科技·探索·争鸣科技视界Science &Technology Vision科技视界※基金项目:嘉兴市科技计划项目(2009AY2016;2010BY6016;2010BY9001);浙江省新苗项目(2012R417039)。
作者简介:莫娇(1991—),女,四川南充人,在校本科生,测控技术与仪器专业,从事软件设计。
通讯作者:张伟(1980—),男,山东沂南人,博士,嘉兴学院,讲师,主要从事信息技术在农业中的应用研究。
0引言我国是一个农业大国,农作物种植在全国范围内都非常广泛。
而农作物的种植灌溉、病虫防害工作的好坏,对于农作物的产量、质量影响至关重要。
传统农业对天气以及农作物的“生理”难以掌控,导致农产品生产成本持续提高、农产品价格波动变化大,农民收益不稳定等。
除此之外,传统农业占地面积大,可生产规模小,不易于集中且收益较小,浪费颇多。
造成资源严重不足,普遍浪费,不能实现产品种类需求多样化等诸多问题[1]。
随着全球现代化以及智能化水平的显著提高,专门用于智慧农业的物联网系统应运而生。
“智慧农业”是以物联网技术为支撑和手段的一种现代农业形态。
其最大的特点是以高新技术和科学管理来换取对资源的最大节约。
智慧农业为现代农业的发展提供了一条光明之路,让我们仔细想想,将各式传感器(如温度、湿度、水分)放置在种植区域,再把众多“农业技术专家”收集的数据输入电脑,建立一套科学的程序。
这样,就形成了用电脑模仿人脑进行推理决策的完整系统,实现了对各种单项的农业先进技术成果进行综合组装配套[2]。
综上所述,智慧农业不仅能提高资源的附加值、减少资源消耗,还能彻底的改变粗放的农业经营管理方式、增强植物疫情防控能力。
本文基于物联网技术在农业中的运用,设计了物联网系统,并对农业施行全面监控,确保了农产品的质量安全,引领了当代农业的跨越式发展。
1物联网介绍到目前为止,对物联网还没有统一的定义。
但通常来说物联网指的是将所有物品通过各种信息传感设备与互联网结合起来,实现智能化识别和管理。
换一种解释,我们可以认为物联网是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络[3]。
无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)是20世纪末发展起来的一种无线自组织网络,是物联网的关键组成部分。
WSN 是传感器信息采集技术、嵌入式计算技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等的综合产物,可以实时感知所需要的信息,以实现实时监控对象,并对这些信息进行处理,传送给用户。
因此,WSN 可精准地获取作物的生长信息,并及时将信息反馈给用户,为操作者提供现场监控的依据,是重要的支撑技术。
2系统的总体设计2.1系统总构架图系统总体结构如图1所示,系统由无线传感器网络、现场用户、远程专家组成。
无线传感器网络采用星状网拓扑结构,节点分为三类:传感器节点、控制器节点与协调器节点。
对于无线传感器网络部分,我们采用了星行网络和网状网结合。
如图所示,每一个单独的监控区域,我们采用了路由节点的星型结构,而在每一个监控区域之间,我们则采用了网状网结构,这种结合更加有效的实现了信号的接收。
此时,采用自组多条路由无线方式把数据传到汇聚节点。
同时,汇聚节点也可将信息发送给节点。
并将汇聚节点直接与用户PC 相连,实现现场用户的监测分析、决策控制等。
此外,对于远程专家,我们通过GPRS 或INTERNET 公司于现场用户PC 相连,帮助用户进行分析与决策,也可以通过汇聚节点直接访问现场节点进行监测分析[4-5]。
图1系统总构架图通过系统总构架图,我们可以清晰的看到设计的原理:归根结底,主要采用了物联网技术,我们用无线传感器收集各块土地上农作物的信息,包括作物生长温度、湿度、水分等生长因子。
再将这些信息传给上位机,通过上位机的分析采取相应的决策。
最后通过GPRS 网络实面向智慧农业的物联网系统设计莫娇1祝增献1江莹旭1张伟1季大夫2(1.嘉兴学院机电工程学院,浙江嘉兴314001;2.嘉兴市宏联电子科技有限公司,浙江嘉兴314001)【摘要】为充分掌握农田间土壤水分、环境温度和湿度、光照、风速、风向等信息数据,实现适时、适地、适量灌溉、施肥与远程管理,本文设计了一种面向智慧农业的物联网系统。
该系统由无线传感器网络、现场用户和远程专家组成。
该系统通过传感器节点采集农田间信息,并将采集到的信息通过无线传感器网络发送给本地用户,用户实时查看农田各区域相关参数,各控制设备的实时状态。
本地用户GPRS 技术与远程专家相连,远程专家提供辅助决策信息(状态评价结果,包括精确施肥、灌溉、杀虫或环境控制建议等),决策信息以决策图的形式提供给用户,实现农业管理的“智慧化”。
