精準農業領域傳輸層優選模型的設計與實現

王筱東 龔駿毅 韋光亮 李正

(廣西慧云信息技術有限公司,廣西南寧 530031)

精準農業領域傳輸層優選模型的設計與實現

王筱東 龔駿毅 韋光亮 李正

(廣西慧云信息技術有限公司,廣西南寧 530031)

精準農業作為當今世界農業發展的趨勢,通過與“物聯網、云計算、大數據”等信息技術的融合,實現農業生產標準化、規模化、智能化。本文基于我國農業現階段特點和IT行業技術成熟情況,針對傳輸層模型進行探索和優化,提出了應用于精準農業的設計方案,設計對比多種組網傳輸方式,給出了系統體系結構和核心硬件架構等。

精準農業 傳輸層優選 網絡架構

1 引言

精準農業是當今世界農業發展的趨勢，通過將“物聯網，云計算，大數據”等信息技術運用于傳統農業生產，針對不同產區與作物，定位、定時、定量地實施一整套現代農業操作技術與管理，其主要目的在于根據農作物生長狀況和生長環境，智能地調節各環節投入物，以最合理的投入達到最高效的收入，并改善環境，取得經濟效益和環境效益。要搭建一套精準農業管理系統，在系統架構上應分為“感知層，傳輸層，應用層”三個層次，其中傳輸層是保障數據即時安全傳遞的關鍵，面對當前各種主流通信技術，如何根據精準農業的具體應用場景優化選擇，有效搭配，是本文要論述的主要內容[1]。

2 傳輸模型

本文通過研究多種通信傳輸模式，針對我國農業生產環境與傳輸數據的具體需求，對精準農業管理系統中的傳輸層進行梳理歸類，目的是為我國精準農業管理系統的研發與應用提供一套低成本、高效率、易推廣的傳輸層優選模型。一套精準農業管理系統通常由傳感器、網關、通信網絡以及軟件系統構成，在網絡結構上多采用傳感內部網絡+外部傳輸網絡的復合結構體系，增強系統的可用性與可擴展性。人們通過在農業生產現場部署大量傳感器并組成傳感網絡，實時監測微小的氣候變化，土地墑情及農機狀況，并通過攝像機遠程觀測農作物生長情況；所有數據匯聚到網關并通過外部網絡將數據傳輸到后臺軟件集中處理，最終實現農產品生產的全程精細監控，幫助提升土地單產(如圖1)[2]。

圖1

圖2

3 組網傳輸方式

在上述模型中，我們列出了目前在“傳感內部網絡+外部傳輸網絡”的復合結構體系中普遍使用的多種組網傳輸方式，接下來我們就其中最為主流的幾種方式進一步深入論述：

3.1 Zigbee

ZigBee技術是一種新興的低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要應用于近距離無線連接。ZigBee技術支持地理定位功能，它無需注冊，傳輸距離可以從標準的75m到擴展后的幾百米，超高頻Zigbee模塊的傳輸距離達2千米，傳輸速率根據不同頻率也分為250kbit/s到40kbit/s。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和最低成本的技術，模塊一般處于休眠模式，經過15MS轉入發射模式后功耗也僅為1mW。同時，由于ZigBee技術的低數據速率和自組織網絡的特點，也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務[3]。

3.2 Wi-Fi

WIFI中文譯為“無線保真”，是一種可以將個人電腦、手持設備等終端以無線方式互相連接的技術，事實上它是一個高頻無線電信號。雖然由無線保真技術傳輸的無線通信質量有待改進，數據安全性也比藍牙略差，但傳輸速度非常快，傳輸距離約為10M以內，非常符合個人和社會信息化的需求。無線保真最主要的優勢在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要。

圖3

表1

3.3 Bluetooth

藍牙是一種支持設備短距離通信的無線電技術，能在移動電話、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段，其數據速率可以達到1Mbps。藍牙技術的出現，為各種移動設備和外圍設備之間的低功耗、低成本、短距離的無線連接提供了有效途徑。

3.4 RS-485

RS-485是工業設備中常用的通訊方式，RS-485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。RS-485抗共模干擾能力增強，抗噪聲干擾性好，在100KbpS的傳輸速率下，可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。由于其特點實施簡單方便，因此RS485被廣泛用于工業現場的各類儀表

3.5 GPRS

GPRS是GSM移動通訊網絡中的移動數據傳輸方式。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包(Packet)式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，而非整個頻道，所以其使用成本較為低廉，且傳輸速率可達56Kbps甚至114Kbps。由于使用了“分組”的技術，采用GPRS傳輸移動數據可以免受斷線的痛苦，保障了數據傳輸的實時性與穩定性，非常適合傳感器這樣單位時間內數據量較小、穩定性要求較高的傳輸通信[4-5]。

4 適用場合對比(表1)

5 傳輸層優選

根據多年的實踐經驗，我們發現在實現精準農業的道路上，傳統農業生產的特點決定了現有的基于有線的農業管理系統存在著諸多問題，農業生產環境中往往會面臨地域分布廣、網絡電力基礎落后，防雷防鼠設施缺乏等因素，而如何利用現有的有線、無線技術進行綜合組網則成為了目前解決數據傳輸的首要問題。綜合利用有線和無線的物聯網精準農業系統更具發展潛力，無線網絡具有較高的適應性、抗干擾能力強、擴展能力好等特點，而且功率譜密度低，低功耗的模塊非常適應各類生產現場；有線網絡具有穩定性高、承載性較強、成本低等特點，但是對于偏遠的農業生產基地布線則較為繁雜；利用上述特點，優化針對農田信息采集和管理為目的綜合組網方式，實現農田信息的穩定、實時傳輸，同時給用戶提供更多的決策信息和技術支持，實現整個系統的遠程管理。

