基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究摘要：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是2l世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)主要開(kāi)展方向。本文就基于物聯(lián)IN(InternetOfThings，lOT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)行了深入的研究，提出了通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤溫度、濕度等土壤墑情信息進(jìn)行自動(dòng)化采集與存貯的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)該系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，必將為獲取精確的作物環(huán)境和作物信息提供有力的支持，推進(jìn)當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的進(jìn)一步開(kāi)展。關(guān)鍵宇：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)1引言物聯(lián)網(wǎng)概念在1999年提出，是將所有物品通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別裝置、基于光聲電磁的傳感器、3S技術(shù)、激光掃描器等各類裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、融合、處理，并通過(guò)操作終端，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用既能改變粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理方式，又能提高動(dòng)植物疾情疾病防控能力，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量平安，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開(kāi)展。隨著農(nóng)業(yè)科技的開(kāi)展，以及國(guó)家對(duì)三農(nóng)的的高度重視，特別是國(guó)家2023農(nóng)業(yè)國(guó)家一號(hào)文件頒發(fā)后。國(guó)家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場(chǎng)等農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機(jī)裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運(yùn)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù)，力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。浙江托普儀器和浙江大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過(guò)通過(guò)射頻識(shí)別〔rfid〕、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細(xì)管理，防止了“瘦肉精〞、“毒辣椒粉〞、“紅心鴨蛋〞等問(wèn)題的再次發(fā)生，保證了食品的平安和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國(guó)多家科技園、示范園區(qū)、農(nóng)場(chǎng)、科研所、院校等區(qū)域成功運(yùn)行，技術(shù)穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施將大大提高國(guó)家推進(jìn)科技創(chuàng)新增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開(kāi)啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品均屬于自有品牌，自主研發(fā)生產(chǎn)。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個(gè)層次：感知層：采用各種傳感器〔如溫濕度、光照、CO2、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等〕獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由配對(duì)、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WSN獲取植物實(shí)時(shí)生長(zhǎng)環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信息動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制、對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。加裝攝像頭可以對(duì)每個(gè)大棚和整個(gè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是21世紀(jì)世界農(nóng)業(yè)主要開(kāi)展方向。在美國(guó)、加拿大等農(nóng)業(yè)興旺國(guó)家，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)形成一種高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)開(kāi)展的重要途徑【1]【2]。農(nóng)業(yè)灌溉是我國(guó)的用水大戶，其用水量約占總用水量的70％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因干旱造成我國(guó)糧食每年平均受災(zāi)面積達(dá)兩千萬(wàn)公頃，損失糧食占全國(guó)因?yàn)?zāi)減產(chǎn)糧食的50％。長(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)、管理水平落后，導(dǎo)致灌溉用水浪費(fèi)十分嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅40％。土壤水分是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵性限制因素，土壤墑情信息的準(zhǔn)確采集是進(jìn)行農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的根底和保證，對(duì)于節(jié)水技術(shù)有效實(shí)施具有關(guān)鍵性的作用。對(duì)土壤墑情信息，從宏觀到微觀的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析，傳統(tǒng)獲取手段已很難實(shí)現(xiàn)。如果根據(jù)監(jiān)測(cè)土壤墑情信息，實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機(jī)和水量，可以有效提高用水效率。快速有效地描述影響作物生長(zhǎng)的田間信息，成為目前開(kāi)展精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐迫切需要解決的根底問(wèn)題之一。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)田信息獲取提供了一個(gè)嶄新的思路。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3】[41【5】。將傳感節(jié)點(diǎn)布設(shè)于農(nóng)田等目標(biāo)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大量實(shí)時(shí)、精確地采集溫度、濕度、光照、氣體濃度等環(huán)境信息，這些信息在數(shù)據(jù)會(huì)聚節(jié)點(diǎn)聚集，網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助生產(chǎn)者有針對(duì)地投放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料等，從而更好地實(shí)現(xiàn)耕地資源的合理高效利用和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效管理、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能。應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行農(nóng)田土壤墑情信息獲取可以滿足快速、精確、連續(xù)測(cè)量的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其低功耗、低本錢(qián)、高可靠性等特點(diǎn)，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。國(guó)外目前已有相關(guān)的理論與應(yīng)用研究。美國(guó)加州Camalie葡萄園在1．78hm2區(qū)域部署了20個(gè)Crossbow公司的Mica2dot節(jié)點(diǎn)，組建了土壤溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還監(jiān)測(cè)酒窖內(nèi)儲(chǔ)存溫度變化，2005年和2006年葡萄產(chǎn)量分別較上一年翻了一倍，同時(shí)也改善了葡萄酒品質(zhì)，節(jié)省了灌溉用水。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個(gè)無(wú)線傳感葡萄園。