基于物联网技术的休闲农业智能监测与培育系统

引言

以感知和智能为特征的物联网技术的应用，使传统农业模式转变为以网络信息为中心的智能农业模式，让农业生产实现自动化、网络化、智能化。休闲农业园区更需要智能化，不仅是农业智能化的需要更是休闲游智能化的需要。其中,休闲园区农情信息采集是基础，农情信息包括土壤温湿度、光强、微量元素含量、CO2浓度、pH值、降水量、空气湿度和气压、病菌发生动态、作物长势等可以通过传感器收集，经由ZigBee网络传送到网关，再由网关经过传输网传到控制中心，通过网络访问实现对休闲园区的实时欣赏和在线管理。基于农业物联网技术的休闲农业环境监控与培育系统的设计与实施，不仅能给农业生产带来科学管理和高效益，更为休闲农业旅游增加乐趣，也为农业信息化和旅游信息化提供了可靠的技术基础，将为中国休闲农业与世界提供同步的发展平台,更对传统农业升级起到巨大的推动作用。

1休闲农业智能监测与培育系统结构

传感网络是物联网的主要支撑技术之一。无线传感器网络(wirelesssensornetworks，WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者叫WSN应用极其广泛，当前主要应用于智能农业、国防军事、智能建筑、国家安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面。目前最常用的搭建无线传感器网络的新兴技术之一是ZigBee技术。基于ZigBee无线传感器网络的休闲农业监测与培育系统结构如图1所示,系统由ZigBee网络、培育控制设备、网关和控制中心组成间。其中，无线传感网络由部署在休闲园区内的ZigBee网络节点组成，其网络节点包括传感器节点、路由节点和汇聚节点，传感器节点、路由节点以自组织的方式构成网络，将采集到的农情信息以多跳的网络方式传送到汇聚节点，由汇聚节点负责接收和处理这些数据信息后传送给网关，通过网关接入传输网络将信息传到控制中心或是通过传输网络中的蜂窝网传到用户手机。在休闲农业园区配备集成有嵌入式TCP/IP协议的培育设备并接入Internet,可以通过远程控制执行所制定的培育策略，远程节点收到控制命令后会做出响应，例如调节光照强度、灌溉时间等。实现将物理世界的农田搬到网络中，通过网络进行实时在线管理。智能中心是实现信息汇集、分析、处理及决策等功能的数据中心，包括数据管理系统、决策系统和网络管理系统，由相应的软硬件及网络协议组成。

2传感器节点设计

2.1传感器节点的硬件结构

无线传感器网络节点是组成传感网络的基础支撑平台，此类应用系统实现的重要基础是硬件设计，传感器节点设计特别是硬件设计是整个ZigBee无线传感器网络系统设计的重要部分。进行硬件设计时首先根据项目需求确定主要的功能芯片和相应传感器，芯片的选择须考虑满足该系统所要求的低成本、低功耗、体积小、稳定性好的要求。本系统的节点在功能芯片选型时采用SoC(system-on-chip)解决方案，即把微控制处理器和射频模块都集成在一块芯片上。本系统中的节点选用TI公司微功耗的CC2530芯片，该芯片是新一代真正的片上系统解决方案，集成了处理器模块和无线通信模块，体积小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式，支持IEEE802.15.4标准/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的应用，其节点的硬件结构如图2所示[8]，该结构在CC2530芯片的基础上搭建了功能外围电路，配合系统底板进行联合开发。

2.2传感器节点软件设计

节点的软件设计直接影响其性能和网络的稳定性。本系统中的节点遵循“休眠一被唤醒一正常工作”的工作模式。

传感器节点的软件设计主要是在节点中移植与构建Zigbee-Z-Stack协议栈，并在此基础上进行二次开发。ZStack-

CC2530-2.3.1-1.4.0软件全面支持ZigBee与ZigBeePRO特性集并符合最新智能能源规范。ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0软件可与TI的SmartRF05平台协同工作，该平台包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收发器以及CC2591

距离扩展器，通信连接距离可达数千米。

传感器节点具有功耗低的特点，支持睡眠模式。节点通电后先进行初始化，进入低功耗模式，处于休眠状态，处理器停止工作而无线通信模块处于低功耗的接收状态。当节点被查询时则唤醒该节点，开始采集数据，对采集的数据进行简单处理、储存，延时等待发送命令，收到命令后将数据发送出去，发送成功后，又重新回到低功耗模式。如果延时结束时还没有收到命令，则脇明是通信出现故障，应及时进行通信故障处理，如此循环。其传感器节点的工作流程如图3所示。为了避免节点经过若干次休眠唤醒循环后出现唤醒不同步的情况，设计方案中加入时间同步机制。节点根据网络的同步信息调整自身的定时参数，有效抑制了时间误差的叠加，避免了节点间唤醒的不同步，极大地提高了整个网络的稳定性。

3智能中心设计

智能中心是数据汇聚和决策中心的智能数据中心，由相应的软硬件及网络协议组成，其核心是三个管理系统：数据管理系统、决策系统和网络管理系统。

通过具有自适应切换功能的网关将休闲农业传感器网络接入传输网络将监测数据传送到智能中心的数据管理应用系统，该系统对数据进行接收、存储、处理，结合决策系统发出反馈控制信息和指令。网络管理系统负责对网络及应用进行管理，该系统包括基于Web的数据管理与查询的子系统，方便用户进行浏览和提取等操作；同时，该系统可以显示网络信息，包括网络拓扑信息、节点连接强度信息和电池电量信息等。

在决策系统中，设计农情信息和自动精准灌溉等多个决策模型。参照各个子模型，该系统可根据感知到的环境信息及作物生长信息，自动进行相应的远程控制或是自动培育控制。

4结语

将物联网技术应用于休闲农业是加快休闲农业信息服务体系建设的任务之一。本文设计了基于物联网技术的的休闲农业智能监测与培育系统，给出了系统的总体结构设计图，详细介绍传感器网络节点的软硬件设计，概要说明智能中心的构建。这样的系统以物联网为基础，将虚拟和现实相结合，实现了对休闲农业园区的智能监测和远程培育，满足人们对绿色、有机、环保农作物的欣赏和需求，提升了休闲农业的趣味性。

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