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基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发

更新时间:2019-12-21 17:01:35 大小:3M 上传用户:xiaohei1810查看TA发布的资源 标签:物联网 下载积分:1分 评价赚积分 (如何评价?) 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

作为新一代信息技术的重要组成部分,物联网的应用和推广已成为现代设施农业的发展趋势。针对现有农田、果林等大面积栽培种植区域土地利用率低、人力物力浪费严重等问题,开发一套基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统,设计无线局域网ZigBee 与无线广域网 GPRS 多网络融合的通信模式,构建底层无线传感网络(WSN),以采集农田作物生长及环境信息。基于组态软件设计信息中心显示界面,开发智能信息监测软件,以远程、实时监测现场农作物生长状态,集参数监测、网络通信、数据分析及图表显示为一体,突破地域限制,提高数据的共享性。结果表明,该系统性能稳定,在信息无线采集与传输、远程环境监测以及智能化分析等方面均满足实际需求,同时具有很高的实时性与可扩展性。

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江苏农业科学ꢀ2016 年第 44 卷第 11 期  
—392 —  
施苗苗宋建成田慕琴基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发江苏农业科学,2016,44(11392 95.  
doi:105889 issn002 30201614  
基于 物联 网的 设施 农 业 远 程 智 能 化  
监 测系 统 的 开 发  
施苗苗宋建成田慕琴2  
(1太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室山西太原 030024; 2山西省农业科学院果树研究所山西晋中 030800)  
ꢀꢀ摘要作为新一代信息技术的重要组成部分物联网的应用和推广已成为现代设施农业的发展趋势针对现有农  
果林等大面积栽培种植区域土地利用率低人力物力浪费严重等问题开发一套基于物联网的设施农业远程智能  
化信息监测系统设计无线局域网 ZigBee 与无线广域网 GPRS 多网络融合的通信模式构建底层无线传感网络  
WSN),以采集农田作物生长及环境信息基于组态软件设计信息中心显示界面开发智能信息监测软件以远程、  
实时监测现场农作物生长状态集参数监测网络通信数据分析及图表显示为一体突破地域限制提高数据的共享  
结果表明该系统性能稳定在信息无线采集与传输远程环境监测以及智能化分析等方面均满足实际需求同时  
具有很高的实时性与可扩展性。  
ꢀꢀ关键词设施农业物联网无线传感网络WSN);无线局域网无线广域网  
ꢀꢀ中图分类号12TP277ꢀꢀ文献标志码ꢀꢀ文章编号:1002 30(2016)11 392 4  
ꢀꢀ基于德国工业 国家发展战略我国提出了感知中  
的物联网发展战略设施农业物联网就是物联网发展  
战略中最重要的应用方向之一在现代农业领域通过将物  
联网应用到农业的各个方面实现感知农业”。 设施农业物  
联网分为 个层次即信息感知层通信与网络传输层应用  
服务层信息感知层主要利用各种传感器节点获取农业资  
源与环境参数如土壤水分温度湿度肥力营养元素作物  
长势等信息在通信与网络传输层传感器获得的数据通过  
有线或无线方式以多种通信协议在局域网广域网传播和发  
使得不同时空分布的地域能共享信息在应用服务层完  
成数据融合知识挖掘以便于农业生产决策控制由此可  
物联网技术在农业方面的应用研究已成为一个重要研究  
方向[1 近年来我国农业走过了一条高投入高产出高  
速度高资源环境代价的道路虽然在农业基础建设方面取  
得了显著成效然而面对未来人们的生活需求和农业发还  
存在一些问题:(1)农业产业化水平低仍以传统经验生产为  
缺乏量化指标和配套集成技术;(2)监测与控制都采用人  
工管理管理水平滞后存在测控精度低劳动强度大等弊端,  
缺乏安全监管增加成本浪费资源且难达到预期效果导致  
种植环境恶劣影响作物产量和品质[3 本研究针对传统  
农业向现代农业转型时期出现的问采用以传感器节点传  
感器网络互联网和智能信息处理为核心的物联网技开发  
了一套适合农田果林等大面积栽培种植区域实时性强可  
靠性的远程信息采集监测系统该系统采用 ZigBee 与  
GPRS 多融合网络的通讯模式构建无线传感网络WSN);结  
合农业生产实际采用组态王设计信息中心界面实现了对现  
场农作物的远程监测。  
1系统总体方案设计  
基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统是通过  
传感器无线通信信息融合与处理专家系统等关键技术采  
集作物生长所需的各种必要参进行参数融合和数据挖掘,  
在搭建的物联网软硬件平台实现远程监测和智能管理。  
系统架构  
本系统主要由感知层网络层应用层组成1)。 (1)  
感知层感知层是设施农业物联网的底层也是基础层主  
要用来获取作物生长实时的环境监测数感知层的各节点  
