喻琨 陳政 汪輝 敬美香
摘 要:為了解決我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)長期以來存在高種植成本、高難度經(jīng)營管理的問題,利用目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物生長的實(shí)時(shí)檢測和智能管理方面的應(yīng)用,從而使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)參與到農(nóng)業(yè)管理中來進(jìn)而有效地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。文章分析了B/S(Browser/Server)、Java和JavaScript語言在MyEclipse開發(fā)環(huán)境中的關(guān)鍵技術(shù),提出采用Tomcat軟件來發(fā)布信息并完成數(shù)據(jù)存儲和查詢功能。用戶可以在局域網(wǎng)(LAN)中訪問監(jiān)控中心,當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值范圍時(shí),將由監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令,通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街骺刂菩酒?,然后控制繼電器的開關(guān)操作,把農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物生長信息這些收集來的資料放到數(shù)據(jù)庫里保存,讓其成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)信息庫,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測,在農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)雙高,引進(jìn)現(xiàn)代化的技術(shù)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞:ZigBee物聯(lián)網(wǎng) 智能農(nóng)業(yè)傳感器 無線傳輸數(shù)據(jù)采集
中圖分類號:F252.23? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-4914(2022)02-022-03
一、引言
我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小,耕地高度分散。我國自古以來都是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,人多地少,主要經(jīng)濟(jì)形式是自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟(jì),男耕女織是長期以來形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。如何提高單位面積耕地的利用效率和產(chǎn)量是中國農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題[1]。與此同時(shí),伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,資源短缺,土壤退化,環(huán)境退化等一系列問題逐漸出現(xiàn)。對于我國的農(nóng)業(yè)而言,由于生產(chǎn)技術(shù)落后,基礎(chǔ)設(shè)施落后以及長期以來科技含量低,在近幾十年的生產(chǎn)過程中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和管理水平尚未得到全面提高。
為了促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變發(fā)展,必須解決土壤退化、科技含量低、資源短缺等一系列復(fù)雜問題。而是否能及時(shí)解決這些問題對解決農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量問題具有決定性的作用。因此,迫切需要根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要,掌握農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù),提高農(nóng)業(yè)信息化程度,加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的步伐[2],增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和收入。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究,可以改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理水平的模式,加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,并實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)。可以看出,在物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的影響下,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化。
二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
(一)系統(tǒng)需求分析
在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域,我國長期采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下,管理水平落后。為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不足的問題,所以提出并實(shí)施了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)(SASIOT)項(xiàng)目,該項(xiàng)目具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理的優(yōu)勢[3]。對于智能農(nóng)業(yè),農(nóng)田環(huán)境的主要監(jiān)測參數(shù)是土壤的溫度和濕度、環(huán)境的溫度和濕度、降雨量、風(fēng)速大小、二氧化碳的濃度、水環(huán)境的酸堿值等。在農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集方面,由于農(nóng)田地理?xiàng)l件的復(fù)雜性和采集參數(shù)的多樣性,需要在野外部署很多傳感器,這些傳感器通常需要在野外移動,當(dāng)面對能量耗盡和其他故障的時(shí)候無法正常工作[4]。過去,監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于有線模式。對于大片農(nóng)田,其應(yīng)用受到局限,無法滿足網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)需求。因此,具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理功能的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。該系統(tǒng)付諸實(shí)踐后,可以大大提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平,并在該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
(二)系統(tǒng)方案和架構(gòu)設(shè)計(jì)
ZigBee和WiFi共同組成的混合網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)SASIOT功能。如圖1所示,是SASIOT系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),主要由三部分組成,分別是監(jiān)控中心模塊、農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、農(nóng)田信息采集模塊。
農(nóng)田信息獲取模塊是一個(gè)ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),由土壤溫度和濕度傳感器以及小型氣象站組成。它主要負(fù)責(zé)收集作物種植區(qū)的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù),環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù),降雨量多少,風(fēng)速大小,二氧化碳濃度和水環(huán)境酸堿值的數(shù)據(jù)。每一個(gè)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成:一個(gè)是負(fù)責(zé)農(nóng)田土壤參數(shù)獲取的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn);另一個(gè)是具有雙重功能的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),它具有兩個(gè)功能。首先,作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員,ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以自動建立和維護(hù),同時(shí)可以收集數(shù)據(jù)。其次,它可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集和顯示。
