摘要：為精準變量播種、施肥、施藥及自動灌溉等的實施，并為科學研究提供全面信息，本文設計了精準農業信息感知系統。系統設計基于物聯網透徹感知、可靠傳輸及智能處理理念，整個系統由無線感知網絡、傳輸節點、ＧＰＲＳ及上位機管理系統等部分組成。其中無線感知網絡由感知終端和傳感模塊組成，并通過標準接口進行連接。系統能實時感知作物生長環境信息及作物生理信息，并將數據可靠傳輸到上位機管理系統。上位機管理系統首先對數據進行處理，并將數據寫入數據庫，還可通過Ｗｅｂ系統在線展示和發布。長時間運行測試表明，系統性能穩定可靠。

　　關鍵詞：物聯網；精準農業；透徹感知；無線感知網絡

　　１引言

　　精準農業（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）是現代高新農業技術發展進程中為減少農業生產中的盲目投入、節約成本并增加產量、提高農資利用率、減少環境污染、阻止生態環境的進一步惡化而提出的新舉措［１］。其核心思想是獲取農田小區作物產量和影響作物生產的環境因素（如土壤結構、土壤肥力、地形、氣候、病蟲草害等），分析影響小區產量差異的原因，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，對作物栽培管理實施定位，改定量投入為變量投入［２］。精準農業是在現代信息技術、作物栽培管理技術、農業工程裝備技術等一系列高新技術的基礎上發展起來的一種重要的現代生產形式和管理模式，是當今世界農業發展的潮流，也是未來農業發展的趨勢。在精準農業實施中，作物的生長信息和環境信息的準確實時獲取是關鍵。高密度的、全面的農業信息獲取是精準農業實施的前提。針對當前農業信息采集系統存在的參數不全面、實時性差等問題，設計了本信息采集系統［３～５］。

　　２系統功能與結構

　　我國農業信息化技術的高速發展為精準農業實施奠定了基礎，物聯網作為現代信息技術發展的產物，更是為農業生產及環境信息的獲取提供了有力工具和可靠保證。物聯網是“萬物溝通”的，具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網絡，實現了任何時間、任何地點及任何物體的連結，將網絡技術延伸到了任何需要實時管理的物與物之間。與常規技術相比，物聯網以其更透徹感知功能，極大提高了人類感知世界的能力；以其更全面的互聯，增強了人類遠程認知的能力；以其更深入的智能化，提高了人類與世界和諧相處的能力。物聯網的功能特點，為精準農業相關信息的全面、可靠、深入、廣泛感知提供了可靠保障［６～１１］。２．１系統結構基于物聯網的精準農業信息感知系統由感知層、傳輸層及智能處理層組成。其中，感知層由眾多感知節點組成，眾多感知節點通過無線連接組成了無縫感知網絡；傳輸層由傳輸節點組成，可根據需要設置傳輸節點數量；智能處理層完成信息的顯示、存儲、分類及智能處理。系統整體結構如圖１所示。

　　由圖１看出，感知層采用了典型的分簇型網絡結構。網絡由Ｓｉｎｋ節點、簇頭節點和感知節點三種類型的節點構成。Ｓｉｎｋ節點作為感知層的網關節點，簇頭節點通過單挑或多跳路由方式與Ｓｉｎｋ節點進行數據通信。感知節點是實現信息感知的基本功能單元，并把感知信息通過無線傳輸向簇頭傳送。

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　　根據國際電信聯盟的建議，感知層的主要功能是通過各種類型的傳感器對物質屬性、環境狀態、行為態勢等靜態／動態的信息進行大規模、分布式的信息獲取與狀態辨識，并針對具體感知任務，采用協同處理的方式對多種類、多角度、多尺度的信息進行在線計算與控制［１２］。感知節點是物體屬性及環境感知任務的承擔者。首先是完成物體所處環境信息的感知，還要對物體屬性進行感知。感知節點還具有ＧＰＳ定位及無線傳輸功能。分析感知節點特性，設計感知節點結構如圖２所示。感知節點設計采用了模塊化結構，以信息感知主板為核心，根據需要輔以相應功能模塊。信息感知主板的微處理器選用了具有超低功耗、片上資源豐富、指令執行速度快的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９。微處理器除帶有８個ＡＤＣ轉換接口外，另還具有５個８腳的ＩＯ接口。均輔以１０腳的標準插座（１腳和１０腳分別連接地和電源），可通過排線連接需要的傳感器件。

　　3感知節點軟件設計

　　感知節點主要完成信息的感知和傳輸。采用了被動感知信息方式，感知節點接收到采集命令后，繼而完成信息采集及轉發任務。即感知節點的微處理器接到采集任務后，首先進行信息的采集和處理，處理好的數據由無線傳輸模塊把信息轉發給傳輸節點，并由傳輸節點傳輸到上位機。微處理器與無線模塊間通訊采用了通用串行異步協議通訊方式，并在無線傳輸中定義了統一的數據收發協議。軟件流程如圖７所示。

　　４上位機軟件系統設計

　　上位機軟件系統主要完成數據接收、數據存儲及數據處理功能。系統采用ＪＡＶＡ開源框架開發，系統使用ＭＶＣ三層設計模式，即：ＪＳＰ＋Ｓｅｒｖ－ｌｅｔ＋ＪａｖａＢｅａｎ。即ＭＶＣ把一個應用的輸入、處理、輸出流程按照Ｍｏｄｅｌ、Ｖｉｅｗ、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ的方式進行了分離，一個應用被分成了模型層、視圖層、控制層三個層次。Ｓｅｒｖｌｅｔ為ＭＶＣ的控制層，擔當主要邏輯控制。通過接受ＪＳＰ傳來的用戶請求，調用以及初始化ＪａｖａＢｅａｎ，然后通過ＪＳＰ傳到客戶端。ＪａｖａＢｅｅｎ為ＭＶＣ模型層，擔當配合ＪＳＰ以及Ｓｅｒｖｌｅｔ來完成用戶的請求。ＪＳＰ為ＭＶＣ視圖層，擔當接受與響應客戶端。其實現的流程為：客戶發送請求給控制器Ｓｅｒｖｌｅｔ，Ｓｅｒｖｌｅｔ根據請求實例化模型組件，進行存儲數據和業務邏輯操作，操作結果返回給ＪＳＰ，ＪＳＰ再把信息解析給客戶。數據庫采用Ｍｙｓｑｌ５．０設計，并通過Ｔｏｍｃａｔ服務器在線發布。等用戶登錄之后，即可查看實時及理事數據。其流程如圖８所示。數據處理中，還開發了大田生姜自動精準灌溉決策模型。參照該模型，系統可根據感知到的環境信息及生姜生長信息，自動進行生姜澆灌處理。

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　　基于物聯網的透徹感知及可靠傳輸技術設計了農業信息感知系統。系統由感知層、傳輸層及智能處理三層組成，其中感知層中的感知節點通過標準接口與傳感器進行連接，可根據需要連接不同類型的傳感器，方便實現不同類型信息的透徹感知、可靠傳輸及智能處理。系統開發成功后，長時間大量實驗表明，系統運行穩定可靠、維護方便，易于擴展，具有較高的推廣應用價值。

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　　柳平增１，２，孟祥偉１，田盼３，鄧振民１，王文山１，王玉存１，畢樹生２