为智能传感器节点它通过各种传感器获取实时信息并自行  
组网传递到上层网关接入点感知层主要采集土壤温湿度、  
空气温湿度光照度土壤 pH 值等重要环境参数。 (2)网络  
网络层主要负责整个系统的数据传它建立在局域网、  
移动网络互联网之上主要包括信息存储查询网络管理等  
功能网络层将接收到感知层的各类数据通过网络传输至信  
息处理中心由应用层进行处理同时将应用层发出的命令信  
息送达感知层进行环境调节。 (3)应用层应用层位于本  
系统顶层主要实现传感器数据查询数据分析数据挖掘以  
及基于感知数据的应用和决。  
收稿日期:2015 2  
基金项目国家自然科学基金编号:51577123、5137711);山西省科  
技厅重大专项编号:20131101029。  
网络组成  
作者简介施苗苗(1990—),东莱芜人士研究生究方向  
为农业物联网农业电气mailshimiaomiao0813@163com。  
通信作者宋建成博士士生导师究方向为故障诊断与  
万方数据  
灾害预警技术新能源开发mailsjc6018@163com。  
本系统采用无线局域网 ZigBee 与无线广域网 GPRS 的多  
网络融合方式构建无线传感网络WSN),解决农田果林等  
大面积栽培种植区域网络布线困难传感器分布混乱等问题  
2)。  
江苏农业科学ꢀ2016 年第 44 卷第 11 期  
—393 —  
关完成 ZigBee 协议转 GPRSGPRS 连接 Internet 的任务它  
是农作物种植现场局域网连接 Internet 广域网的桥梁主要  
功能是处理存储转发由 ZigBee 网络智能节点采集并发送  
的数据信息。 (5)远程信息中心主要接收现场数据按时段  
将数据存入 Access 数据库方便用户进行历史查询通过数  
据记录图表显示及数据库调用等手段实现远程智能监测、  
数据融合及知识挖掘。  
系统硬件设计  
ZigBee 节点模块ZigBee 节点模块是构建 WSN 的基  
负责与网关通信将信息采集模块的数据转发到 ZigBee -  
GPRS 网关或接收网关数据命令后发送到所有终端节点从  
而实现对农作物生长环境的监测根据实际要求本系统采  
8914 作为 ZigBee 节点实现现场与网关的通信该模块  
最高 数 据 传 输 速 率 可 达 250 采 用 GHz IEEE  
802RF 收发器接收灵敏度高通信误码率低抗干扰  
能力强具有通用串口功能可直接连接串口设备该节点组  
网灵活可以满足网状拓扑的需求。  
网关网关是局域网转广域网的媒介可以将 ZigBee  
转换成通用分组无线业务 GPRS通过移动基站实现无线近  
距离传输向无线远程传输的转变扩展通信距离本系统网  
关采用模块化设计支持 TCP server 功能可以配置和建立一  
个新的 ZigBee 子网能够作为网络中的协调器和路由使用,  
参与构成 Mesh 网络解决了 ZigBee 协议和 GPRS 协议的通信  
问题网关硬件结构见图 4。  
ꢀꢀZigBee 无线局域网采用网状mesh拓扑结构包含 个  
协调器coordinator)、一系列的路由router和终端设备end  
device)。 网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则路由节点  
之间可以直接通信一旦 个路由路径出现问题信息可以  
自动沿着其他路由路径进行传输提高系统数据传送的可靠  
降低了数据的丢包率网状拓扑利用自组网多跳级的通  
信特点可以组成极为复杂的传输网这就突破了大面积区  
域组网的通信限制有效提高了通信效[5 ]  
信息采集终端将数据传至 ZigBee 中心节点后中心节点  
将收到的数据通过 ZigBee GPRS 网关发送至 GPRS 模块,  
GPRS 模块对数据进行 TCIP 封装再发送至信息中心信  
息中心对数据进行分析处理后进行相应决策处理实现对现  
场农作物的远程智能监测。  
2系统硬件方案设计  
系统硬件组成  
基于物联网的设施农业远程智能化信息处理系统硬件模  
块由 个部分组成即传感器模块核心模块电源模块无线  
模块网关和信息中心3)。  
传感器传感器是信息采集与监测的终端执行它  
将农作物生长环境信息等物理量转化为相应的电信号以便  
网络传输和信息处理根据需要系统选用电信号类型为  
mA 的电流型传感器采用 EM231 模块或 8914 模块  
完成模拟量和数字量之间的转为满足农业现场作物生长  
需要传感器选型信息见表 1。 (1)空气温湿度传感器用于监  
测农业现场空气温度湿度安装在田间及果林中;(2土壤  
温湿度土壤 pH 土壤含盐量传感器安装在作物根部生长  
的土壤中用于测量作物生长环境的土壤温湿度pH 值及  
ꢀꢀ(1)传感器模块包括空气温湿度土壤温湿度土壤含  
水量土壤 pH 光照度等传感器主要完成农业现场的环  
境和养分参数实时采集。 (2)以西门子 PLC S00 作为节  
点的核心模块扩展模拟量采集模块 EM23其作用是把采  
集到的各种参数进行打包处通过 RS485 发送给 ZigBee经  
无线网关再发送给远程信息中心。 (3)无线模块完成数据信  
万方数据  
息的 发送同时完成对数据包过滤和地址识别功能。(4)网  

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