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設施農業(yè)智能監控分析論文
1農業(yè)控制設施
設施農業(yè)是近年來(lái)隨著(zhù)農業(yè)環(huán)境工程技術(shù)的突破，迅速發(fā)展起來(lái)的一種集約化程度很高的農業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。由于設施農業(yè)是在人為可控環(huán)境保護設施下的農業(yè)生產(chǎn)，擺脫了傳統農業(yè)生產(chǎn)條件下自然氣候、季節的制約，以超時(shí)令、反季節生產(chǎn)的設施園藝作物為主，不僅使單位面積產(chǎn)量及畜禽個(gè)體生產(chǎn)量大幅度增長(cháng)，而且保證了農牧業(yè)產(chǎn)品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應。設施農業(yè)目前已由簡(jiǎn)易塑料大棚、溫室發(fā)展到具有人工環(huán)境控制設施的自動(dòng)化、機械化程度極高的現代化大型溫室和植物工廠(chǎng)。設施農業(yè)在具有高附加值、高效益、高科技含量的設施園藝領(lǐng)域發(fā)展迅速，其栽培對象主要為蔬菜、花卉和果樹(shù)。近年來(lái)，設施畜牧業(yè)、設施水產(chǎn)養殖也在逐漸興起。國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于上世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現了分布式控制系統，現階段開(kāi)發(fā)和研究集中于計算機數據采集控制系統的多因子綜合控制系統、多數據融合技術(shù)等[1，2]。目前，世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現自動(dòng)化的基礎上正向著(zhù)完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。鑒于此，本文提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的設施農業(yè)監控系統設計。
2無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統組成
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統（SOC，SystemonChip）、微機電系統(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無(wú)線(xiàn)通信和低功耗嵌入式技術(shù)基礎上發(fā)展形成新型應用技術(shù)，融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )，其網(wǎng)絡(luò )拓撲動(dòng)態(tài)變化，具有隨機部署、自組織、分布式結構、等特點(diǎn)、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應性強等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統由網(wǎng)關(guān)/匯聚節點(diǎn)（sink）、傳感器節點(diǎn)、管理節點(diǎn)組成。其中，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)負責對各節點(diǎn)傳感器數據的收集、處理及與外網(wǎng)的通信，作為數據采集的傳感器節點(diǎn)響應網(wǎng)關(guān)的請求，搜集周?chē)男畔�，如溫度、濕度等；同時(shí)還要兼具有路由功能，通過(guò)路由協(xié)議直接或者通過(guò)作為多跳中轉者的節點(diǎn)中轉到sink節點(diǎn)，再借助臨時(shí)建立的sink鏈路把整個(gè)區域內的數據傳輸到遠程中心；管理節點(diǎn)接收各點(diǎn)數據，進(jìn)行分析和處理。各節點(diǎn)采用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監控區域，并自組織成網(wǎng)絡(luò )。
3硬件設計
該監控系統由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、管理節點(diǎn)及各種執行機構等組成，各傳感器節點(diǎn)負責數據的獲取及傳送，管理節點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示獲得的數據并進(jìn)行相應處理，結合農業(yè)專(zhuān)家系統對相關(guān)量進(jìn)行控制。
3.1傳感器節點(diǎn)
傳感器節點(diǎn)之間通信采用基于Zigbee技術(shù)的CC2530芯片實(shí)現（圖3所示）。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的一種短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、低成本、低復雜度等特點(diǎn)。Zigbee遵循開(kāi)放系統互連（OSI）參考模型，協(xié)議棧包括物理層、媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層，支持自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)；通訊距離從標準的75m到2km，并且支持無(wú)限擴展；工作頻率為2.4GHz和868/928MHz，主要面向消費電子、家居和樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、計算機外設、醫療護理等領(lǐng)域的應用[5]。CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款基于具有SOC（片上系統)，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準，芯片集成了2.4GHz直接序列擴頻RF收發(fā)器、工業(yè)級增強型805l微處理核、高達256KB閃存、8KBRAM、8通道12位A/D轉換器，2個(gè)USART接口，21個(gè)通用接口GPIO等，四種供電模式，具有較高的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作溫度為-40℃～+125℃，工作電壓2.0～3.6V，休眠時(shí)功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模塊由可充電電池、太陽(yáng)能電池和電源管理單元構成，確保各節點(diǎn)長(cháng)時(shí)間穩定工作。
