石新平

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院 湖北·武漢 430068）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，采用rfid、傳感器和無(wú)線通訊等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸覆蓋。繼現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)也開(kāi)始逐漸地成為我國(guó)現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)和當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展新興的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略制高點(diǎn)，這有利于推動(dòng)和促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)、電力、物流、安防、交通、醫(yī)療和環(huán)保等多種場(chǎng)景，其運(yùn)營(yíng)模式也愈加成熟。

1 研究的背景與意義

我國(guó)的人口已經(jīng)占到了全世界總?cè)丝诘?2%，而我國(guó)的耕地面積僅僅為全世界耕地面積的7%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為第一大支柱產(chǎn)業(yè)，就是實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的根本。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)仍然存在著需要從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變的問(wèn)題。

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的問(wèn)題

由于我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手段落后，主要依賴(lài)于人力、牲畜的勞動(dòng)力與各類(lèi)手工工具和一些較為簡(jiǎn)易的機(jī)械。在現(xiàn)實(shí)中最大的問(wèn)題便是：第一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在污染與浪費(fèi)。第二，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出少、農(nóng)民收入低。第三，農(nóng)產(chǎn)品的品種少。依靠著這些落后的生產(chǎn)工具及生產(chǎn)技術(shù)來(lái)維持著簡(jiǎn)單的再生產(chǎn)。由于目前我國(guó)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率較低，農(nóng)業(yè)年均生產(chǎn)量提高緩慢，使得我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)也無(wú)法在經(jīng)濟(jì)上取得很好地進(jìn)步，這也就阻礙了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。就是說(shuō)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的自身經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)已陷入了一個(gè)惡性循環(huán)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)方式轉(zhuǎn)變和發(fā)展的過(guò)程中，它們所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)便是如何才能夠保證其農(nóng)產(chǎn)品供給總量、調(diào)整其農(nóng)業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)其農(nóng)產(chǎn)品高端服務(wù)、生產(chǎn)效益低下、資源嚴(yán)重缺乏且利用率較低、環(huán)境污染等方面的問(wèn)題。因此，關(guān)于現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)的探索，就顯得十分必要和重要。

1.2 精確農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

精確農(nóng)業(yè)(precision agriculture)這就是引入我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種創(chuàng)新性潮流技術(shù)，是依托互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)信息技術(shù)所提供支撐的，根據(jù)空間，定位、定時(shí)、定量來(lái)建立起一整套適合于各種現(xiàn)代化的農(nóng)事作物操控技術(shù)與其他相關(guān)的系統(tǒng)。其中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包含如下內(nèi)容，根據(jù)田塊內(nèi)所有農(nóng)作物正在生長(zhǎng)的土壤特點(diǎn)及其所處的自然環(huán)境性狀，調(diào)節(jié)所有生產(chǎn)農(nóng)作物資金的投入，即一方面檢測(cè)所有生產(chǎn)農(nóng)作物田塊內(nèi)部的土壤特點(diǎn)及其生產(chǎn)能力的改變，另一方面制訂合理地農(nóng)作物的發(fā)展規(guī)劃，對(duì)其進(jìn)行了定位?！跋到y(tǒng)診斷、優(yōu)化原材料配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)了我國(guó)當(dāng)前土壤的生產(chǎn)能力，以最少的或者說(shuō)是可以通過(guò)節(jié)約資金和更多人力投入來(lái)達(dá)到同等的經(jīng)濟(jì)收入或者更高的水平，并且最大限度的保護(hù)環(huán)境，高效率地綜合利用各種農(nóng)業(yè)資源，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與良好的社會(huì)環(huán)境效益。精確型農(nóng)業(yè)由十大系統(tǒng)共同組合構(gòu)成，即農(nóng)田定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息搜索收集系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)科技人才專(zhuān)家系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)整合、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)及人才培養(yǎng)等系統(tǒng)。其中最為核心的一個(gè)宗旨就是要建立一個(gè)現(xiàn)代化的農(nóng)田土壤地理信息系統(tǒng)（gis），我們也可以這么說(shuō)，把現(xiàn)代化信息技術(shù)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完美的融為一體的新型現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。而且精確型農(nóng)業(yè)也并沒(méi)有太多強(qiáng)調(diào)高產(chǎn)，主要還是強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)效益。它將我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)一步帶入了新的數(shù)字化與信息時(shí)代，這就是21世紀(jì)我國(guó)推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大目標(biāo)。精確農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)包括：精確土地檢測(cè)工藝、精確種子工藝、精確均衡施肥工藝、精確播種、精準(zhǔn)灌溉、作物動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理技術(shù)、精確采摘技術(shù)、精確收割技術(shù)。與我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)相比，精確式農(nóng)業(yè)主要具備以下幾個(gè)特征：