監(jiān)控中心模塊主要負(fù)責(zé)顯示土壤的溫度、濕度以及環(huán)境的溫度、濕度,降雨量多少,風(fēng)速大小,二氧化碳濃度,水環(huán)境的酸堿值,并實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控并顯示作物生長地區(qū)的作物,為農(nóng)業(yè)經(jīng)營者科學(xué)種植提供了有效依據(jù)。
基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與Internet集成在一起。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu),系統(tǒng)可以分為三部分:系統(tǒng)感知層,系統(tǒng)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用層。
系統(tǒng)的整個(gè)工作過程如下:首先,通過在農(nóng)田中部署傳感器節(jié)點(diǎn),小型氣象站和高清視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn),收集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)視作物生長狀況。其次,將收集的數(shù)據(jù)或?qū)嵉貓D像收集到無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))和無線網(wǎng)關(guān)通過WSN和無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。最后,無線網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)視中心進(jìn)行存儲。系統(tǒng)注冊后,農(nóng)業(yè)經(jīng)理或普通用戶可以登錄到Web服務(wù)器,以獲取有關(guān)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和作物生長狀況的實(shí)時(shí)信息。在監(jiān)控中心的前端界面中,可以通過直方圖,刻度盤和曲線的形式顯示環(huán)境演變過程。與此同時(shí),還可以控制傳感節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān))。
三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
(一)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
該軟件系統(tǒng)主要從三個(gè)方面開發(fā)和設(shè)計(jì)相關(guān)程序,包括監(jiān)控中心的相關(guān)程序,傳感節(jié)點(diǎn)的傳感終端程序,以及協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序[5]。
(二)傳感節(jié)點(diǎn)
WSN節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序兩個(gè)主要部分,主要負(fù)責(zé)農(nóng)田感測區(qū)中數(shù)據(jù)的收集和傳輸。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)地址,用來記錄該結(jié)點(diǎn)的信息。傳感器結(jié)點(diǎn)根據(jù)默認(rèn)配置收集并發(fā)送數(shù)據(jù)。如果結(jié)點(diǎn)是從監(jiān)視中心接收到配置指令,就會對接收到的指令進(jìn)行分析和處理,然后根據(jù)接收到的指令修改配置信息從而進(jìn)行工作。傳感器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)特定時(shí)間段將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),這就是一個(gè)明顯的例子。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于傳感器結(jié)點(diǎn)與監(jiān)視中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。等到系統(tǒng)加電和初始化后,將實(shí)時(shí)監(jiān)視ZigBee模塊和串行模塊。如果監(jiān)視數(shù)據(jù),則將解析數(shù)據(jù)。解析后,一方面將數(shù)據(jù)寫入串行端口,另一方面將數(shù)據(jù)通過zigBee模塊發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序的流程圖分別顯示在圖3和圖4中。
TDR-3用于設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器。輸出電壓到實(shí)際土壤含水量的轉(zhuǎn)換如公式(1)所示:
式中θv表示土壤水分含量,VOUT是指傳感器輸出電壓值。
式中Y是CO2的濃度,X是傳感器的輸出電壓。
E-201-C-9型pH電極用于設(shè)計(jì)水環(huán)境的pH傳感器。傳感器的輸出電壓與pH的實(shí)際值線性相關(guān)。
式中Y1表示水環(huán)境pH值,X1是水環(huán)境pH的傳感器輸出電壓值。
選擇DS-2CD5A24FWD-IZ(H)(S)型高清攝像機(jī)作為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)可以采集受監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù),并壓縮采集的視頻數(shù)據(jù),同時(shí)支持RS232接口。下行鏈路消息的基本格式如表1所示。
標(biāo)頭采用固定格式,具有兩個(gè)字節(jié)的長度,即0X90EB。
(三)監(jiān)控中心系統(tǒng)分析
根據(jù)實(shí)際需要,選擇MyEclipse作為監(jiān)控中心的開發(fā)平臺。通過基于B/S架構(gòu)的HTML(超文本標(biāo)記語言),它具有很強(qiáng)的互操作性。JAVA不僅是一種編程語言,還是一個(gè)應(yīng)用程序。
為了查詢數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),必須連接數(shù)據(jù)庫。只有完成數(shù)據(jù)庫連接后,才能訪問數(shù)據(jù)庫。表2中顯示了080F0205的節(jié)點(diǎn)地址的歷史信息。[6]
四、結(jié)論
根據(jù)我國農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求,基于IoT體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)收集和共享農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的生長。監(jiān)控中心的Web服務(wù)器可以存儲收集到的信息,為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供信息支持,對農(nóng)業(yè)非常重要。
研究并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。但仍然存在一定的局限,需要不斷地改進(jìn)和提高。
[基金項(xiàng)目:2021年度湖南省社會科學(xué)成果評審委員會一般課題《“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下湖南省智慧養(yǎng)老服務(wù)問題研究》(編號:XSP21YBC618)]
參考文獻(xiàn):
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[2] 宋艷,程改蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(08):101-103
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[4] 龔燕飛,聶宏林.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(13):52-55.
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[6] 張博文.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].長江大學(xué)碩士論文,2017.
(作者單位:1.長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心 湖南長沙 410000;2.湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院 湖南衡陽 421002;3.長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410004;4.湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 湖南衡陽 421001)
[作者簡介:喻琨(1980—),男,湖南長沙人,長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心主任,實(shí)驗(yàn)師職稱,主要從事教育信息化研究;陳政(1988—),男,湖南常寧人,湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院講師、碩士,主要從事信息工程管理研究;通訊作者:汪輝(1983—),男,湖南常寧人,湖南交通工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院副教授、碩士,主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與農(nóng)業(yè)信息工程研究;敬美香(1998—),女,湖南邵東人,湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師、碩士,主要從事農(nóng)業(yè)信息工程研究。]
(責(zé)編:若佳)