基于物聯網技術的數據采集研究

付吉菊

摘 ? ?要： 目前農作物生長環境的數據采集還不完善，監測不到位，直接影響農作物的產量。本文基于物聯網技術之一的Zigbee技術，進行數據采集，提出了基于Zigbee技術的農作物生長環境框架及設計數據采集應遵循的原則。

關鍵詞： 數據采集 ? ?物聯網技術 ? ?Zigbee技術

我國是一個農業大國，種植的農作物種類繁多，各種農作物的產量直接影響國家的經濟命脈。在各種農作物生長過程中，影響產量最大的因素是生長環境，包括空氣的溫度、濕度、風速、光照時間、強度、二氧化碳濃度等，但是目前一些農作物生長環境的數據采集采用的技術（比如人工采集方式等）對生長環境的監測還不到位，不能及時地發現農作物生長過程中的異常情況，及時地進行調控，對產量的影響很大?；谖锫摼W技術的監測系統是在無線傳感器網絡上構建的，它可以實時地對農作物生長環境及農作物生長狀況進行無損數據采集。

1.物聯網技術

物聯網是物與物相連的網絡，它可以通過一些采集信息的設備（如紅外感應器、射頻識別、激光掃描器、全球定位系統等）與系統進行數據的提取、測量、捕獲、傳遞，并且這種數據的采集具有廣泛性，只要是需要感知和能感知的物體，就可以采集到它的數據，并傳送至服務器，以便監控。物聯網還可以對采集到的數據利用信息處理技術、云計算、數據挖掘技術與分析工具等各種智能計算技術進行數據的智能分析、計算和匯總。物聯網的主要技術包括傳感器技術、Zigbee技術、智能技術、射頻識別技術等，其中Zigbee技術是數據采集的關鍵技術之一。

所謂數據采集系統是利用各種傳感器對監測的各種農作物生長環境的數據進行自動采集，然后將采集到的數據通過數據傳輸技術傳輸到服務器。在對農作物的生長環境進行數據采集時，要力求全面、準確，即數據采集系統要完成對多節點與多區域的數據采集，除了對數據的全面性與準確性要求外，數據采集系統還要對數據自動處理（如匯總、打包等），傳送到服務器。

2. Zigbee技術

Zigbee一詞來源于蜜蜂的舞蹈，當蜜蜂發現食物時，會通過跳舞將信息傳遞給同伴，如食物的位置、食物的數量、食物的方向、食物的距離等，蜜蜂的英文是Bee，蜜蜂跳舞時發出發出嗡嗡（Zig）的聲音，而蜜蜂的這種信息傳遞距離近，低成本，速度不快，這和Zigbee的特點很相似。Zigbee名字由此得來。Zigbee技術是一種無線通信技術，普通的兩節干電池可供Zigbee節點工作幾個月的時間，因此功耗低;Zigbee工作的頻段是免費的，不需要支付費用，用戶只要花兩美元買芯片即可進行開發，因此成本低;Zigbee的節點一般距離在10m～100m之間，因此距離近;Zigbee節點連接進入網絡要30毫秒，因此延時短。在對農作物生長環境的實時監測時會發現，系統需要傳輸的數據數量比較少，對傳輸速率要求不高，終端設備大都采用電池供電，并且要避免有線連接。從以上農作物生長環境監測的特點看，Zigbee技術非常適用。Zigbee協議主要包括物理層、媒體存取控制層、網絡層、應用層和安全層。

圖1 ? ?使用Zigbee技術進行數據采集的框架

針對數據采集的要求，設計的使用Zigbee技術進行數據采集的框架如上圖1所示。

由圖1可知，農作物生長環境數據采集系統分為三個部分，基于星形拓撲結構的Zigbee無線傳感器網絡，物聯網、internet的網絡傳輸，基于WEB的信息管理系統。Zigbee技術的拓撲結構有樹形（即形狀像棵樹）、網形（即形狀像張網）、星形三種。其中，星形拓撲結構如圖2所示：

圖2 ? ?星形拓撲結構

由圖2可知，中心位置為協調器，網絡中的傳輸設備都與協調器有信息傳輸，因此如何組建協調器網絡至關重要。星形拓撲結構呈現輻射狀，數據要通過協調器來傳送，因此比較簡單，設備成本不高。由于農作物生長環境的數據采集范圍廣、采集點多，為了保證采集數據滿足全面、準確的要求，最好采用星形拓撲結構。一個主節點可以與若干個從節點進行通信，最多254個從節點，一個從節點又可連接多個傳感器。從節點上的傳感器采集數據，將數據匯聚到主節點，主節點是網絡的匯聚節點，發揮協調功能，主節點通過網絡將收集到的數據傳輸到WEB信息管理系統。

在設計數據采集系統時遵循如下原則：（1）系統要可靠。在多數情況下，設備都沒有人看守，這就要求設備的可靠性要高，能夠連續工作，不易出錯，能夠安全可靠地采集、傳輸、處理數據。（2）系統要實用。此系統要簡單，容易維護，易于操作，讓大家容易學習、掌握，并熟練地使用它。（3）系統要有適用性。農作物生長環境比較復雜，而且范圍大，因此要求此系統在任何環境下都能正常運行，有一定的適應性。

在對農作物生長環境進行數據采集時，采用基于物聯網技術，尤其是Zigbee技術能夠完成對生長環境各類數據的采集、提取、傳輸、監控等，并且對數據進行智能分析，判斷異常情況。

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項目基金：安徽省科技攻關計劃項目（1301031030）。