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基于物联网的智慧农业监控系统

发布时间:2018-12-28 01:06:07 文章来源:未来智讯    
    基于物联网的智慧农业监控系统作者:未知   摘要:选取ZigBee技能与3G通讯技能、以太网技能相融合的方式,将各农业基地及其内部相关设备组成一个大型的无线传感网络系统,并根据分布于各个农业基地内部的传感器采集参数,精准掌控各个农业基地的内部状况,实现基地、设备、人之间的远程信息交互,变成一种基于物联网的智慧农业监控系统。经对系统进行实际运作,发现该系统稳定性、远程信息采集交互、可视化及环境调控均达到实际需求,可对大规模农业基地进行实时管理。
  关键词:物联网;智慧农业;监控系统;传感器;采集
  中图分类号: S24 文献标志码: A
  文章编号:1002-1302(2015)03-0376-03
  当前,我国的农业正由小规模种植的个体方式向集约化、大规模基地种植方式发展[1],随之而来如灌溉、施肥、虫害等各种问题也逐渐突显出来。因此,如何对大规模、大面积的农业基地实施高效率、信息化、平安化的科学管理,是一个当务之急需要解决的问题。
  目前,国内农业基地的环境监控大局部选取传统方式,即通过人工手段进行监控,这大大增加了不必要的劳动力开销,降低了事务效率。物联网利用部分网络与互联网等通讯技能,把传感器、抑制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一同,变成人与物、物与物相联,实现信息化、远程管理与抑制的智能化。本研讨在物联网基础上,提出一种智慧农业监测监控系统,通过该系统,用户能够不受空间限制,对大规模农业基地进行环境信息采集,同时又能对其进行可视化的精确调控,从而实现现代农业的集中高效管理。
  1 系统整体方案
  监控系统由3局部组成,即由ZigBee无线网络、嵌入式操作平台、视频监控模块组成的现场监控子系统,由3G传输网络,以太网变成的无线网络子系统及远程监控管理中心(图1)。现场监控子系统通过ZigBee网络,将传感器等设备采集到的数据传输至位于基地的嵌入式操作平台,同时将抑制指令发送给基地中需要抑制的设备;现场监控子系统采集相关环境参数后存入数据库,通过无线网络子系统传输至远程监控管理中心,同时,远程监控管理中心联合现场监控子系统传输的相关参数与视频信息,通过无线网络子系统发出相应的调控指令。
  2 现场监控子系统
  现场监控子系统需要满足实时数据采集、数据存储分析、自动抑制、网络连接等功能。
  2.1 短距离ZigBee网络设计
  作为一种低复杂度、低速率、低成本、低损耗的新兴无线网络技能,ZigBee技能[2]成为一些近距离通讯技能应用的首选。从农业基地角度来看,一般所需要传输的数据类型对通讯速率要求不高,用ZigBee方式取代传统的布线方式有非常的可行性。考虑到一般农业基地均具有多测点、多设备、抑制距离较短的特点,一般选取ZigBee的Mesh组网(网状组网)模式(图2)。Mesh网络由协调节点、路由器和多个终端节点组成,它是一种多跳的网络系统,网络中节点与节点之间能够直接通讯,每一次的通讯都会由一条或多条路由节点进行中继,最后传输给目的节点。
  在基地中,应采用合适的位置放置空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器等。为便于安装与调试,系统选取多合一传感器,以集中测量各种参数,省去多个单一传感器所需的各种配置,使安装更加简易与便捷。该传感器选取标准的Modbus-RTU通信协议,支持RS232与RS485数字量输出。
  传感器将采集到的数据通过ZigBee终端节点传输给路由节点,路由节点将自行选择最优的通讯路径传输给协调节点,协调节点汇聚采集到的数据,传输给嵌入式操作平台,这样即使有一些节点出现故障,也不会影响最后的通讯。事务人员能够通过观测嵌入式操作平台显示的各组传感器数据,作出合理的判断。同时,协调节点负责接收来自嵌入式操作平台的抑制信息,通过路由器节点中继发送给指定的ZigBee终端节点,ZigBee终端节点接收到信息后,通过对与终端节点相连的设备进行抑制,完成灌溉、施肥等一系列操作,其事务流程为:最初初始化网络;然后终端节点将对ZigBee网络进行搜索,搜索到相应的网络之后申请投入;投入成功后起初接收协调节点的数据反馈,并判断是接收传感器的数据还是抑制设备,从而进行相应的操作(图3)。
  2.2 嵌入式操作平台设计
  选取ARM-Linux抑制器模式[3]。硬件局部采用ARM11系列核作为嵌入式抑制器的微处理器,该系列处理器具有处理能力强、本能高、功耗低的特点;软件局部操作系统则选取Linux操作系统,它具有兼容性高、多用户、多任务、界面操作大略、平安性好、支持多种平台等优点。嵌入式系统结构如图4所示,虚线局部为嵌入式系统的软件架构及内置的应用程序。
  嵌入式操作平台基于Linux操作系统建立嵌入式WEB服务器,以满足同远程管理中心浏览器的信息交互。为满足视频等大数据量信息的处理,系统引入轻量级SQLite数据库,便于存储与管理信息,选取通用CGI技能完成WEB服务器与数据库的连接。通过网页与数据库之间的连接,能够将用户的查询要求转换成数据库的查询下令,并将查询结果通过网页返回给远程用户;远程用户能够通过浏览器发送抑制指令,通过CGI传送给与ZigBee协调节点相连接的串口,ZigBee 协调节点由串口接收信息后,将信息发送给对应的ZigBee终端节点,从而实现对设备的抑制。
