基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙文星++吳至境++劉德力

摘要：針對果園環(huán)境智能監(jiān)測的需求，設(shè)計了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球、土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和遠(yuǎn)程控制中心組成，能夠?qū)麍@農(nóng)場內(nèi)土壤溫濕度、葉面濕度、空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽輻射、紫外線輻射、雨量、大氣壓力等進(jìn)行實時在線監(jiān)測，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并用各種圖表格式顯示出來。經(jīng)過2年多的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：果園環(huán)境監(jiān)測；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；智能監(jiān)測

中圖分類號： S126；TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0391-04

物聯(lián)網(wǎng)作為一個新經(jīng)濟(jì)增長點的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，具有良好的市場效益，廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，能夠有效地控制農(nóng)作物的生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全[1-2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用，就是運用各類傳感器、RFID、視覺采集終端等感知設(shè)備，廣泛地采集大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等領(lǐng)域的現(xiàn)場信息；通過建立數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種現(xiàn)代信息傳輸通道，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度的可靠傳輸；最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合、處理，并通過智能化操作終端實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流、電子化交易，進(jìn)而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)[3]。在現(xiàn)代果園農(nóng)場中，實現(xiàn)果園數(shù)字化、信息化是未來發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)果園環(huán)境智能監(jiān)測有利于增強(qiáng)柑橘產(chǎn)業(yè)決策和管理能力[4]，對環(huán)境、土壤和果樹信息進(jìn)行智能監(jiān)測預(yù)測具有重要的意義。

1果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用于全國首家果園精準(zhǔn)生產(chǎn)示范基地，即江西千里山（通津）種植基地。果園智能監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]如圖1所示，包括5個部分：網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球、土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和遠(yuǎn)程控制中心。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)傳輸和智能高清的特點，白天自動聚焦提供清晰圖像，晚上能利用紅外燈進(jìn)行圖像的清晰識別[6]。土壤節(jié)點和環(huán)境節(jié)點均擁有各種傳感器、低能耗微處理器和短距離無線通信模塊，負(fù)責(zé)感知信息參數(shù)并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送往網(wǎng)關(guān)節(jié)點；網(wǎng)關(guān)節(jié)點電源充足，容量較大，通信能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點采集的信息至遠(yuǎn)程控制中心；遠(yuǎn)程控制中心接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，再進(jìn)行分析處理智能顯示，同時下達(dá)動作指令。

2設(shè)備開發(fā)

2.1網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球

網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球由景賽AC24V3A專用適配器供電，采用海康威視高端智能球。在網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球中內(nèi)置云臺，云臺由運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、定位準(zhǔn)確的精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，再加上精巧的機(jī)械驅(qū)動裝置，支持水平360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣就可以按照用戶的意愿，實時調(diào)節(jié)角度，實現(xiàn)預(yù)置點定位、自動翻轉(zhuǎn)、巡航掃描和花樣掃描等功能[6]。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，支持服務(wù)器端本地回放，同時也可以編碼成H.264標(biāo)準(zhǔn)的信息流存儲在本地服務(wù)器的硬盤和發(fā)送至遠(yuǎn)程客戶端。遠(yuǎn)程客戶端登入到服務(wù)器端，通過轉(zhuǎn)發(fā)的方式訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球，遠(yuǎn)程客戶端在內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的協(xié)助下通過UDP打洞的方式訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球。通過訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球?qū)崿F(xiàn)云臺、智能球的遠(yuǎn)程控制。

2.2土壤節(jié)點設(shè)計

圖2為土壤節(jié)點的結(jié)構(gòu)。土壤節(jié)點主板主要包括MCU微處理器，nRF2401無線通信模塊，溫度、水分、葉面濕度以及模擬量采集電路，實時時鐘模塊，UART模塊，F(xiàn)lash模塊，電源模塊等[7]。土壤節(jié)點配備了4個溫度傳感器、4個濕度傳感器和1個葉面濕度傳感器。4個溫度傳感器和4個濕度傳感器位于土壤10、20、40、60 cm的深度。通過預(yù)先設(shè)定8個不同的ID，將采集的土壤環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。土壤溫度傳感器是由2根長4.6 m線引出的銀灰色不銹鋼探頭組成，該探頭的不銹鋼端長64mm，用于測量空氣溫度、土壤溫度和水分溫度。土壤濕度傳感器是Irrometer公司的電阻型傳感器，通過間接標(biāo)刻度的方法來測量土壤濕度。葉面濕度傳感器由低壓雙勵磁電路和電導(dǎo)率檢測電路組成的傳感網(wǎng)，用于檢測植物表面的水分和計算濕度持續(xù)的時間。圖3為土壤節(jié)點傳感器的細(xì)節(jié)圖。

2.3環(huán)境節(jié)點設(shè)計

環(huán)境節(jié)點主板與土壤節(jié)點基本相同，不同的是傳感器類型不同。環(huán)境節(jié)點可以監(jiān)測空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、太陽輻射、紫外線輻射等參數(shù)。除了采集的信息參數(shù)不同，環(huán)境節(jié)點的軟硬件設(shè)計與土壤節(jié)點是一樣。在此不再重述。

