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基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统
资料介绍
为实现荔枝园环境的实时远程监控和精准管理,设计基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统,该系统通过信息采集终端模块实时采集荔枝园的土壤含水率、空气温湿度、光照强度、风速和降雨量等环境信息,通过无线传感网将数据包发送到网关上,网关通过通用无线分组网(general packet radio service,GPRS)将处理后的数据包传输到云服务器,专家系统根据采集到的环境数据,结合专家知识,建立多个决策数学模型,实现计算作物需水量、预报灌溉时间、灌溉最佳定量决策、根据灌溉制度决策等决策功能,将决策结果反馈到控制终端模块进行智能监控。经试验,对比系统多参数决策和一般的单参数决策得出的结论,多参数决策的准确性更高;灌溉区域的土壤含水率平均值为17.4%,满足荔枝树生长所需的土壤含水率条件,说明系统的灌溉决策具有比较强的实时性。且系统预测能达到75%的准确率,说明系统的预测实时性比较好。该系统实现了荔枝园的环境信息获取与智能灌溉,能指导用户更好地管理荔枝园。
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(完整内容请下载后查看)第32 卷 第20 期
2016 年 10 月
农 业 工 程 学 报
Vol.32 No.20
Oct. 2016
144
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统
※
余国雄1,2,王卫星1,2,3,4 ,谢家兴1,2,3,4,陆华忠4,5,林进彬1,莫昊凡1
(1. 华南农业大学电子工程学院,广州 510642; 2. 广州市农情信息获取与应用重点实验室,广州 510642;
3. 广东省农情信息监测工程技术研究中心,广州 510642;4. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实
验室,广州 510642;5. 华南农业大学工程学院,广州 510642)
摘 要:为实现荔枝园环境的实时远程监控和精准管理,设计基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统,
该系统通过信息采集终端模块实时采集荔枝园的土壤含水率、空气温湿度、光照强度、风速和降雨量等环境信息,通过无
线传感网将数据包发送到网关上,网关通过通用无线分组网(general packet radio service,GPRS)将处理后的数据包传输到
云服务器,专家系统根据采集到的环境数据,结合专家知识,建立多个决策数学模型,实现计算作物需水量、预报灌溉时
间、灌溉最佳定量决策、根据灌溉制度决策等决策功能,将决策结果反馈到控制终端模块进行智能监控。经试验,对比系
统多参数决策和一般的单参数决策得出的结论,多参数决策的准确性更高;灌溉区域的土壤含水率平均值为17.4%,满足荔
枝树生长所需的土壤含水率条件,说明系统的灌溉决策具有比较强的实时性。且系统预测能达到 75%的准确率,说明系统
的预测实时性比较好。该系统实现了荔枝园的环境信息获取与智能灌溉,能指导用户更好地管理荔枝园。
关键词:灌溉;决策;无线传感器网络;农业物联网;荔枝园;专家系统;信息获取
doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.20.019
中图分类号:S165+.22; S274.2
文献标志码:A
余国雄,王卫星,谢家兴,陆华忠,林进彬,莫昊凡. 基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统[J]. 农业
工程学报,2016,32(20):144-152. doi:10.11975/j.issn.1002-
文章编号:1002-6819(2016)-20-0144-09
Yu Guoxiong, Wang Weixing, Xie Jiaxing, Lu Huazhong, Lin Jinbin, Mo Haofan. Information acquisition and expert decision
system in litchi orchard based on internet of things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions
of the CSAE), 2016, 32(20): 144-152. (in Chinese with English abstract)
doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.20.019
灌溉区域的需水量,但该系统没有充分考虑干旱级别对
作物灌溉的影响。目前,国内灌溉专家决策系统的开发
还属于初级阶段[13]。汪志农等[14]研发了灌溉预报与节水
灌溉决策专家系统,该系统基于彭曼公式和水平衡原理,
进行决策,但是系统决策数据中,缺乏来自田间的实时
数据,缺乏实时性;而陈智芳等[15]研发的节水灌溉管理
与决策支持系统也存在着实时性差的问题;陈健等[16]开
发了苹果精准管理专家系统,实现了对果园环境的实时
监控,并且可以对苹果的病虫害和开花期进行预测,但
是没有灌溉预报与决策等功能;虞佳佳[17]设计了基于物
联网和专家决策系统的农田精准灌溉系统,当田间水分
超过设定阈值时,系统能及时控制电磁阀,实现及时灌
溉,但是该系统只是简单地根据作物生长水分阈值进行
决策,而没有考虑影响灌溉的其他气象因素,如温度、
湿度和降雨量等,使灌溉决策缺乏准确性。
0 引 言
从 20 世纪 80 年代末至今,中国的荔枝种植面积和
总产量都大大增加,荔枝栽培面积由 1987 年的 12.75
万 hm2,增加到 2012 年的 55.33 万 hm2;荔枝总产量由
1987 年的11.68 万t,增加到2012 年的190.66 万t[1-2]。
但是目前绝大多数荔枝园仍然采用漫灌等传统的灌溉方
式,浪费了大量的水资源[3-6]。近年来,随着物联网技术
在农业中广泛地应用[7-11]和灌溉专家决策系统的出现,可
以实现对荔枝园的实时远程监控和精准管理。