  ARM-Linux抑制器对参数的采集与对设备的抑制流程为:最初是初始化网络,然后定时采集相关的数据存入SQLite数据库,采集间隔由事务人员决定,最终在WEB上动态的更新数据。一般情况下,系统默认为自动抑制模式,系统选取鲁棒性较高的模糊PID算法[4]对基地进行更加人性化的自动抑制:联合传感器采集到的相关数据,抑制器通过模糊计算推理分析采集到的相关数据;根据分析,发送抑制信号到相关设备,实现对作物生长环境的调控,使基地的环境状况达到最符合作物生长的状态。在接收到远程管理中心的抑制信号,系统会立刻转入手动模式。嵌入式系统抑制流程如图5所示,最初发送ZigBee网络初始化下令;初始化完成后,系统定时采集传感器反馈的数据并同步更新到数据库中,同时,实时反映在WEB页面上;操作人员在观察到实时更新的数据后,判断是否进行手动操作。   2.3 视频监控设计
  选取高清网络云台摄像头模式,既能够现场调节嵌入式平台来抑制摄像头转动,也能够远程操控,它拥有标准的 H.264 压缩算法,支持D1、CIF等2种分别率,符合无线网络;支持水平360度全向转动,安装使用方便;适用于不便布线的局面。
  摄像头将采集到的视频数据经过内置的编码器编码,经由无线网络子系统传输至管理中心,通过管理中心的解码器解码后播放视频。
  3 无线网络子系统
  无线网络子系统选取中国联通3G(第3代移动通讯技能)网络[5]与以太网无缝连接,实现用户的远程监控。随着3G技能的成熟及网络覆盖区域广,3G网络的高抗干扰能力、高兼容性与高数据传输速率,使得它完全能够满足农业基地监测过程中各种数据的传输需求。
  以太网选取专线连接模式,由远程管理中心向网络服务商申请固定的公网IP地址;现场监控子系统接收到相关信息,嵌入式抑制平台通过3G-DTU(3G数据单元)将信息通过3G网络发送出去,经过基站与网络服务器设备实现3G网络与以太网的无缝连接;通过网络服务商提供的固定IP传输至远程管理中心,实现现场与远距离管理中心的连接(图6)。反之,管理中心的相关抑制信息也能够通过该线路向现场监控子系统发布,现场监控子系统接收到抑制信息后,通过一系列信息逆向处理实现最后的远程抑制。
  4 远程监控管理中心
  管理中心由网络接入设备和事务计算机等组成[6],以完成基地现场环境参数信息的采集、存储和显示,同时实现对基地视频远程手动抑制,实现对基地环境参数的远程手动或自动抑制。
  选取B/S(浏览器/服务器)模式[7],远程用户通过预先设计的友善人机界面浏览器登入远端ARM-Linux抑制器,能够通过获取摄像头的视频图像,直观地观察各个农业基地的动植物生长状况;能够通过相关环境参数的显示,客观分析实时状况;能够根据历史数据进行过后分析与未来预测。根据用户对系统的要求,设计以下几个主要的界面:(1)设置历史报表、报警设置、历史曲线等选项,点击对应的按钮,就会弹出对应的界面,用户能够参照相关的界面显示,作出合理的判断,同时每个界面均具有打印输出的功能;(2)对各基地空气温湿度、氨气浓度、土壤温湿度、光照强度等参数作出实时的显示,同时配置施肥器、通风机、二氧化碳发生器、水泵等虚拟装置,用户只需点击虚拟装置,便可实现对远程装置的开关操作;(3)根据各种传感器检测的环境参数,通过监控管理中心对相关参数正常范围的设置,实现农业基地环境参数的自动抑制。系统远程监控5个农业基地的相关参数效果见图7。
  5 结论
  引入目前对照成熟的3G通讯技能,完成智慧农业监控系统整个网络的无缝衔接。本系统目前已经在江苏省沛县现代农业科技示范园加入使用,监控的农业基地覆盖沛县全境。通过研讨和应用证明,该系统只须架构1套监控系统,便能够对处在全国各地所有农业生产基地进行实时监控,实现人、设备之间的信息交互,符合于大规模农业基地的生产管控。基于物联网的智慧农业监控系统,具有非常高的稳定性,可以完成农业生产持续可靠的精准监控,在农业领域有很好的应用前景。
  参考文献:
  [1]刘传玉,郭 强. 论现代农业的发展趋势[J]. 江苏农业科学,2014,42(4):436-438.
  [2]吕 鑫,王 忠. ZigBee无线数据传输模块的设计与实现[J]. 安徽师范大学学报:自然科学版,2010,33(4):332-335.
  [3]尹嘉鹏,徐志祥. 针对少实时任务应用的嵌入式Linux改进[J]. 计算机工程,2013,39(10):49-52.
  [4]杨 智,朱海锋,黄以华. PID抑制器设计与参数整定方法综述[J]. 化工自动化及仪表,2005,32(5):1-7.
  [5]王建峰,黄国策,康巧燕. 4G移动通讯系统及其与3G系统的对照研讨[J]. 西安邮电学院学报,2006,11(5):13-17, 27.
  [6]郭 勇,黄巍巍,王伟朋. 基于以太环网的污水处理系统设计与应用[J]. 仪表技能与传感器,2013(5):60-61, 69.
  [7]王英辉,周凤星. 基于B/S模式的钢企自动化管理系统的设计与应用[J]. 制造业自动化,2013,35(19):72-75.
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