（1）合理施用化肥，減少環(huán)境污染。

（2）減少與節(jié)約水資源。

（3）節(jié)本增效，省工費(fèi)又簡(jiǎn)單，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1.3 農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的支柱

我國(guó)特色社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的改善都離不開(kāi)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率的持續(xù)創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展很好地推動(dòng)和提升了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和服務(wù)效能，促進(jìn)了對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的信息技術(shù)精準(zhǔn)化管理，推進(jìn)了對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的合理高效利用。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，將在以下幾個(gè)方面推進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展：

（1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)先進(jìn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)可以迅速、實(shí)時(shí)、精確地獲取各種農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要采集到的信息上傳給后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理中心，分析完成后就已經(jīng)可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、大范圍、自動(dòng)化的管理和控制，物聯(lián)網(wǎng)正在推動(dòng)著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，把其智能化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、規(guī)?；?，推向了更高層次的發(fā)展。成為我國(guó)現(xiàn)代化大型農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)和支持。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)就是根據(jù)合同中所規(guī)定的協(xié)議，將任何一件物品經(jīng)由紅外傳感器、射頻識(shí)別、激光掃描器和全球定位系統(tǒng)等各種傳感器設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，并在這一點(diǎn)的基礎(chǔ)上自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的通訊交換，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)定位、識(shí)別、追溯和監(jiān)控的全方位智能化網(wǎng)絡(luò)。

2.2 智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)智能培育和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)智能化培育與環(huán)境監(jiān)視管理系統(tǒng)主要由zigbee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及控制裝置和控制中心四個(gè)方面構(gòu)成。其中，zigbee網(wǎng)絡(luò)主要由一個(gè)監(jiān)測(cè)地區(qū)內(nèi)的多根簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上采集光強(qiáng)和相應(yīng)的溫濕度等農(nóng)業(yè)條件下的情況數(shù)據(jù)信息后，經(jīng)zigbee網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)。由于各類(lèi)農(nóng)業(yè)的行情信息都很有可能會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生不同程度的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)其具體情況添置各類(lèi)傳感器，農(nóng)作物生長(zhǎng)速度和其發(fā)育狀態(tài)受周?chē)h(huán)境條件的溫度和空氣中濕度變化影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要添置一個(gè)空氣中的溫濕度傳感器。網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有自適應(yīng)的切換網(wǎng)絡(luò)功能，可以將zigbee網(wǎng)絡(luò)與傳輸網(wǎng)絡(luò)直接聯(lián)系在一起，并把所有的數(shù)據(jù)都傳送給控制中心?？刂浦行慕邮盏綌?shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理并將其存入到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)對(duì)匯總和分析所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理，再根據(jù)技術(shù)人員的決策和系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的反饋來(lái)完善控制指令，使得問(wèn)題能夠在及時(shí)準(zhǔn)確地被發(fā)現(xiàn)和有效地解決，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理和指導(dǎo)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和獲取農(nóng)業(yè)狀態(tài)的信息，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)追溯。技術(shù)研發(fā)者和工程師們要結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的自身生長(zhǎng)狀態(tài)，制定合理的種植和培育策略，然后將一臺(tái)采用集成或者嵌入式的tcp/ip協(xié)議種植和培育裝置的網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，遠(yuǎn)程地執(zhí)行并制定計(jì)算機(jī)提供給他們所指示的種植和培養(yǎng)策略，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)其進(jìn)行諸如光照強(qiáng)度、灌溉期限、除草劑含量和濃度的自動(dòng)調(diào)節(jié)等一系列相應(yīng)的反饋。

2.3 智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸控制和管理系統(tǒng)