【关键词】智慧农业;无线传感器网络;物联网Design of The Internet of Thing System Faced on Wisdom Agriculture MO Jiao 1ZHU Zeng -xian 1JIANG Ying -xu 1ZHANG Wei 1JI Da -fu 2(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Jiaxing University,Jiaxing Zhejiang 314001;2.Jiaxing HonLine Electronic Technology Co.,Ltd.,Jiaxing Zhejiang 314001)【Abstract 】To realize fertilization and remote management ,irrigating timely and moderately,grasping the farmland soil moisture,ambienttemperature and humidity,light,wind speed,wind direction and other data this paper designed a wisdom-oriented agricultural system of things.The system consists of a wireless sensor network,the local user and remote expert.The system collected farmland information by sensor nodes,and the information collected by the wireless sensor network is sent to the local user,the user real-time view of the farmland area-related parameters,real-time status of each control device.Through GPRS technology local users connected to remote expert ,and remote experts provide decision support information (state of the evaluation results,including the exact fertilization,irrigation,pesticides or environmental control recommendations,etc.)decision-making information available to the user as the form of decision diagram,to achieve Agricultural management “intelligent.”【Key words 】Wisdom agriculture;Wireless sensor network;The Internet of things项目与课题14科技视界Science &Technology Vision 科技视界科技·探索·争鸣行远程监控。
2.2农业物联网的体系结构农业物联网主要包括三个层次:即感知层、网络层、应用层[6]。
第一层是感知层,主要是由传感器采集环境与土壤信息。
第二层是网络层,主要采用无线传感器网络-星形网与网状网结合,实现远距离无线传输来自物联网所采集到的信息。
第三层是应用层,可以对农田数字信息进行记录、管理,并精确灌溉,施肥等。
农业物联网的三个层次分别赋予了物联网能全面感知信息以及智能处理信息等特征。
3系统软件设计3.1系统界面设计本软件系统设计,旨在通过各无线传感器节点自动采集农田间的土壤水分信息、环境温度、环境湿度、风速风向等气象信息数据,需要对灌溉量进行控制管理。
远程监控系统界面如图2所示。
图2远程监控中心系统界面图3基于离线模糊决策的灌溉控制图4模糊决策系统界面对于灌溉量,影响因素比较多,并且这些影响因素不能很容易的经测量获得,因此,采用模糊控制的方法,对灌溉量进行控制[7]。
3.2基于Matlab 的灌溉量模糊决策与控制流程图图3为基于离线模糊决策灌溉控制的上位机程序结构图,农田技术人员应用上位机显示的农田数字信息,通过基于气象信息与土壤水分的农田灌溉里模糊决策系统(如图4所示)计算农田灌溉时间,并将计算所得灌溉时间输入至上位机,从而控制系统灌溉时间。
3.3系统监控功能实现系统主要实现了对现场环境的监测,主要包括土壤温湿度、土壤水分、风速以及风向等。
传感器节点将采集到的现场信息通过WSN 上传至服务器端,服务器端通过B/S 模式上传至浏览器。
用户通过浏览器实时在线浏览系统的运行状态,查看各区域相关参数,各控制设备的实时状态,实现远程监控。
由于用户或管理员远程利用Web 界面直观显示该监控系统的环境信息,因此需要在服务器端编写Web 界面程序。
并与SQL 数据库进行信息交互,直观的显示监测区域的环境信息。
另外,设定了参数的阈值报警,当超出阈值时,节点位置信息显示为红色。
除此之外,点击某一节点时,即可实现跳转到相应的节点采集的环境信息界面,同时可以查询历史曲线。
历史数据也是系统很重要的一部分,历史数据一方面以曲线的直观形式展示出来,图5所示;另一方面,历史数据以表格的形式存储在服务器中,用户可以根据需要点击查询按钮,选择查询不同时间的数据信息。
图5历史数据曲线4结论物联网的显著特点并不在于它是一个庞大而复杂的系统,而是技术的综合性和体系化[8]。
本文所提出的面向智慧农业的物联网设计,可检测土壤温湿度、土壤水分等并对其作自动管理———通过监控系统来控制作物的灌溉量。