徐曉雨 ，張 旭 ，朱 勇

（1牡丹江師范學院 物理與電子工程學院 黑龍江 牡丹江 157000）

（2哈爾濱翔冠科技開發(fā)有限公司 黑龍江 哈爾濱 150000）

（3黑龍江大學 黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

為保障我國傳統(tǒng)農業(yè)快速過渡到現(xiàn)代農業(yè)，我們必須在農業(yè)領域掌握相關的技術并根據(jù)農業(yè)發(fā)展的實際，提高農業(yè)信息化水平，加快我國智慧農業(yè)建設的速度。使用現(xiàn)代科學技術，充分利用農業(yè)生產資源以減少農業(yè)生產成本，增加農業(yè)生產產量和農民收入，這是智慧農業(yè)首先要解決的問題。伴隨傳感器技術、嵌入式技術、網(wǎng)絡技術以及通信技術的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術由此誕生。物聯(lián)網(wǎng)技術與農業(yè)領域的融合將有助于智慧農業(yè)的興起。在農業(yè)生產和科研中，有了物聯(lián)網(wǎng)技術的加入，能夠顯著地轉變農業(yè)生產方式，提高管理水平。有助于加快我國現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展步伐，可以幫助我們進一步實現(xiàn)智慧農業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)技術可以應用在農產品的溯源領域，還可以監(jiān)控農業(yè)水產養(yǎng)殖，或者遠程監(jiān)控農作物的生產過程等諸多領域。由此可以看出信息技術尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術對農業(yè)領域的深刻影響?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農業(yè)將是未來農業(yè)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)農業(yè)將會迎來前所未有的大變革。

2 物聯(lián)網(wǎng)體系結構

物聯(lián)網(wǎng)的含義就是物體與物體之間，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)連接，來完成信息交換和數(shù)據(jù)通信。1999年，物聯(lián)網(wǎng)技術由美國麻省理工學院提出。研究設計出了第一版的無線射頻識別系統(tǒng)（RFID），也就是說物聯(lián)網(wǎng)最出的理論體系是基于RFID技術完成的。

無線射頻識別系統(tǒng)的基本原理是：通過互聯(lián)網(wǎng)的連接，實現(xiàn)對物體的智能化識別。主要包括對物體的定位、實時的監(jiān)控以及有效的管理。伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）技術的日臻成熟，WSN和RFID的有機的結合到一起，形成了物聯(lián)網(wǎng)體系架構。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的報告，對物聯(lián)網(wǎng)體系架構做出以下解析：通過無線射頻識別系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、二維碼識讀設備等相關的信息傳感系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)通過統(tǒng)一的協(xié)議互通互連，利用互聯(lián)網(wǎng)作為媒介實現(xiàn)對物體的身份識別、跟蹤定位和有效管理的綜合網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)體系架構主要由感知層、傳輸層以及應用層三個層次組成。其中感知層以自組織的方式構成局域網(wǎng)，利用WSN、RFID等信息感知系統(tǒng)識別和感知周邊的環(huán)境信息；傳輸層是利用運營商提供的網(wǎng)絡（2G、3G、4G）和各種專用網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)中，來完成對感知信息的有效傳輸；應用層實際上就是物聯(lián)網(wǎng)在不同領域的應用，例如：智慧農業(yè)、智慧城市、智慧物流等等。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)架構

我國東北地區(qū)在農業(yè)種植方面主要依靠傳統(tǒng)農業(yè)進行生產，以黑龍江牡丹江地區(qū)為典型。這種農業(yè)生產模式導致了農業(yè)生產效率低下，經(jīng)營管理落后等不良后果。因此從傳統(tǒng)農業(yè)向智慧農業(yè)轉型是很有必要的。

在智慧農業(yè)模式下，可以檢測農田全方位、完整的數(shù)據(jù)信息：土壤的溫度和濕度、周邊空氣的溫度和濕度、降雨量、風度大小、水質的pH值等等。由于農田地理條件本身的復雜度很高，采集的數(shù)據(jù)也是多樣的。各種傳感器需要放置在野外的環(huán)境中，一旦電源用光或者其他故障都會導致無法工作。另外這些傳感器經(jīng)常需要改變分布的位置，大多數(shù)監(jiān)控器的設計都是以有線的方式接入組網(wǎng)的。對于面積覆蓋廣袤的農田來說，就無法實現(xiàn)對網(wǎng)絡的移動性要求。這些局限性都為農田環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集帶來了困難。

因此，很有必要研發(fā)出一套具有實時測量、智能化管理、可移動的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。這對我國升級改良傳統(tǒng)農業(yè)結構，改善農產品質量，提高農業(yè)生產效率，推進農業(yè)部門的管理水平的提高都具有深遠的意義。根據(jù)以上的分析，可以將無線視頻檢測系統(tǒng)、無線傳感器系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)有機的結合在一起，構成一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結構也可以劃分為三個部分：感知層、傳輸層以及應用層。