郑立华等[12]利用 CLARE 专家系统外壳开发了棉花
生产管理专家系统。该系统共用到15 种方法来确定作物
蒸发蒸腾量、灌溉日期及灌水定额,但该系统没有结合
互联网技术,可扩展性不强。美国佛罗里达大学针对佛
罗里达州农业特点开发了AFSIRS 系统,该系统将作物类
型、土壤情况、生长季节、气候条件作为变量,估算出
针对以上系统的不足,本文设计 1 种荔枝园信息获
取与智能灌溉专家决策系统,实现对荔枝园环境的远程
实时监控,进行灌溉预报与决策,科学地指导果农管理
荔枝园。
收稿日期:2016-03-29
修订日期:2016-08-10
基金项目:国家荔枝龙眼产业技术体系建设专项资金项目(CARS-33-13);
广东省自然科学基金(2014A030313451);广东省水利科技创新项目
(2014-17);华南农业大学大学生创新创业训练计划项目。
作者简介:余国雄,男,广东开平人,主要从事农业物联网和电子信息技术
在农业上的应用研究。广州 华南农业大学电子工程学院,510642。
Email:
1 系统构架及各模块简介
1.1 系统总体架构
基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家
决策系统分为信息获取部分和智能灌溉专家决策系统两
※通信作者:王卫星,男,河北宣化人,教授,博士,博士生导师,主要从
事农业物联网、无线传感器网络以及电子信息技术在农业上的应用等研究。
广州 华南农业大学电子工程学院,510642。Email:
万方数据
第20 期
余国雄等:基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统
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部分。信息获取部分由终端监控设备、网关模块、云服
务器模块组成,终端监控设备与网关模块间通过 Zigbee
网通信,网关模块与云服务器模块间通过无线分组网
(general packet radio service,GPRS)通信;智能灌溉专家决
策系统由专家系统组成,其决策结果通过云服务器传送
到网关模块,用户通过浏览器即可访问专家系统。系统
总体架构如图1 所示。
易丢包,所以本文选择树形组网方式。
图2 3 类Zigbee 网络组网方式
Fig.2 Three types of ZigBee networking
3)终端信息获取模块
各个终端信息获取模块利用树型组网方式形成 1 个
网络后,自动定时地采集荔枝园的环境信息,如温度、
湿度、土壤含水率和降雨量等,通过 Zigbee 网络将数据
包发送到网关模块上。终端信息获取模块使用的传感器
型号如表2 所示。
表2 传感器型号
Table 2 Sensor model
指标Indicator
型号Model
空气温湿度
Air temperature and humidity
DHT22
图1 系统总体架构
GY-30
TDR-3
光照度Illumination
土壤含水率Soil moisture
风速Wind velocity
Fig.1 Overall system architecture diagram
RY-FS01
ZG11-C
1.2 信息获取部分设计
降雨量Precipitation
1.2.1 终端监控设备
终端监控设备包括终端信息获取模块、终端控制模
块和电磁阀各10 个。
4)终端控制模块
终端控制模块通过 Zigbee 网络接收并解析来自网关
1)短距离无线通信模块选型
模块的命令后,控制电磁阀的开启或者关闭。其中,为
了降低功耗,电磁阀选用JSD128 双稳态脉冲电磁阀[23-24]
目前常用的 3 种短距离无线通信模块[18-19]为 Zigbee
模块、Wifi 模块和蓝牙模块,各种模块特性对比如表 1
所示。
。
1.2.2 网关模块
网关模块是整个监控系统的协议转换设备[25],网关
上电后,建立 Zigbee 网并启动监听,接收来自终端信息
获取模块的数据包,进行分析、压缩和融合数据后,通
过GPRS 网络将数据发送到云服务器模块,并通过Zigbee
网将同步数据包发送到终端信息获取模块,使其与网关
进行时间同步后,进入休眠模式,降低功耗;网关与云
服务器建立TCP/IP 连接,通过GPRS 网络接收并解析来
自云服务器模块的决策结果数据包后,通过 Zigbee 网发
送到终端控制模块,进而控制电磁阀,之后,终端控制
模块与网关进行时间同步,也进入低功耗休眠模式。网
关工作流程如图3 所示,实现了Zigbee-Internet 网络协议
的转换、使Zigbee 网具备实时性和维持Zigbee 网的稳定
性等功能。
表1 局域无线通信模块特性对比
Table 1 Comparison of local area wireless communication
module feature
最大传输速率
通信距离
Communication
distance/m dissipation/mA interference
功耗
Power
抗干扰性
Anti-
类型
Type
Maximum
transmission
rate/Mbps
Zigbee
Wifi
250
600
75~200
100
5
强
10~50
一般
蓝牙
Bluetooth
1~2
10
20
弱
表 1 表明,蓝牙模块的通信距离过短,因此在对荔
枝园进行监控时需要该模块数量过多,Wifi 模块的抗干
扰性一般,无法保证数据传输的可靠性。因而,本文选
择通信距离比较长和抗干扰性比较强的 Zigbee 模块作为
短距离无线通信模块。
1.2.3 云服务器模块
云服务器采用 TCP 并发服务器模型,允许最多 10
个网关同时连接,服务器等待网关的连接,当网关有连
接请求时,就创建 1 个新线程处理该网关的业务,将网
关的数据包进行分析、计算后,存储到数据库中,供专
家决策系统调用;同时,云服务器在每个线程中采用轮
询算法,循环查询专家系统决策结果数据库是否有更新,
若有,从中读取决策结果,整理成数据包后,通过GPRS
2)组网方式
Zigbee 网络一般有星型、树型和网状型 3 种组网方
式[20-22],如图 2 所示。星型方式比较简单且方便管理,
但由于荔枝园里荔枝树和电线杆等对无线信号有一定的
阻挡,因而星型网络的覆盖面积会受限制,而网状型方
式会使得数据包的传递经过多个路由器和终端设备,容
万方数据
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