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【摘要】

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是21世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)主要發(fā)展方向。以下就基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，提出了通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水位、水溫、溶解氧、pH、濁度等水體環(huán)境的信息進(jìn)行自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，必將為獲取精確的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和水產(chǎn)養(yǎng)殖信息提供有力的支持，進(jìn)一步推進(jìn)當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)；水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是21世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)主要發(fā)展方向。在歐洲農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、加拿大等，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為了一種新的產(chǎn)業(yè)，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。信陽(yáng)地處秦嶺淮河一線(xiàn)，降水豐富，因而水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在信陽(yáng)的發(fā)展也相當(dāng)?shù)难杆伲L(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)、管理水平落后，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)大，產(chǎn)量低。水質(zhì)是水產(chǎn)品生長(zhǎng)的關(guān)鍵性限制因素，水位、水溫、溶解氧、pH、濁度等水體環(huán)境是水產(chǎn)養(yǎng)殖的基礎(chǔ)和保證，對(duì)于漁業(yè)發(fā)展具有關(guān)鍵性的作用。如能根據(jù)監(jiān)測(cè)水體環(huán)境信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)放水、水溫加熱、增氧，使水體環(huán)境保持水產(chǎn)品最適宜生長(zhǎng)狀態(tài)，可大幅度提高產(chǎn)量和效率。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為水體環(huán)境獲取提供了一個(gè)嶄新的思路。本文根據(jù)信陽(yáng)市水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理現(xiàn)狀，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息采集方面開(kāi)展研究工作。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)參數(shù)監(jiān)測(cè)，是智能監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種表現(xiàn)形式，主要為了滿(mǎn)足水產(chǎn)養(yǎng)殖高效、環(huán)保以及安全的現(xiàn)實(shí)要求礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，屬于一種非常高效的系統(tǒng)。

1物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是MITAuto-IDCenter在1999年提出的，顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是能夠?qū)崿F(xiàn)物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，即把所有物品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備連接起來(lái)，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。在我國(guó)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)所探討問(wèn)題的深度以及所投入的研究力量方面而言，仍然比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家落后。其中，基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集與處理系統(tǒng)的構(gòu)建工作，仍然停留在起步研究階段。信陽(yáng)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，目前有種攜帶式水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，來(lái)測(cè)試水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，但是這種方法監(jiān)測(cè)效率低，不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的掌握水質(zhì)變化情況[1]。現(xiàn)在也存在直接現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，但是這種方法大范圍測(cè)量時(shí)存在費(fèi)用高、布線(xiàn)難、不易維護(hù)等缺點(diǎn)。

2水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)水體環(huán)境的連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，從而滿(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)對(duì)水體信息精確度、實(shí)時(shí)性等要求[2]。

2.1基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)單元由遠(yuǎn)程控制中心和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集中心兩部分組成，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集中心能夠接收從網(wǎng)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)GSM模塊把信息傳到遠(yuǎn)程控制中心。而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要是接收從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)庫(kù)支持和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，最后得到我們監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)選擇星型網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)洌贿h(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用Internet實(shí)現(xiàn)，采用嵌入式Internet接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信[3]；以水位、水溫等參數(shù)采集為模型完成監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集，具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)可以分為三部分組成：數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)單元、傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和控制管理單元。它是一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定的協(xié)議自組織的、分布式的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。主要由集成傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊節(jié)點(diǎn)組成。它的工作模式是：各節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)信息傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制中心。控制管理單元，它是由各種硬件設(shè)備組成的。它是受現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心的信號(hào)驅(qū)動(dòng)來(lái)工作的。目的就是能夠精確控制養(yǎng)殖池塘中各種水質(zhì)參數(shù)，是系統(tǒng)閉環(huán)控制的執(zhí)行單元。

2.2ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮到養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際情況，及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的特點(diǎn)，本無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)包括：感知數(shù)據(jù)信息的傳感器模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工優(yōu)化處理的數(shù)據(jù)處理模塊、負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通訊的無(wú)線(xiàn)通訊模塊及網(wǎng)絡(luò)供電的電源模塊。如下圖2。傳感器又包括溫度傳感器、PH值傳感器和溶氧傳感器等。數(shù)據(jù)處理模塊：處理器模塊采用TI公司的CC243O芯片，這種芯片的最大特點(diǎn)是高性能、低功耗，具有極高的敏感度和抗干擾能力，且支持?jǐn)?shù)字化信號(hào)。無(wú)線(xiàn)通訊模塊主要有微控制器和GPRS模塊組成。微控制器采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103VET6，GPRS模塊采用的是ZTG201。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)如果與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相連必須通過(guò)GSM模塊，通過(guò)GSM模塊與網(wǎng)絡(luò)相連。電源模塊為其他的模塊提供必要的能量支持，為了使傳感器節(jié)點(diǎn)更加微型化，采用可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032，它的輸出電壓為3.6伏，為處理器和無(wú)線(xiàn)通信模塊供電。該類(lèi)電池自放電率特別小，可有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

2.3Internet接入模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。將zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議擴(kuò)展到嵌入式設(shè)備上，由網(wǎng)絡(luò)上的嵌入式系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)器功能。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)或服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模塊上,無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)功能,TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)模塊。

3系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

微功耗無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)指標(biāo)：（1）功率為10roW；（2）接收時(shí)電流<18mA，發(fā)射電流小于或等于40mA；（3）多信道模塊標(biāo)準(zhǔn)配置提供4個(gè)信道；（4）組網(wǎng)功能，達(dá)128只無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)；（5）接口波特率為1200/2400/4800/9600/19200Bit/s，可設(shè)置；（6）電池選配450mAh。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用Zigbee協(xié)議，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)成功后，除區(qū)域水體環(huán)境信息監(jiān)測(cè)之外，還可以廣泛應(yīng)用于糧食儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)及蔬果、蛋肉存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的溫度、濕度控制；實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫度、濕度控制等方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其市場(chǎng)應(yīng)用十分廣闊。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)水體環(huán)境信息采集系統(tǒng)研究，對(duì)信陽(yáng)市水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)而言，傳感器網(wǎng)在養(yǎng)殖應(yīng)用過(guò)程中可以擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)依賴(lài)人工，憑經(jīng)驗(yàn)的方式，將使現(xiàn)代現(xiàn)代水產(chǎn)走上智能化化，精細(xì)化養(yǎng)殖的道路，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)工人足不出戶(hù)即可接受農(nóng)業(yè)專(zhuān)家的指導(dǎo)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與質(zhì)量得到提高。總之，在推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化建設(shè)實(shí)踐中，如何將低成本、高效率、智能化設(shè)備應(yīng)用于水體環(huán)境信息采集，有效降低人力消耗，物聯(lián)網(wǎng)信息采集技術(shù)成為不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］羅錫文,臧英,周志艷．精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)情信息采集技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(1):167-173.

［2］李建中,高宏．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2008,45(1):1-15.

［3］丁文,馬茵馳,郗偉超．水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．農(nóng)機(jī)化研究,2012,10:78-80.

作者：王全國(guó) 李君茹 單位：信陽(yáng)市人民檢察院 信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院