系統(tǒng)的最底層為感知層，可以由放置在農田的無線傳感器子系統(tǒng)和無線視頻監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)。通過各種傳感器陣列完成對農業(yè)環(huán)境信息的采集。系統(tǒng)的中間層為傳輸層，主要由協(xié)調器網(wǎng)關來實現(xiàn)?？梢詫⒏兄獙硬杉母鞣N環(huán)境信息傳輸?shù)綉脤?，起到承上啟下的重要連接作用。系統(tǒng)的最高層為應用層，可以由網(wǎng)絡服務器和數(shù)據(jù)庫構成。用于大量數(shù)據(jù)的存儲和各種信息的發(fā)布，其本質上就是一種數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可以采用B/S架構進行設計，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)既有農田環(huán)境的實時數(shù)據(jù)也有歷史數(shù)據(jù)，不管是農業(yè)管理者還是普通的用戶，都能夠通過數(shù)據(jù)監(jiān)控中心對所關心的農業(yè)環(huán)境信息進行查看和對比。除此之外，還可以控制系統(tǒng)的有關設備，管理或者發(fā)起相關的控制指令。

4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的總體思路應當基于如下幾點考慮：首先需要對農田環(huán)境重要的參數(shù)進行采集；其次應該可以對農作物的生長情況進行實時的監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)形式以視頻文件為主；第三，對采集到的各種數(shù)據(jù)要存儲到Web服務器中，形成一個基礎信息庫，為智慧農業(yè)的發(fā)展積累第一手數(shù)據(jù)；另外對于監(jiān)測節(jié)點來說，根據(jù)距離的遠近采取動態(tài)的傳輸方式，近距離采取有線方式，遠距離采取無線方式；最后，農業(yè)管理者需要經(jīng)過注冊之后，才能登陸系統(tǒng)，實時掌握農田環(huán)境參數(shù)和農作物的生長情況?；谝陨系脑O計思路，具體方案如下：采用ZigBee和WiFi技術來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析功能。可由以下三個子模塊組成：農田信息采集模塊、農田環(huán)境實時監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。

農田信息采集模塊可由土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器以及小型的氣象信息站，組成一個基于紫峰協(xié)議的無線監(jiān)控測試網(wǎng)絡。主要的功能是采集農作物生長區(qū)域的土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度、CO濃度等主要數(shù)據(jù)。每一個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡，都可以由兩部分組成，一是土壤溫度、土壤濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點，即農田土壤重要參數(shù)的采集。二是網(wǎng)關節(jié)點，具有兩大功能：第一種是作為網(wǎng)絡協(xié)調器，自動地對ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡進行維護和組建，同時也可以對采集的數(shù)據(jù)進行收集匯總；第二種是實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡與監(jiān)控中心信息的傳遞。溫濕度傳感器在監(jiān)測區(qū)域內是呈正三角形狀分布的，通過ZigBee協(xié)議將采集到的協(xié)議發(fā)送到相鄰的路由節(jié)點，通過網(wǎng)關把信息傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，來完成對農田環(huán)境參數(shù)的采集與顯示。農田實時監(jiān)測模塊可由分散在種植區(qū)域的多個視頻監(jiān)控攝像頭（每個攝像頭相距約150米）來實現(xiàn)。WiFi無線視頻監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)由WiFi無線路由及無線網(wǎng)關組成，來負責農作物生長情況實時的監(jiān)控。分布在各個區(qū)域內的攝像頭通過WiFi將捕捉到的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱腤iFi無線路由，以便將視頻數(shù)據(jù)傳輸至無線網(wǎng)關，最后由無線網(wǎng)關將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊主要的作用是對農作物生長區(qū)域的各種數(shù)據(jù)的顯示和農作物實時視頻監(jiān)測的顯示，從而為農業(yè)管理者提供直觀有效的數(shù)據(jù)，進行科學種植。

5 結論與展望

綜上所述，農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)工作流程為：利用安置在農田的傳感器子系統(tǒng)、高清視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、氣象站子系統(tǒng)進行農作物環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集以及實時監(jiān)測農作物的生長情況。通過無線網(wǎng)絡將采集到的各項數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調器網(wǎng)關，協(xié)調器網(wǎng)關再將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心分析處理并最終存儲起來。普通用戶或者農業(yè)管理者只要經(jīng)過系統(tǒng)注冊認證成功之后，都可以登錄到服務器，實時了解農田環(huán)境參數(shù)和農作物生長狀況，在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的前臺界面上，通過不同形式的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式來顯示農田環(huán)境具體的變化情形。

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