3.2網(wǎng)關(guān)/匯聚節點(diǎn)
網(wǎng)關(guān)/匯聚節點(diǎn)設計如圖4所示，RS232接口與DM9161芯片[7]連接，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的接入；顯示模塊用于通信流量、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)監測，便于網(wǎng)絡(luò )安裝調試和故障診斷。
3.3檢測參數及傳感器節點(diǎn)的設置
設施農業(yè)中檢測的參數有溫度、濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤溫度、土壤養分、各種被控對象的開(kāi)關(guān)量等。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )采用電池供電，傳感器選擇時(shí)要考慮功耗等因素；另外，不同參數在測點(diǎn)分布及數量配置不盡相同，在設置節點(diǎn)時(shí)可適當整合，在滿(mǎn)足要求的情況下提高復用率，具體如下：①溫、濕度節點(diǎn)：用于溫室溫、濕度監測，溫度傳感器選用單總線(xiàn)數字式DS18B20，測溫范圍為-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高達±0.0625℃，響應時(shí)間＜1s。濕度傳感器選擇頻率輸出濕度模塊HF3226，HF3226采用濕敏電容HS1101設計制造，具有寬量程：10～95%RH，性能穩定，體積小，比例線(xiàn)性的頻率輸出，精度±5%RH，工作溫度范圍–40～80℃。②光照度、CO2節點(diǎn)：傳感器采用PD-LL，測量范圍0-20000lux，精度：±2%。CO2傳感器選擇TGS4160固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件，測量范圍：0～5000ppm；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；使用溫度：-10～＋50℃。③土壤溫度、水分、養分節點(diǎn)：土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL，適用于測量任何類(lèi)型土壤的體積含水量，測量范圍：0-100%，誤差<3%，重復性誤差<1%；土壤養分的測定包括土壤有機質(zhì)、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測，可采用離子、生物傳感器。④開(kāi)關(guān)量節點(diǎn)：包括天窗、濕簾、噴灌等狀態(tài)檢測，提供控制系統輔助信息，可用接近開(kāi)關(guān)或光電開(kāi)關(guān)實(shí)現。
4軟件設計
4.1監控系統軟件
監控系統采用模塊化設計，基于VC++6.0編寫(xiě)，采用數據庫操作方式實(shí)現節點(diǎn)數據存儲和讀取，并對相應參數進(jìn)行控制。系統分為通信模塊、數據顯示模塊、數據庫管理及歷史記錄查詢(xún)模塊、農業(yè)專(zhuān)家決策系統和控制模塊。
4.2傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)程序設計
傳感器節點(diǎn)的主要工作是數據采集、網(wǎng)絡(luò )連接并承擔部分路由功能，保持與臨近節點(diǎn)的通信，檢測鏈路狀態(tài)等。為降低網(wǎng)絡(luò )的平均功耗、實(shí)現自適應組網(wǎng)，可采用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應的分簇拓撲算法[8]，選舉產(chǎn)生簇頭，由簇頭簇區域內的數據收集和融合并傳送至匯聚節點(diǎn)，負責路由選擇等工作。簇頭可動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。
5結束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，各傳感器分工協(xié)作，自主組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )拓撲動(dòng)態(tài)變化，具有隨機部署、自組織、分布式結構、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應性強等特點(diǎn)。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，相比于WiFi、Bluetooth等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，ZigBee協(xié)議的復雜度大大降低�；赯igBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、費用低、易擴展、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。文章提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的設施農業(yè)監測系統解決方案，順應設施農業(yè)環(huán)境監控自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展趨勢，具有廣泛的應用前景和推廣價(jià)值。如果對傳感器節點(diǎn)稍加修改，重新配置，可應用于環(huán)境監測、醫療、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。
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