基于4G技術的智能農業小氣候監測系統

朱偉華, 周文姝

(1. 吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林　132021;2. 海南核電有限公司維修處, 海南 海口　570100)

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基于4G技術的智能農業小氣候監測系統

朱偉華1, 周文姝2

(1. 吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林132021;2. 海南核電有限公司維修處, 海南 海口570100)

針對農業小氣候數據采集和監控的特點,設計了基于4G技術的農業小氣候監控系統。傳感器陣列采用基于蟻群的路由算法提高了節點的能效和利用率。在專有4G傳輸網絡,采用了基于能量的最優路徑算法,提高了頻譜利用率。采取統一的數據格式標準進行傳輸和解析,提高了數據的穩定性和有效性。通過數據傳輸實驗和現場實驗表明,系統可實現農業小氣候的環境數據的有效監控,具有良好的應用價值。

農業小氣候； 監測系統; 4G技術

隨著傳感器技術的廣泛應用,使得農業小氣候的監測成為可能。所謂農業小氣候是指農田、大棚或者果園林地中貼近地表的一些環境參數[1]。比如：空氣的濕度和溫度,地表的濕度和溫度,二氧化碳的濃度以及地表的輻射等。對于農業小氣候的監測有助于農作物的優良生長。

對農業小氣候監測時,可將監控系統分為感知層、傳輸層和應用層[2]。在感知層土壤的濃度和濕度等數據利用各種傳感器采集,而傳輸層則負責所有數據的傳輸。在數據傳輸過程中,由于采集的數據具有復雜、海量等特性,很容易對傳輸信道造成擁堵。因此,采用行之有效的數據傳輸方式是非常必要的。由于4G技術具備傳輸速率快、傳輸數據量大等優點[3],本文提出了一種基于4G技術的智能農業小氣候監控系統。

1　農業小氣候監測要點

在進行農業小氣候監測時不僅需要采集溫度、濕度等環境數據,還需要根據農業人員的要求提供實時動態數據、圖形輔助數據及地理位置等數據。

(1) 準確數據采集。在農作物生長過程中,外部環境因素尤為重要。外部環境因素主要有光照強度、空氣的溫度和濕度、土壤的溫度和濕度、二氧化碳濃度等,需要應用多種類型的傳感器進行數據采集。其中數據的準確采集和傳感器網絡的組網成為關鍵的問題。

(2) 可視化視頻監控。以往農業人員需要查看農作物長勢或者查看病蟲害、風害等情況時往往需要親自到現場查看,無形浪費了人力、物力和財力。可視化視頻監控則解決了這一問題,調整攝像頭云臺多角度旋轉,及時查看視頻信息。

(3) 實時動態信息管理。由于數據的復雜性和海量性的特點,數據的動態管理十分必要。農業人員可一天多時態查看農業信息,及時作出調整,并在數據不滿足要求或者超出要求時發出報警措施。比如：土壤過干時則需打開灌水閥門,濕度過大時則及時關門灌水閥門。

(4) 定位服務。農業人員管理多塊農田信息時,根據多塊農田存的相對位置信息,進行定位服務,及時管理位置信息。

2　系統設計

智能農業小氣候監測系統集成了多傳感器采集技術、控制技術、視頻傳輸技術及計算機控制分析技術于一體[4]。它通過監控中心的智能軟件分析收集到的數據,得到農業作物的生長態勢和作物現場的環境因素,根據作物生長的經驗數據,及時控制農作物生長必需的水、或者營養液等,為農業人員提供不出門即可管理農作物生長態勢。它還可以實現遠程監控管理,方便技術人員在線指導農業操作人員維護設備管理或者作物的給排水等操作。系統整體結構見圖1。

圖1　系統整體結構

在區域性農田中排布傳感器陣列(主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、濃度傳感器等),再利用農業物聯網技術[5-6]感知農田小氣候的主要信息元素。這些信息數據通過專有4G網絡傳輸,數據達到應用層后根據數據的解析規則和特定要求實現數據管理、報表生成或者可視化圖形。

2.1感知層傳感器陣列設計

在大面積農田中,根據區域環境的不同會設置不同類型的傳感器,或者傳感器的位置具有不確定的因素。傳感器節點可根據區域劃分,每個區域設置一個匯聚節點,然后根據節點的多跳技術[7]進行數據匯總。網絡陣列圖見圖2。

在傳感器陣列中,匯聚節點(4G路由節點)將陣列通信范圍內的路由節點作為子節點,而陣列中的路由節點又將各采集節點作為子節點。路由節點作為采集節點的父節點,而匯聚節點又是路由節點的父節點,其通信的特點為子節點只能和父親節點通信,相互之間不能通信。這種“子發父收”的方式稱為簇樹結構[8],其優點在于結構簡單、收發信息明確,而其缺點在于位于樹根部的路由節點可能因為反復收發信息致使能量“衰竭”。任何一個路由節點能量衰竭后都能夠引發該區域信息無法傳輸的后果,即部分數據丟失。此情況下,農業人員無法及時正確看到農作物的整體狀況。由于路由節點信息傳輸的定向性,其行為類似“蟻群”,因此本系統采用基于“蟻群”的無線傳感器網絡路由算法,來解決局部信息缺失的問題。該算法也是本課題的后續研究重點,不再詳述。

