。下面对几种常用的传感器进行介绍。光照强度传感器:植物的生长发育需要其本身的光和作用,所以控制其光照时间长度和光照强度就非常重要。现在较多选择光硅电池和光敏二极管,因为其稳定性强和线性的光照特性曲线。温度传感器:温度是农作物生长的最关键的因素之一,直接影响农作物的光合作用和营养物质的吸收。目前主要使用虚拟温度传感器,模拟温度传感器,智能温度传感器。模拟温度传感器测量误差小,响应速度快,传输效率高,价格低廉,特别适合在农作物生长环境中,较常用的有LM35,AD600等型号。土壤水分传感器:土壤水分对农作物的生长有极其重要的意义,因为它影响土壤中微生物的生长规律,制约着养分的溶解和植物对水分吸收,是土壤肥力的关键因素,又因为水资源的珍贵,用水分传感器可以节约用水提高灌溉效率。水分传感器有压阻水分传感器,陶瓷水分传感器,高分子传感器。现在比较常用的是压阻水分传感器,如3.3MPX系列,sintek系列等[2]。
3.2 农业物联网的传输层
物联网农业系统在传输上采取不同的网络方式。近距离通讯采用RS485传输方式和Zigbee传输模式,远距离传输采用3G无线网络传输方式。无线传感网络WSN(Wireless Sensor Network)是融合了分布式信息处理技术,传感器技术,嵌入式计算机技术和无线传输技术,它能够互相协作的实事感知,监测环境和对象的信息,并对信息进行计算和分析,在运送到需要这些信息的用户。WSN(无线传感网络)由许多传感器节点组成。每一个传感器由数据处理装置,数据采集装置(A/D转换器,传感器)和控制模块(存储器,MCU),通信装置(无线收发器)和供电装置等组成,如下图1所示。每个节点在网络中可以充当数据中转点或类头节点(Cluster Head Node)的节点应用。作为数据采集装置,数据采集装置采集周围环境的数据信息(光照强度和湿度等)。传感器网络节点框图通过路由协议将数据传给远方的基站(Base station);作为数据中转,节点除了完成数据采集,还要收发力矩节点的数据,然后再将其发送到更近的节点或基站;类头节点负责采集该范围内所有节点的数据,经过汇合发送到汇节点或基站。
3.3 WSN(无线传感网络))协议
在网络通信中,传输协议是非常关键的因素,优秀的协议有助于网络的强壮和稳定的传输,所以协议的选择对整个网络的的性能非常重要。在WSN中,非规则在农业环境中散落的传感器节点,采用的是自组建的网络建设模式。研究结果说明,传感器网络与传统的网络有着不同技术要求重点。前者以数据采集为中心,后者以数据传输为重点。一些HDHOC算法并不完全适合于WSN中,于是就有了适合自己的传输协议和路由算法。下面介绍WSN的重要协议:
ZigBiee是一种最新流行,近距离,低功耗,低复杂度,低成本的无线网络传输技术。它是一种介于蓝牙和无线标记技术的传输提案。它主要用于距离较近的网络传输,根据802.15.4标准,在数千记的传感器之间进行协调通信。这些传感器通过ZigBee将信息以接力的方式从一个传感器传到另一个传感器上,传输效率很高最适合农业复杂多变的环境。
3.4 WSN的电能问题
在农作物生长环境中,传感器分布多且距离较远,并且要进行数据处理和监控等活动。而且在WSN中一般采用电池供电,电池的电量非常有限,而且对于数以千计的传感器来说更换电池极其困难,并且可以说是不可能完成。在这样的条件下,却要求传感器使用数年之久,因此在保持其功能的前提下,尽可能让WSN节省用电电量,成为WSN硬件设计的时候的关键环节。现在介绍几种常用的方法:1.优化操作系统。在任务调动的过程中,对耗能进行主动的管理,在调度算法的过程中对耗能进行预测,从而达到延长系统生存时间的目的[3]。2.采用低耗电量的微处理器,在非工作状态下出去STOP模式,暂停所有的时间响应,PLL也停止工作,此时电量仅仅消耗在微处理器的漏电电流量,电耗达到最少的状态。3.在无线收发电路处于空闲时,尽可能将其停止,处于空闲状态。
3.5 物联网农业系统控制终端
物联网系统控制终端是整个系统的核心,收集信息终端发送的信息并进行处理,结合智能算法和专家系统对现场设备进行自动控制。接收信息的方式有很多种,既可通过无线网络关节点直接采集信息,也可以通过GPRS网络实现接收信息。智能端口通过RS232接口实现与上位机的信心传输,可以通过上位机实现现场设备的自动控制。数据采集的核心是嵌入式系统,以计算机技术为基础,以应用为中心,由嵌入式微处理器,嵌入式操作系统及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其余设备的监控,控制和管理功能。同时,嵌入式系统对现场采集的数据进行打包与编码,实现数据的组包传输,提高数据的传输效率。
系统上位机的软件设计:上位机软件包含用户和系统的接口。通过上位机软件远程向无线传感器网络发送指令,并通过软件获取设备的信息和数据。上位机部分包括:用户控制接口设计;数据的显示和处理;GPRS模块设计[4]。GPRS是远程通信的核心,是联系远端ZigBee和上位机的网络线路。控制接口需要解决用户通过软件控制ZigBee网络设备的任务进程,并将数据信息储存在数据库里。显示接口是将数据库的数据以比较合理的方式呈现出来。上位机软件是用 Window XP操作系统。使用基于MFC类库的程序,使用VS2008为编程工具。图2是上位机软件结构。
4 结束语
本文介绍物联网技术在智能农业领域的开发与应该用。围绕物联网的“感知,传输,应用”的三个方面分别介绍了传感器的选择和设计,无线网络传输的设计和组成和控制终端的设计与要求。应用物联网技术可以改变传统的信息采集模式,并在农业专家知识数据库的帮助下进行科学化,智能化管理。物联网技术的应用为精准农业的发展指明了一种可持续发展的模式[5]。通过智能化,科学化管理提高农作物的产量和品质,对我国农业发展有一定的促进意义。
参考文献:
[1] 金攀.用物联网提升现代设施农业[J].农机市场,2010,(3):27-28.
[2] 余华,孙艳红,车银超等.无线传感器网络在现代农业中的应用[J].安徽农业科学,2010,(4):2172-2174.
[3] 曹红兵,魏建明,刘海涛.无线传感网中多传感器特征融合算法研究[J].电子与信息学报,2010,(1):166-171.
[4] 管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术,2010,(3):24-27.
[5] 孙忠富,杜克明,尹首一等.物联网发展趋势与农业应用展望[J].农业网络信息,2010,(5):5-8.
作者简介:聂洪淼(1986-),男,研实员,研究方向:计算机。