2.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點在整個監(jiān)測系統(tǒng)中具有重要作用，距離中央計算機(jī)300 m。網(wǎng)關(guān)節(jié)點由轉(zhuǎn)發(fā)器、開關(guān)電源、串口服務(wù)器、蓄電池和交換機(jī)組成。所有設(shè)備都放置在防塵、防水IP67防護(hù)等級的野外密封防護(hù)箱里。轉(zhuǎn)發(fā)器通過短距離無線模塊與土壤節(jié)點和環(huán)境節(jié)點通信，實現(xiàn)柑橘土壤信息、果園環(huán)境信息和柑橘信息的實時采集，傳輸至控制中心達(dá)到信息存儲的目的。圖4為轉(zhuǎn)發(fā)器安裝配置圖。圖5為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖。

3控制中心設(shè)計

控制中心通過串口服務(wù)器與現(xiàn)場的傳感網(wǎng)絡(luò)連接。為了安全控制中心采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用程序分為客戶端和服務(wù)器端。客戶端負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶要求服務(wù)并將需要服務(wù)的內(nèi)容申請至服務(wù)器，同時將服務(wù)器返回的內(nèi)容反饋給用戶。控制中心通過服務(wù)器端構(gòu)建MySQL數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端正常是市電供電，當(dāng)正常交流供電中斷時，控制中心采用了UPS供電，將蓄電池輸出的直流變換成交流持續(xù)供電的電源設(shè)備。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定安全的運行，控制中心在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建了一個網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，采用了防火墻。

4系統(tǒng)測試與應(yīng)用

系統(tǒng)部署在經(jīng)度115°54′，緯度28°54′，海拔260 m的萬安果園農(nóng)場。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球測試預(yù)置點、自動聚焦、日夜模式、三維智能定位和巡航掃描等功能。

在安裝到江西千里山果園之前，還需要做如下測試[8]：（1）能量供應(yīng)測試；（2）硬件功能和數(shù)據(jù)傳輸測試；（3）串口服務(wù)器-控制端之間信號測試；（4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點-環(huán)境節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點-土壤節(jié)點的通信測試。

系統(tǒng)利用視頻監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了果樹生長、營養(yǎng)狀況、病蟲害等信息的遠(yuǎn)距離動態(tài)監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球的監(jiān)測情況如圖6所示。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了果園氣象要素的遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測。氣象要素有風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、雨量、大氣壓力、太陽輻射等。圖7為氣象要素實時信息。

果園環(huán)境采集的數(shù)據(jù)包括室外溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力、UV指數(shù)、葉面濕度、葉面溫度、雨量、不同深度土壤的溫濕度、露點、風(fēng)寒指數(shù)和熱指數(shù)等。圖8為2014年1月1日的室外溫濕度和土壤節(jié)點信息圖。從圖8可以看到，室外溫度變化平穩(wěn)，在14：00稍有升高，基本穩(wěn)定在20 ℃左右；室外濕度從上午11：00開始下降至18：00達(dá)到最低，后緩慢回升至90%；葉面溫度基本維持在20 ℃左右；葉面濕度12：00—20：00為0，其他時候基本維持在15 cb；不同深度土壤的溫濕度不同，土壤節(jié)點深度為10、20、40、60 cm濕度分別基本穩(wěn)定為22、14、11、8 cb；土壤溫度不同深度各不相同。影響室外溫濕度和土壤節(jié)點信息的因素是前段時間連續(xù)大雨甚至暴雨引起土壤濕度有明顯差異，后天氣晴朗照射在土壤上引起不同深度溫度不同。

5結(jié)束語

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在江西省萬安柑橘園投入試用，系統(tǒng)實現(xiàn)了土壤、環(huán)境和柑橘信息遠(yuǎn)距離實時獲取、控制和管理，具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點。綜上所述，監(jiān)測系統(tǒng)的功能如下：（1）土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點形成傳感監(jiān)測網(wǎng)。（2）土壤節(jié)點存儲土壤的溫度、濕度、葉面濕度等信息，并以數(shù)據(jù)包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。（3）環(huán)境節(jié)點監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、降雨量、太陽輻射和紫外線輻射，并以數(shù)據(jù)包的形式轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。（4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點將匯聚的數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器傳輸至控制中心。（5）系統(tǒng)安全與自修復(fù)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚世鳳，馮春貴，賀園園，等. 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（7）：190-193.

[2]Wang N，Zhang N Q，Wang M H. Wireless sensors in agriculture and food industry—Recent development and future perspective[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1-14.

[3]李道亮. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]劉燕德，周衍華，趙文星，等. 數(shù)字化果園信息采集方法的研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2014，35（2）：25-28.

[5]Lopez Riquelme J A，Soto F，Suardiaz J，et al. Wireless sensor networks for precision horticulture in southern Spain[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2009，68（1）：25-35.

[6]劉燕德，趙文星，劉德力. 數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：371-373.

[7]劉燕德，趙文星，周衍華，等. 基于果園環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2013，21（17）：27-29，33.

[8]Rosiek S，Batlles F J. A microcontroller-based data-acquisition system for meteorological station monitoring[J]. Energy Conversion and Management，2008，49（12）：3746-3754.黃慶林，張立新，焦玉聰，等. 基于RFID技術(shù)的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（5）：395-400.