2.2專有4G傳輸網絡

通信網絡是整個系統信息交互的中心,交互過程中數據信息量傳輸頻繁,對信息數據的處理具有較高的要求,因此從系統的可擴展性和后續發展性兩方面考慮,使用基于4G技術的專用數據通信網絡。這種專用網絡具備通信范圍廣、組網靈活、按使用實際流量計費、信息通信安全等優點。

2.2.1統一的數據交互格式

在數據傳輸和解析過程中采取統一的數據格式,作為整個監測系統的數據標準。數據格式見圖3。

圖3　數據傳輸、解析格式

其中,幀頭用以信息數據的收發標志。農田編號和區域編號對應著農田的具體位置和農田區域中的具體路由節點,區域編號采用具體的IP地址分配,因此可以通過查詢具體的IP信息來觀測農田內某個區域的具體小氣候信息。圖3中后續幾位則為具體的觀測值,涵蓋了農田小氣候的所有信息元素。

根據數據標準,在監控中心的解析端將對數據進行兩次解析,一是格式解析,二是內容解析。格式解析即為將信息按照圖3格式分成多個片段,之后進行內容解析,將解析到的多個片段的內容具體解讀,確定傳感器陣列,得到最終真實的農田小氣候環境因素。

2.2.2身份驗證體系

在4G專有農業小氣候傳輸系統內,4G用戶和臺式客戶端在內網訪問數據時可以直接應用IP登錄。用外網訪問數據時,采取兩個方面措施:一是系統設置防火墻,對外非法訪問有效攔截;二是采用身份驗證和密碼輸入,確保訪問用戶權益。同時,系統對所有的訪問過程進行跟蹤記錄,包括訪問的用戶名、訪問者的IP、訪問的時間、進行了哪種操作等,方便系統管理員進行信息甄別。

2.2.3抗干擾分析

4G信號傳輸時可能會因多徑效應[9]的影響,造成信號的能量和質量的下降,再者在覆蓋的小區內也會存在同頻干擾等因素[10-13]。為了解決以上因素可能會對傳輸網絡造成影響,本系統采用了基于能量的最優路徑選擇算法,提高了頻譜利用率,有效解決了問題。

3　測試分析

3.1數據測試

為了驗證系統的有效性和穩定性,筆者進行了模擬仿真實驗及現場演示實驗。在數據傳輸實驗環節,分別進行了數據傳輸速率驗證實驗和數據穩定性實驗。在速率驗證實驗中,測試時間為2015年6月10日18:00至2015年6月11日09:30,以3 s的間隔采樣,得到的數據總量為88 Mbit。在為期約15 h的測試時間內,對監測系統的傳輸穩定性和傳輸速率進行了測試,測試結果分別見表1、表2。從表1中可以看出,4G技術在數據傳輸方面有著很大的優勢。從表2中可以看出,4G網絡在數據穩定傳輸方面性能比較優良。在臨近結束時,發現傳感器陣列本身溫度較高,影響了部分數據的傳輸,后續增加散熱裝置后,解決了問題。整體上系統數據的丟包率穩定控制在1%以下,可以滿足要求。

表1　現場文件實時傳輸測試

表2　通信網絡穩定性測試結果

3.2現場實驗

在整體設計和各功能模塊設計的基礎上,完成了基于4G技術的農業小氣候監測系統的平臺。平臺采用C#語言開發,基于SQLserver2008型數據庫建立,采用百度地圖實現。平臺界面如圖4所示。平臺采用田地可視化和相關數據圖形可視化,可查看傳感器地塊、地表信息,傳感器采集、接入、報警信息,隨時生成農業小氣候環境數據報表和圖形。平臺主要包括:基礎數據配置、農業資源4G標準、多源信息同步顯示、數據分析計算、可視化服務及系統管理。圖5為移動終端實時查看感知信息。

圖4　監控系統平臺

圖5　移動終端實時信息感知

4　結語

本文以農業小氣候監控要點出發,提出了基于4G技術的農業小氣候監控系統。同時設計了監測系統的信息平臺和移動終端平臺,并且通過不同的數據配置,系統可推廣至不同的農業場景,例如果園、森林等。

本文在傳感器陣列所采用的“蟻群”算法和4G專有網絡采用的“最短路徑”算法在實際應用中尚不能達到理想狀態,這也是本文后續研究重點。另外,研究團隊與吉林市蛟河林業部門下屬的試驗田進行了合作研究,并進行了實地測試。

References)

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An Intelligent agricultural microclimate monitoring system based on 4G technology

Zhu Weihua1, Zhou Wenshu2

(1. Jilin Technology College of Electronic Information, Jilin 132021, China;2. Hainan Nuclear Power Co., LTD, Haikou 570100, China)

In view of the characteristics of agricultural microclimate data acquisition and monitoring, this paper proposes an agricultural climate monitoring system based on 4G technology. In the sensor array, the routing algorithm based on ant colony is used to improve the energy efficiency and the utilization ratio of the nodes. In the 4G transmission network, the optimal path algorithm based on energy identification is adopted to improve the spectrum utilization. To improve the stability and effectiveness of the data, it adopts a unified data format standard for transmission and analysis. The data transmission experimental and field experimental results show that the system can achieve the effective monitoring of environmental data in agriculture, and has good application value.

agricultural microclimate; monitoring system; 4G technology

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.023

2015- 09- 22修改日期：2015- 11- 09

吉林市科技發展計劃資助項目(2015334004)

朱偉華(1976—)，男，吉林省吉林市，碩士，副教授，主要研究方向為通信技術、嵌入式開發技術.

S162.4;TP273

A

1002-4956(2016)4- 0082- 04