6 傳感內部網絡

農業生產現場基本位于偏遠、基礎設施落后的地方，監測范圍較大而且現場環境多變。傳感器單次采集數據量較小，但是對于傳輸的穩定性、實時性要求較高。如果我們采用有線的RS-485方式進行傳輸，不僅花費成本巨大，而且建設、后期維護(防雷、防鼠等)都較為困難；藍牙和WIFI雖然較為穩定，而且傳輸速率較高，但是傳輸距離較近，對于大面積的農田環境監測無能為力，ZigBee技術作為一種新興的低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，很好地應對了農業生產現場的種種情況。

大量部署在農田信息采集區域的Zigbee節點組成的自組織傳感器網絡負責監測氣象，土壤等農情信息。每個ZigBee監測網絡有一個路由節點和若干的傳感器采集節點，路由節點具有雙重功能，一是充當網絡協調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數據匯集；二是作為監測網絡與監控中心的接口，與監控中心傳遞信息。由于Zigbee網絡具有自動組網功能，路由節點一直處于監聽狀態，因此新添加的傳感器采集節點會被網絡自動發現，這時采集節點會把節點的信息送給路由節點，由路由節點進行編址并計算其路由信息，更新數據轉發表和設備關聯表等，十分適應大范圍、多樣性的農業生產現場。

7 外部傳輸網絡

精準農業管理系統的外部數據傳輸主要依靠智能網關設備與后臺應用系統建立連接，在移動通訊技術普遍應用以前，主要方式就是通過有線網絡連接互聯網，完成與應用系統的數據交互；但是隨著移動通訊技術的普及，對于那些偏遠的生產現場，無線GPRS傳輸往往是唯一和最優的選擇，GPRS的傳輸速度為9.6K/s，非常適合傳感器這樣單位時間內數據量較小、穩定性要求較高的傳輸通信。應用系統和智能網關之間通過GPRS網絡進行環境信息和控制信息的傳遞，智能網關同時連接ZigBee無線網絡與GPRS網絡，是精準農業管理系統傳輸層的核心設備。

8 大數據傳輸

除傳感數據外，精準農業管理系統通常還會在生產現場部署高清監視器，通過運動導軌和變焦調節負責實時監測作物生長情況，高清監視器將產生大量數據并且需要實時查看，如果仍然采用Zigbee或者GPRS無線通信方式進行數據傳輸明顯不切實際，必須采用網線或光纖等有線傳輸方式。而高清監視器通過NVR匯聚視頻數據后將直接采用有線傳輸的方式接入互聯網，使應用系統可以實時展示農田視頻圖像。（如圖2）

9 智能網關設計

智能網關同時連接傳感內部網絡與外部傳輸網絡，是精準農業管理系統傳輸層的核心設備。通常情況下，智能網關將ZigBee網絡中匯聚到路由節點的數據信息轉發到互聯網進而傳輸至后臺應用系統，同時也負責將應用系統的相關控制信號轉發到對應的傳感器節點。智能網關的數據處理工作任務繁重，資源需求較高，現場工作環境多變，需求多種成熟的網絡通訊協議，外部接口較為復雜，所以我們采用專門為工業前端現場設備設計的STM32開發平臺。專為工業現場設計的STM32平臺采用CORTEX-M3核心，采用高性能核心板即可完成精準監測系統所需的計算要求。根據網絡狀況選配相應模塊讓系統滿足不同層次的應用，同時也極大優化了硬件的測試，系統框圖（如圖3）

10 結語精準農業是當今世界農業發展的潮流，傳輸網絡的合理組建與優化是支撐精準農業技術應用的關鍵。本文基于物聯網技術，提出了適應于中國國情的精準農業管理系統傳輸模型，簡述了該模型體系結構的優化設計，重點研究了傳感內部網絡—基于Zigbee自組網技術和外部傳輸網絡—基于GPRS的移動通訊技術，并根據國內農業生產環境提出了相應優化組合方式及核心設備智能網關的硬件設計，對精準農業管理系統的研發具有指導與參考意義。同時，我們也應該認識到，物聯網技術目前在精準農業方面的應用還受到成本，功耗等因素制約，隨著信息技術的不斷發展，未來精準農業管理系統的應用將越來越廣泛，進一步提高農地單產，提升農民收入，造福于整個社會。

[1]李曉維.無線傳感器網絡技術[M].北京理工大學出版社,2007.

[2]王鈞.Zigbee技術在精準農業中的應用 [M].信息技術,2012.

[3]包長春,石瑞珍,馬玉泉.基于Zigbee技術的農業設施測控系統的設計[J].農業工程學報,2007.

[4]潘明,劉海峰.基于Zigbee技術的精準農業的應用與研究[M].現代農業裝備,2011.

[5]張軍國,賴小龍,楊睿茜,呂靜霞.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究 [M].湖南農業科學,2011.

廣西科學研究與技術開發計劃項目“特色種植監控傳感網絡云平臺”項目合同編號：桂科轉13109073