摘要：采用ZigBee技術(shù)與3G通信技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)相融合的方式，將各農(nóng)業(yè)基地及其內(nèi)部相關(guān)設(shè)備組成一個(gè)大型的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并根據(jù)分布于各個(gè)農(nóng)業(yè)基地內(nèi)部的傳感器采集參數(shù)，精準(zhǔn)掌控各個(gè)農(nóng)業(yè)基地的內(nèi)部狀況，實(shí)現(xiàn)基地、設(shè)備、人之間的遠(yuǎn)程信息交互，形成一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)作，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)穩(wěn)定性、遠(yuǎn)程信息采集交互、可視化及環(huán)境調(diào)控均達(dá)到實(shí)際需求，可對(duì)大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器；采集

　　當(dāng)前，我國(guó)的農(nóng)業(yè)正由小規(guī)模種植的個(gè)體方式向集約化、大規(guī)?；胤N植方式發(fā)展…，隨之而來(lái)如灌溉、施肥、蟲(chóng)害等各種問(wèn)題也逐步凸顯出來(lái)。因此，如何對(duì)大規(guī)模、大面積的農(nóng)業(yè)基地實(shí)施高效率、信息化、安全化的科學(xué)管理，是一個(gè)當(dāng)務(wù)之急需要解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)基地的環(huán)境監(jiān)控大部分采用傳統(tǒng)方式，即通過(guò)人工手段進(jìn)行監(jiān)控，這大大增加了不必要的勞動(dòng)力開(kāi)銷(xiāo)，降低了工作效率。物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理與控制的智能化。本研究在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，提出一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)，用戶(hù)可以不受空間限制，對(duì)大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行環(huán)境信息采集，同時(shí)又能對(duì)其進(jìn)行可視化的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的集中高效管理。

　　1系統(tǒng)總體方案

　　監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成，即由ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式操作平臺(tái)、視頻監(jiān)控模塊組成的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)，由3G傳輸網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)形成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心(圖1)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將傳感器等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸至位于基地的嵌入式操作平臺(tái)，同時(shí)將控制指令發(fā)送給基地中需要控制的設(shè)備；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)采集相關(guān)環(huán)境參數(shù)后存人數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心，同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)與視頻信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)控指令。

　　2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)

　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

　　2．1短距離ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　作為一種低復(fù)雜度、低速率、低成本、低損耗的新興無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)Ⅲ成為一些近距離通信技術(shù)應(yīng)用的首選。從農(nóng)業(yè)基地角度來(lái)看，一般所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)通信速率要求不高，用ZigBee方式取代傳統(tǒng)的布線(xiàn)方式有相當(dāng)?shù)目尚行浴？紤]到一般農(nóng)業(yè)基地均具有多測(cè)點(diǎn)、多設(shè)備、控制距離較短的特點(diǎn)，一般采用ZigBee的Mesh組網(wǎng)(網(wǎng)狀組網(wǎng))模式(圖2)。Mesh網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，它是一種多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，每一次的通信都會(huì)由一條或多條路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，最終傳輸給目的節(jié)點(diǎn)。

　　2．2嵌入式操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　采用ARM—Linux控制器模式¨1。硬件部分選取ARMl1系列核作為嵌入式控制器的微處理器，該系列處理器具有處理能力強(qiáng)、性能高、功耗低的特點(diǎn)；軟件部分操作系統(tǒng)則采用Linux操作系統(tǒng)，它具有兼容性高、多用戶(hù)、多任務(wù)、界面操作簡(jiǎn)單、安全性好、支持多種平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，虛線(xiàn)部分為嵌入式系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及內(nèi)置的應(yīng)用程序。

　　3無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)采用中國(guó)聯(lián)通3G(第3．代移動(dòng)通信技術(shù))網(wǎng)絡(luò)∞。與以太網(wǎng)元縫連接，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著3G技術(shù)的成熟及網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣，3G網(wǎng)絡(luò)的高抗干擾能力、高兼容性與高數(shù)據(jù)傳輸速率，使得它完全可以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)基地監(jiān)測(cè)過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的傳輸需求。以太網(wǎng)采用專(zhuān)線(xiàn)連接模式，由遠(yuǎn)程管理中心向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商申請(qǐng)固定的公網(wǎng)IP地址；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)接收到相關(guān)信息，嵌入式控制平臺(tái)通過(guò)3G—DTU(3G數(shù)據(jù)單元)將信息通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，經(jīng)過(guò)基站與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的無(wú)縫連接；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的固定IP傳輸至遠(yuǎn)程管理中心，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)距離管理中心的連接(圖6)。反之，管理中心的相關(guān)控制信息也可以通過(guò)該線(xiàn)路向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)布，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)接收到控制信息后，通過(guò)一系列信息逆向處理實(shí)現(xiàn)最終的遠(yuǎn)程控制。

　　4遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心

　　管理中心由網(wǎng)絡(luò)接人設(shè)備和工作計(jì)算機(jī)等組成拍1，以完成基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)信息的采集、存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)基地視頻遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)基地環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)控制。采用B／S(瀏覽器／服務(wù)器)模式"1，遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的友好人機(jī)界面瀏覽器登入遠(yuǎn)端ARM—Linux控制器，可以通過(guò)獲取攝像頭的視頻圖像，直觀(guān)地觀(guān)察各個(gè)農(nóng)業(yè)基地的動(dòng)植物生長(zhǎng)狀況；可以通過(guò)相關(guān)環(huán)境參數(shù)的顯示，客觀(guān)分析實(shí)時(shí)狀況；可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析與未來(lái)預(yù)測(cè)。根據(jù)用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)以下幾個(gè)主要的界面：(1)設(shè)置歷史報(bào)表、報(bào)警設(shè)置、歷史曲線(xiàn)等選項(xiàng)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕，就會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的界面，用戶(hù)可以參照相關(guān)的界面顯示，作出合理的判斷，同時(shí)每個(gè)界面均具有打印輸出的功能；(2)對(duì)各基地空氣溫濕度、氨氣濃度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)作出實(shí)時(shí)的顯示，同時(shí)配置施肥器、通風(fēng)機(jī)、二氧化碳發(fā)生器、水泵等虛擬裝置，用戶(hù)只需點(diǎn)擊虛擬裝置，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程裝置的開(kāi)關(guān)操作；(3)根據(jù)各種傳感器檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)監(jiān)控管理中心對(duì)相關(guān)參數(shù)正常范圍的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控5個(gè)農(nóng)業(yè)基地的相關(guān)參數(shù)效果見(jiàn)圖7。

　　5結(jié)論

　　圖7遠(yuǎn)程監(jiān)控基地相關(guān)參數(shù)效果圖示．引入目前比較成熟的3G通信技術(shù)，完成智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在江蘇省沛縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園投入使用，監(jiān)控的農(nóng)業(yè)基地覆蓋沛縣全境。通過(guò)研究和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)只須架構(gòu)1套監(jiān)控系統(tǒng)，便可以對(duì)處在全國(guó)各地所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備之間的信息交互，適合于大規(guī)模農(nóng)業(yè)基地的生產(chǎn)管控。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，能夠完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)可靠的精準(zhǔn)監(jiān)控，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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