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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，等．基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发［Ｊ］．江苏农业科学，２０１６，４４（１１）：３９２－３９５．

ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１６．１１．１１４

基于物联网的设施农业远程智能化

信息监测系统的开发

施苗苗^１，宋建成^１，田慕琴^１，韩ꢀ毅^１，李ꢀ捷^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

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。

ꢀꢀ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：Ｓ１２６；ＴＰ２７７．２ꢀꢀ文献标志码：Ａꢀꢀ文章编号：１００２－１３０２（２０１６）１１－０３９２－０４

ꢀꢀ基于德国工业４．０国家发展战略，我国提出了“感知中

国”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３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

布，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

见，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^{［１－２］}。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展，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

主，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^{［３－４］}。本研究针对传统

农业向现代农业转型时期出现的问题，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术，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

靠性高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。

1ꢀ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数，进行参数融合和数据挖掘，

在搭建的物联网软硬件平台上，实现远程监测和智能管理。

１．１ꢀ系统架构

本系统主要由感知层、网络层、应用层组成（图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据。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

层。网络层主要负责整个系统的数据传输，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策。

收稿日期：２０１５－０９－０２

基金项目：国家自然科学基金（编号：５１５７７１２３、５１３７７１１３）；山西省科

技厅重大专项（编号：２０１３１１０１０２９）。

１．２ꢀ网络组成

作者简介：施苗苗（１９９０—），女，山东莱芜人，硕士研究生，研究方向

为农业物联网、农业电气。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｍｉａｏｍｉａｏ０８１３＠１６３．ｃｏｍ。

通信作者：宋建成，博士，教授，博士生导师，研究方向为故障诊断与

万方数据

灾害预警技术、新能源开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｊｃ６０１８＠１６３．ｃｏｍ。

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

（图２）。

江苏农业科学ꢀ２０１６年第４４卷第１１期

—３９３ —

关完成ＺｉｇＢｅｅ协议转ＧＰＲＳ、ＧＰＲＳ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。

２．２ꢀ系统硬件设计

２．２．１ꢀＺｉｇＢｅｅ节点模块ꢀＺｉｇＢｅｅ节点模块是构建ＷＳＮ的基

础，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

用Ｆ８９１４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２５０ｋｂ／ｓ，采用２．４ＧＨｚＩＥＥＥ

８０２．１５．４ＲＦ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。

２．２．２ꢀ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ＴＣＰｓｅｒｖｅｒ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１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１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

性，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络，这就突破了大面积区

域组网的通信限制，有效提高了通信效率^{［５－６］}

。

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ＴＣＰ／ＩＰ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。

2ꢀ系统硬件方案设计

２．１ꢀ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６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（图３）。

２．２．３ꢀ传感器ꢀ传感器是信息采集与监测的终端执行者，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

４～２０ｍＡ的电流型传感器。采用ＥＭ２３１模块或Ｆ８９１４模块

完成模拟量和数字量之间的转换。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值、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度、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值、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ＰＬＣＳ７－２００作为节

点的核心模块。扩展模拟量采集模块ＥＭ２３１，其作用是把采

集到的各种参数进行打包处理，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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