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摘要：利用无线传感网等技术来设计现代农业管理的自动化。基于无线传感网、高速传输网络、视频监控等物联网核心技术，实现农业种植环境的全面实时监控管理，达到科学施肥与种植环境参数的实时调整，促进植物的良好生长，提高生产效率。由于采用了物联网技术，具备了灵活应用和扩充的能力，适用于大面积的智能农业自动化管理。
关键词：无线传感网；设施农业；视频监控；农业种植
中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：0517-6611（2016）07-296-04
Abstract：The wireless sensor network technology was adopted to design modern agricultural planting management automation. Based on wireless sensor network， highspeed transmission network， video monitoring and other things of the core technology of Internet of things， comprehensively realtime monitoring and management of agricultural planting environment was realized， realtime adjustment of scientific fertilization and planting environment parameters was achieved， thus to promote plants’ good growth and improve production efficiency. The Internet of things technology， with a flexible application and expansion capacity， is appropriate for largearea intelligent agricultural automation management.
Key words：Wireless sensor networks； Facility agriculture； Video surveillance； Agricultural planting
一直以来，我国农业种植大都采用传统种植管理方式，农作物的生产效率不高。农作物的生长依赖于土壤和气候等主要环境因素，长期以来经验型的管理模式难以有效控制和管理好种植环境的变化，使得化肥和水资源等没有被充分有效利用，导致了大量养分损失并造成环境污染，影响了农业的可持续发展[1]。近年来，信息技术的突飞猛进为智能农业的发展提供了机遇。设施农业种植方式的推广与应用极大地提高了部分农作物的生产效率与产量。当前，农业大棚种植方式已成为快速高效生产蔬菜和水果的主要方法，在农业大棚种植环境中，pH、光照度、湿度、CO2浓度、温度等因素对作物的种植有很大影响，采用人工控制方式难以做到科学种植，而利用信息化技术来实现农业大棚种植环境的自動化管理具有很大优势[2]。
目前，我国设施农业大棚的应用发展十分迅速，如南京万宏测控技术有限公司开发了“智能农业物联网系统”；国外大棚信息化管理系统发展比较早，但是大多价格偏贵，不适合我国国情。笔者根据当前我国的现实情况，经过科学分析和设计，利用无线传感网、宽带网络和视频监控等技术优势，设计实现集智能监测、智能决策和实时控制于一体的智能农业大棚信息化管理系统。
1： 无线传感器网络
无线传感器网络（WSN）是由分布在一定区域内静止或移动的传感器节点组成，这些节点以自组织和多跳的方式构成无线传输网络。无线传感网以协作地感知、采集、处理和传输被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者，完成对感知区域的监控与管理。无线传感器网络系统结构见图1。
无线传感器网络采用Zigbee技术，是一种近距离、低复杂度、低功率、低数据速率、低成本的无线通信技术，
Zigbee技术本身建立在IEEE802.15.4协议基础之上，无线通信一般使用2.4 GHz波段，采用跳频技术。它的主要特点是：大规模、自组织、动态性、可靠性和以数据为中心。网络拓扑结构有3种类形：星形结构、网状结构和簇状结构。网内节点设备按其功能不同分成全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）2类，其中FFD设备具有数据转发和路由功能。
无线传感器网络由终端节点、数据转发节点和协调器节点组成。终端节点负责感知对象信息的采集，经数据转发节点的多跳路由，完成数据信息的传输，最终汇聚到协调器节点，通过协调器接入远程传输网络。
2：设施种植系统架构
设施农业是随着工程技术的发展而出现的，近年来物联网技术的突飞猛进，给设施农业的发展插上了腾飞的翅膀。设施种植大棚以无线传感器网络为基础，采用常见的3层体系结构[3]，见图2。
