基于农业物联网监测系统的农田土壤墒情监测系统研究

托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。基于农业物联网监测系统的农田土壤墒情监测系统研究摘要：精准农业是2l世纪世界农业主要发展方向。本文就基于物联IN(InternetOfThings，lOT)技术实现区域农田土壤墒情监测的技术路线、系统设计、应用开发进行了深入的研究，提出了通过无线传感器网络(WSN)，实现农田土壤温度、湿度等土壤墒情信息进行自动化采集与存贮的信息系统设计。通过该系统的推广与应用，必将为获取精确的作物环境和作物信息提供有力的支持，推进当前精准农业研究的进一步发展。关键宇：农业物联网监测系统；无线传感网络；精准农业1引言物联网概念在1999年提出，是将所有物品通过各种信息传感设备，如射频识别装置、基于光声电磁的传感器、3S技术、激光扫描器等各类装置与互联网结合起来，实现数据采集、融合、处理，并通过操作终端，实现智能化识别理。物联网技术在农业中的应用既能改变粗放的农业经营管理方式，又能提高动植物疾情疾病防控能力，确保农产品质量安全，引领现代农业发展。随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。浙江托普仪器有限公司和浙江大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。托普农业物联网核心产品均属于自有品牌，自主研发生产。托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。托普农业物联网系统主要包括三个层次：感知层：采用各种传感器（如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土壤温湿度等）获取植物的各类信息。传输层：信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。应用层：根据WSN获取植物实时生长环境。图温湿度、光照参数等，收集各个节点的数据，进行存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常信息进行自动报警。加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进行实时监控。精准农业是21世纪世界农业主要发展方向。在美国、加拿大等农业发达国家，精准农业已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，成为农业可持续发展的重要途径【1]【2]。农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70％。据统计，因干旱造成我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的50％。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40％。土壤水分是作物生长的关键性限制因素，土壤墒情信息的准确采集是进行农田的节水灌溉、最优调控的基础和保证，对于节水技术有效实施具有关键性的作用。对土壤墒情信息，从宏观到微观的监测预测和动态分析，传统获取手段已很难实现。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。快速有效地描述影响作物生长的田间信息，成为目前开展精细农业实践迫切需要解决的基础问题之一。农业物联网监测系统为农田信息获取提供了一个崭新的思路。物联网是通过射频识别、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。监控和管理的一种网络[3】[41【5】。将传感节点布设于农田等目标区域，网络节点大量实时、精确地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息，这些信息在数据汇聚节点汇集，网络对汇集的数据进行分析，帮助生产者有针对地投放农业生产资料等，从而更好地实现耕地资源的合理高效利用和农业现代化精准管理，推进农业生产的高效管理、提升农业生产效能。应用农业物联网监测系统重要组成的无线传感器网络进行农田土壤墒情信息获取可以满足快速、精确、连续测量的要求。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点，已逐渐渗透到农业领域。国外目前已有相关的理论与应用研究。美国加州Camalie葡萄园在1．78hm2区域部署了20个Crossbow公司的Mica2dot节点，组建了土壤温湿度监测网络，同时还监测酒窖内储存温度变化，2005年和2006年葡萄产量分别较上一年翻了一倍，同时也改善了葡萄酒品质，节省了灌溉用水。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线传感葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔lmin检测1次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。国内一些科研院所和高校展开了相关研究，但国内在这方面的研究则还处于较低的水平，应用不广泛。随着物联网的出现，对于实施农田精准作业过程，农田环境信息的采集则要求更加精确、及时。当前，农田信息获取的主要方式有：手持设备的人工获取方式、基于GPRS监测方式和基于WLAN监测方式等【6】【71。利用手持设备人工打点，来获取农田土壤信息是最原始的方式，该方式不但需要耗费大量的人力、不具有实时性，而且数据的获取量有限，显然已不能满足当前农田土壤墒情监测的需求。本文设计的系统主要针对物联网无线传感器网络系统在农田土壤墒情信息采集方面开展研究工作。该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee白组网方式构成[8Ⅱ9f，实现土壤墒情的连续在线监测。