農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸控制和管理系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)發(fā)放指令后在再車(chē)輛上安置相關(guān)GPS+GPRS單元，一旦車(chē)輛駛離管理中心，車(chē)輛上的GPS+GPRS單元就會(huì)將車(chē)輛的基本信息反饋到控制平臺(tái)。除此之外，控制平臺(tái)還提供通過(guò)汽車(chē)上各種農(nóng)產(chǎn)品盒或箱體上的紅色傳感器，及時(shí)了解和掌握農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸環(huán)境中各種農(nóng)產(chǎn)品的溫度、濕度，進(jìn)而保證農(nóng)產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量；控制平臺(tái)可將gsm及gprs組成即時(shí)語(yǔ)音通訊中心，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制軟件與運(yùn)輸途中的汽車(chē)或者交通工具保持聯(lián)系，這在一定程度上使我們能夠及時(shí)地解決汽車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生的各種緊急情況。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)部分模塊的設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中自適應(yīng)切換的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是重要的一個(gè)構(gòu)成部分，該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制中心和子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相互連接的所有設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)參照子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的相互連接方式對(duì)其進(jìn)行自主切換，并可以利用數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)把它們傳輸?shù)竭b感器監(jiān)視平臺(tái)，根據(jù)監(jiān)視平臺(tái)上所下達(dá)的信號(hào)和指令對(duì)其進(jìn)行處理。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)主要有軟件和硬件兩種設(shè)計(jì)，其中，硬件的設(shè)計(jì)主要是采用了核心板、模塊化及與接口基礎(chǔ)底板的分離設(shè)計(jì)思想，通過(guò)采用嵌入式雙mcu結(jié)構(gòu)的方法來(lái)改善互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)電磁干擾的抵御能力。其中，底板上囊括了多個(gè)介入式傳輸網(wǎng)的功能模塊，如：cdma、gprs以及可擴(kuò)展的以太網(wǎng)等；而基于底板和核心基礎(chǔ)的配套能夠?yàn)槲覀兘⒁粋€(gè)資源耗電較少、體積小以及數(shù)字化處理功能強(qiáng)大的應(yīng)用系統(tǒng)。這種最小型系統(tǒng)的核心板和聯(lián)合底板的設(shè)計(jì)方法和形式，不但能夠滿(mǎn)足各個(gè)層次的應(yīng)用要求，而且能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減或者調(diào)整底板的功能。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中125kHz免驅(qū)讀卡器的自主開(kāi)發(fā)

智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用體驗(yàn)系統(tǒng)中，自主研制出125khz免驅(qū)式多路讀卡器，其內(nèi)部裝置有天線，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以達(dá)到隨處皆宜的效果。這種閱讀式寫(xiě)卡器更為小巧靈活，能夠進(jìn)一步地提升閱讀的速度，并且可以在任何一個(gè)編輯框中直接讀入或者定制卡號(hào)。同時(shí)，該種類(lèi)型的讀卡器所適用的領(lǐng)域也比較廣泛，如：手持機(jī)刷卡儀器、pos機(jī)的數(shù)據(jù)輸入裝置、pc機(jī)的數(shù)據(jù)讀出等。這主要是由于125khz免驅(qū)的數(shù)字讀卡器在其設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用了一種低頻、免驅(qū)的讀頭進(jìn)行改制而成，同時(shí)，還充分地例用電荷泵的工作原理，構(gòu)建H橋，大幅度地增加了線圈的工作功率。另外，125khz免驅(qū)式讀卡器也是可以通過(guò)LC的配對(duì)和諧振，并且讀卡器可以直接通過(guò)包絡(luò)檢波、非門(mén)單元整形濾波或者是去除一個(gè)毛刺的信號(hào)等波形后從其中獲得Manchester的一個(gè)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行輸出，再通過(guò)一個(gè)較小的功耗以及較少的成本STC51 MCU譯碼以ps/2的字節(jié)為時(shí)序進(jìn)行輸出，轉(zhuǎn)到usb芯片上后再進(jìn)行輸出。

4 小結(jié)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這在一定程度上推進(jìn)了農(nóng)業(yè)的信息化和智能化。本文主要通過(guò)研究智能農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)并闡述其總體結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而為提升農(nóng)作物的生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品的流通等智能化和信息化管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化飛速發(fā)展的目標(biāo)。