2.1：信息采集层（感知）：
这是整个设施种植管理系统的基础和前提。在农业大棚种植环境中，pH、光照度、湿度、CO2浓度、温度等植物生长因素是系统管理的基础信息，为此前端感知信息子系统要布设至少5大类传感器来采集，如CO2浓度的信息，这些信息依据事先设定的采样频率间隔实时进入协调器节点，协调器节点与中心控制器交互通信，当大棚空间较大时，也可增设转发节点，达到信息准确安全进入中心控制器。另外，为了实时调节大棚室内环境和植物生长的情况，按需设置设备控制节点和视频摄像头，设备控制节点如抽风机控制，当大棚室内CO2浓度偏高时，要自动启动抽风机来降低CO2的浓度，通过实时图像的采集观察植物生长态势。感知节点、中心控制器、设备控制节点、协调器节点和视频摄像头组成一个前端无线传感网实现大棚室内环境多类环境参数的采集与反馈控制。
2.2：信息传输层[4]：信息采集层获取的各类信息必须通过网络的传输进入云端信息处理中心进行存贮与处理，网络的传输只实现信息透明传输，在设计时可采用移动通信网络或WiFi的方式来实现，基本做到视频图象和环境参数的实时有效传输。
2.3：信息服务处理层（应用）：
通信网络传输的各类信息最终进入云端服务器，实施对各类信息的筛选、处理与存储。云端信息服务系统承担着对设施种植大棚实时环境信息的分析与决策等重要功能，当环境参数越过事先设定的门限时，通过如短信、电话等多种形式报警，也可通过多种方式把信息推送到用户面前（如移动终端查询）。
3：信息采集子系统
信息采集子系统由无线传感网、中心控制器和视频摄像头3部分组成。无线传感网包括了感知节点、协调器节点、设备控制节点3类节点设备；视频摄像头实时获取植物生长状态图象，直接接入中心控制器；中心控制器类似于一个接入网关，与协调器交互通信获取环境信息，通过WiFi或4G网络上传数据给云端信息中心[5]。
3.1：无线传感器网络：
感知节点和设备控制节点统称终端节点。为了全面监测与控制设施种植大棚内环境参数，系统设置了pH、光照度、湿度、CO2浓度、温度等多类传感器节点来采集环境参数，另外也设置了如通风机、电热板、光照机、水喷雾机等调节设备来调控大棚室内环境。终端节点一般由传感器模块（设备控制模块）、控制模块、通信模块和电源模块组成。节点上的传感器或设备控制器根据模块对象不同市场采购，如水喷雾控制可采用磁控制模块来实现[6]。节点的控制与通信模块采用TI公司的MSP430F1611超低功耗MCU和CC2530通信MCU来实现。传感器采集信息经模数转换与MSP430F1611交互通信，经适当处理后转发给CC2530通信模块并通过无线传输方式由协调器接收。CC2530通信模块同时也接收协调器发来的控制信息，来启动和关闭设备控制器来实现对大棚环境状态的调节控制。
终端节点控制软件主要由节点主控程序、无线收发通信程序、感知数据采集程序组成。节点主控程序是核心部分，一方面接收来自感知模块中传感器的检测数据，按要求對这些数据进行处理和计算，并把感知数据传送给通信模块转发出去；另一方面要从通信模块获取外部数据信息，完成对节点硬件其他模块的控制与管理，实现与其他相邻节点进行组网通信。另在空闲情况下，要控制节点进入节能休眠省电状态。节点软件流程见图3。协调器节点与前面的终端节点基本相同，硬件主要包括通信模块、电源模块、节点控制模块和上位机接口模块。与终端节点不同的就是没有了传感器模块而增加了一个与上位机通信的上位机接口模块，接收中心控制器的控制命令并转发给相应的终端节点，同时接收终端节点采集的数据转发给中心控制器。另一主要任务是组建AdHoc网络并进行维护，接收网络中其他监测节点的网络状态信息，为请求入网的节点分配地址，并接收监测信息。协调器节点流程见图4。
3.2：中心控制器：
中心控制器实际上相当于一个接入网关，实现对设施种植大棚环境的实时监控管理，具备数据收集、视频图象采集、存贮管理、分析处理、自动控制和网络信息转发功能[7]。对于一般的无线传感网，协调器通过RS232串行通信方式连接到一台通用计算机，然后作为网关的通用计算机联接到远程网络上，实现信息远程透明传输。该系统采用了单独设计中心控制器来代替传统方案的通用网关，中心控制器采用嵌入式技术，集成了远程通信模块（4G和WiFi）、嵌入式处理系统、嵌入式Web服务器等，这种设计方案有利于本系统的分布式组网和独立式个体使用，具有更好的应用适应能力。
中心控制器由主处理模块、远程通信模快（4G和WiFi）、串行通信模块和视频采集与控制模块组成。主处理模块采用ARM1176JZFS核，它具有处理能力强、功耗低、性能好、成本低的特点，以Linux操作系统作为运行和应用开发平台，Linux系统支持多用户、多进程、实时性好、功能强大并稳定，开放原码且有丰富的开发资源。协调器节点通过串口输入采集到的环境参数，视频摄像头的视频数据直接进入主处理模块，考虑输入信息数据量较大，系统采用SQLite数据库作为信息存储和管理，采用嵌入式Boa服务器软件构建Web服务器，利用CGI使网页具有交互功能，实现通过网络浏览器对整个信息采集子系统进行全面配置管理以及部分信息的查询。远程通信模快（4G和WiFi）实现与上位网络（如英特网）的联接，达到信息的远程可靠传输，采用国内中兴公司生产的中兴MV3500模块，它改变了原有设计方案的“MCU+LTE模块+WiFi芯片”架构，直接将WiFi芯片嵌入LTE模块中，降低了对MCU处理能力的要求，简化了设计[8]。