主要包含两个重要部分：即环境区域内的无线网络部分及实现远程数据传输的通信网络部分。无线网络选择星型网络连接拓扑；远程数据传输采用Internet实现，采用嵌入式Internet接入技术实现无线网络与Internet网络通信；以土壤的温度、湿度等参数采集为模型完成监测区域内环境参数采集。从而满足精准农业作业对农田信息精确托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。度、实时性等要求。2系统设计2．1无线传感器网络监测系统整体框架本研究中无线传感器网络系统包含两个重要部分，即农田环境区域内的无线网络部分及实现远程数据传输的通信网络部分。无线网络选择星型网络连接拓扑；远程数据传输采用Internet实现，采用嵌入式Internet接人技术实现无线网络与Internet网络通信；以温度、湿度等参数采集为模型完成监测区域内土壤信息参数采集，具体设计方案如图1所示。每个Zigbee终端连接传感器完成数据采集，数据采集作为Zigbee应用层应用对象以端口形式与协议栈底层进行通信，数据从应用层传输到物理层。之后，物理层进行能量和空闲信道扫描检测空闲信道，当得到空闲信道，物理射频模块将数据以无线电波形式无线发送。协调器射频模块接收到数据包，物理层通知上层接收到数据，数据从物理层又逐层向上层传输，每向上一层就去掉下层的包头、包尾以这种形式将数据包解包。当数据传输到协调器应用层，数据通过串口发送到网络模块，网络模块采用网络协议与Internet网络连接，实现无线网络与Internet网络的对接。2．2无线传感器节点设计本研究传感器节点具有端节点和路由的功能。一方面实现数据采集和处理；一方面实现数据融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。传感器网络节点由处理器单元、无线传输单元、托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。传感器单元和电源模块单元四部分组成。处理器单元是无线传感器节点的核心，与其它单元一起完成数据采集、处理和收发；无线通信单元完成数据包的收发；传感器模块完成环境数据的采集转换；电源模块为整个节点系统提供能源支持。本研究选择微处理器加无线射频模块的节点模型，无线传输技术采用802．15．4(Zigbee)技术。系统处理器采用CC2431芯片。2。3Internet接入模块的设计本系统采用Zigbee无线网络与Internet网络连接形式实现数据远程传输。将TCP／IP扩展到嵌入式设备，由嵌入式系统自身实现WEB服务器功能。通过无线网络的协调器节点与Internet网络接入模块或服务器相连，无线Zigbee协议在协调器上实现，TCP／IP协议在网络接人模块上实现。具体连接如图2所示。该方式将Zigbee数据帧在协调器中由协议栈解包，通过串口RS232将数据发送到Internet接入模块，网络模块将数据简单处理融合重新采用TCP／P协议打包，实现Intemet接入。该Intemet网络模块硬件采用ARM9处理器，嵌入式操作系统为“c／os—II。3系统技术指标微功耗无线传感器技术指标：1．功率为10roW；2．接收时电流18mA，发射电流小于或等于40mA；3．多信道模块标准配置提供4个信道；4．组网功能，达128只无线传感器的网络；5．接口波特率为1200／2400／4800／9600／19200Bit／s，可设置；6电池选配450mAh。无线传感器节点网络设计采用Zigbee协议，采用星型拓扑结构。该无线传感器网络监测系统在开发成功后，除区域农托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。田土壤墒情信息监测之外，还可以广泛应用于粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制；厂房环境的温度、湿度控制；实验室环境的温度、湿度控制等方面，随着物联网应用范围的扩大，其市场应用十分广阔。4结束语本文通过对物联网农田土壤墒情信息采集系统研究，对农业种植户而言，传感器网在农业中的应用可以摆脱传统农业生产依赖天气，凭经验生产的方式，将使现代农业走上工厂化生产，精细化生产的道路，使农业产业工人足不出户即可接受农业专家的指导，农业产量与质量得到提高。对于运营商而言，物联网在农业生产的应用，有利于拓展无线城市的应用方向，有效地利用无线网络，一旦网络在农业中得到普及，运营商可以获得源源不断的收益。对于政府而言，农产品产量与品质的提高，有利于塑造地方农业品牌，服务三农，惠及广大农民。同时为物联网在现代农业中的应用抢得先机，尽快提升产业升级。总之，在推进农业信息化建设实践中，物联网信息采集技术成为不可缺少的重要环节。如何将低成本、高效率、智能化设备应用于农田信息采集，有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息成为当前精准农业研究的一个重要方向。参考文献：[1]罗锡文，臧英，周志艳．精细农业中农情信息采集技术的研究进展[J】．农业工程学报，2006，22(1)：167—173．[2]王凤花，张淑娟．精细农业田间信息采集关键技术的研究进展【J]．农业机械学报，2008，39(5)：112～121．[3]李建中，高宏．无线传感器网络的研究进展[J]．计算机研究与发展，2008，45(1)：卜15．[4]张瑞瑞，陈立平，郭建华．农田土壤监测无线传感器网络通信平台[J]．农业工程学报，2008，24(2)：8卜84．[5]高峰，俞立，张文安等．基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J】．农业工程学报，2009，25(2)：107—112．[6]张喜海，张长利，房俊龙．面向精准农业的土壤温度监测传感器节点研究[J]．农业机械学报，2009，(40)：237—240．