中心控制器设计方案使得设施种植管理系统具有2种工作模式：一是独立运行模式；二是组网运行模式。独立运行模式采用4G远程通信接入互联网，用户通过客户端浏览器实时对大棚环境信息查询与控制管理。组网运行方式一般采用WiFi方式（或4G）接入网络，可以把多个设施农业大棚组网管理，达到大范围应用。无论那种运行模式都具有自动控制和手动控制2种控制模式。默认情况下为自动控制模式，定期采集大棚内环境参数与植物生长图象。手动控制模式方便管理人员通过Web随时监控现场，并根据情况对大棚环境进行个性化调控，如发送开启通风机命令来降低室内CO2浓度等[9]。中心控制器工作流程见图5。
设施种植大棚视频监控利用智能摄像头实现大棚无缝隙、不间断的视频监控和事件监测、报警，摄像头具有高清晰度的图像采集和转换，完全满足大棚室内环境的安全使用。系统通过调节中心控制器输出的PWM波的占空比，控制云台转动实现大范围监控，视频服务器采用ffmpeg+ffserver构建，使用x264视频编码器压缩视频来减轻对网络传输和存储的压力。
4：云端服务处理系统
云端服务处理系统是设施种植大棚管理的信息处理中心，所有从大棚室内采集的环境信息和监控视频图象经中心控制器适当处理与存储后直接上传到云端服务中心。全部完整的数据都将永久存储在云端，供实时或事后查询、分析处理。应用软件由系统配置管理模块、感知数据存贮与处理模块、监控视频存贮与处理模块、报表处理模块和信息远程服务模块组成[10]。应用软件模块结构见图6。
软件系统采用B/S模式，用户通过客户浏览器登陆服务中心Web服务网站进行全功能的访问。以Visual Studio 2005为开发平台，数据库采用MSSQL Server，全系统用C#语言编写完成。系统配置与管理模块实现全系统的用户信息和权限等管理，设置与大棚感知信息处理、视频监控和中心控制器相关的各类参数，完成系统正常工作准备；感知数据存贮和处理模块实现感知数据的接收、实时存储和随机检索调用处理，按设定条件发送控制信息给中心控制器，实现大棚环境调节和告警提示，实时显示各种感知信息处理图表，联机对存储数据进行智能分析并提供决策信息[11]。监控视频储存与处理模块实现监控视频的实时录存和调用回放，发送命令给中心控制器控制摄像头云台，做到有选择性实时切换监控，并具备一定的视频智能分析处理；报表处理模块主要完成各类报表的生成、汇总与打印。
信息远程服务模块实现移动终端的访问，使得系统用户通过多种手段实现随时随地获取监测、监控数据和信息。远程服务包括2种方式，一是访问中心控制器；二是访问云端服务中心。这2种方式依系统运行模式可灵活采用。中心控制器只存储了最新一定时间内的部分数据和一些配置监管信息，如要全功能访问，需要访问云端服务中心。
5：结语
随着工程技术的进一步发展，设施农业的发展已取得了长足的进步，特别是近几年来物联网技术的快速应用推动了设施农业向更高层次的应用发展。该研究运用无线传感网技术研究设计了设施种植大棚室内环境自动调节管理系统，由于采用了中心控制器方案来前置管理信息采集，增强了系统应用的灵活性和适应性，系统在诸暨智慧农业园区进行了单一大棚试用，效果良好并获得好评。下一步拟开展一定规模的组网试用，根据试用结果进一步对系统进行修正改进。
参考文献
[1] 李军科，吴建军，石祖伟.基于USB存储与GPRS传输的温室大棚参数监测设计[J].中国农机化学报，2015（5）：22-26.
[2] 刘志辉，朱旭东.物联网在设施农业中的应用[J].安徽农业科学，2014（33）：11946-11947，11950.
[3] 乔俊枫，陈克涛，张永猛，等.基于WSN的多层土壤温湿度监测节点及供能优化设计[J].农机化研究，2015（5）：32-35.
[4] 胡泮，杨鹏，史旺旺，等.基于WSN的低功耗水稻土壤水分监测系统[J].农机化研究，2015（1）：23-27.
[5] 闻成章，董桂菊，李广军.基于GPRS的灌區水位智能监测系统设计[J].农机化研究，2015（4）：51-55.
[6] 朱伟兴，戴陈云，黄鹏.基于物联网的保育猪舍环境监控系统[J].农业工程学报，2012（6）：177-182.
[7] 范治政，刘永春.ARM嵌入式控制器在农业大棚中的应用[J].中国农机化学报，2015（2）：23-26.
[8] 赵春江，屈利华，陈明，等.基于 ZigBee 的温室环境监测图像传感器节点设计[J].农业机械学报，2012（11）：192-196.
[9] 彭占武，王雪，袁洪印.鸡舍环境无线监测系统的设计与实现[J].中国农机化学报，2015（5）：28-34.
[10] 张新，陈兰生，钱周铭.城市水质实时监测系统设计与应用[J].环境工程学报，2015（6）：3051-3057.
[11] 黎贞发，王铁，宫志宏，等.基于物联网的日光温室低温灾害监测预警技术与应用[J].农业工程学报，2013（2）：229-236.