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔lmin檢測(cè)1次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量以確保葡萄可以健康生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得大豐收。國(guó)內(nèi)一些科研院所和高校展開(kāi)了相關(guān)研究，但國(guó)內(nèi)在這方面的研究那么還處于較低的水平，應(yīng)用不廣泛。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)施農(nóng)田精準(zhǔn)作業(yè)過(guò)程，農(nóng)田環(huán)境信息的采集那么要求更加精確、及時(shí)。當(dāng)前，農(nóng)田信息獲取的主要方式有：手持設(shè)備的人工獲取方式、基于GPRS監(jiān)測(cè)方式和基于WLAN監(jiān)測(cè)方式等【6】【71。利用手持設(shè)備人工打點(diǎn)，來(lái)獲取農(nóng)田土壤信息是最原始的方式，該方式不但需要消耗大量的人力、不具有實(shí)時(shí)性，而且數(shù)據(jù)的獲取量有限，顯然已不能滿足當(dāng)前農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)的需求。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在農(nóng)田土壤墑情信息采集方面開(kāi)展研究工作。該系統(tǒng)主要由低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee白組網(wǎng)方式構(gòu)成[8Ⅱ9f，實(shí)現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。主要包含兩個(gè)重要局部：即環(huán)境區(qū)域內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)局部及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)局部。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇星型網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)?；遠(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)線網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信；以土壤的溫度、濕度等參數(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。從而滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)對(duì)農(nóng)田信息精確度、實(shí)時(shí)性等要求。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架本研究中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含兩個(gè)重要局部，即農(nóng)田環(huán)境區(qū)域內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)局部及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)局部。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇星型網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)?；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用Internet實(shí)現(xiàn)，采用嵌入式Internet接人技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信；以溫度、濕度等參數(shù)采集為模型完成監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土壤信息參數(shù)采集，具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。每個(gè)Zigbee終端連接傳感器完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集作為Zigbee應(yīng)用層應(yīng)用對(duì)象以端口形式與協(xié)議棧底層進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳輸?shù)轿锢韺印Ｖ?，物理層進(jìn)行能量和空閑信道掃描檢測(cè)空閑信道，當(dāng)?shù)玫娇臻e信道，物理射頻模塊將數(shù)據(jù)以無(wú)線電波形式無(wú)線發(fā)送。協(xié)調(diào)器射頻模塊接收到數(shù)據(jù)包，物理層通知上層接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從物理層又逐層向上層傳輸，每向上一層就去掉下層的包頭、包尾以這種形式將數(shù)據(jù)包解包。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器應(yīng)用層，數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。2．2無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)本研究傳感器節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能。一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理；一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和路由，對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由處理器單元、無(wú)線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元四局部組成。處理器單元是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，與其它單元一起完成數(shù)據(jù)采集、處理和收發(fā)；無(wú)線通信單元完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)；傳感器模塊完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換；電源模塊為整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供能源支持。本研究選擇微處理器加無(wú)線射頻模塊的節(jié)點(diǎn)模型，無(wú)線傳輸技術(shù)采用802．15．4(Zigbee)技術(shù)。系統(tǒng)處理器采用CC2431芯片。2。3Internet接入模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線網(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TCP／IP擴(kuò)展到嵌入式設(shè)備，由嵌入式系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)WEB效勞器功能。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與Internet網(wǎng)絡(luò)接入模塊或效勞器相連，無(wú)線Zigbee協(xié)議在協(xié)調(diào)器上實(shí)現(xiàn)，TCP／IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)接人模塊上實(shí)現(xiàn)。具體連接如圖2所示。該方式將Zigbee數(shù)據(jù)幀在協(xié)調(diào)器中由協(xié)議棧解包，通過(guò)串口RS232將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet接入模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理融合重新采用TCP／P協(xié)議打包，實(shí)現(xiàn)Intemet接入。該Intemet網(wǎng)絡(luò)模塊硬件采用ARM9處理器，嵌入式操作系統(tǒng)為“c／os—II。3系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)微功耗無(wú)線傳感器技術(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)域農(nóng)田土壤墑情信息監(jiān)測(cè)之外，還可以廣泛應(yīng)用于糧食儲(chǔ)藏倉(cāng)庫(kù)及蔬果、蛋肉存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的溫度、濕度控制；廠房環(huán)境的溫度、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)農(nóng)田土壤墑情信息采集系統(tǒng)研究，對(duì)農(nóng)業(yè)種植戶而言，傳感器網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用可以擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴天氣，憑經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)的方式，將使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走上工廠化生產(chǎn)，精細(xì)化生產(chǎn)的道路，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)工人足不出戶即可接受農(nóng)業(yè)專家的指導(dǎo)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與質(zhì)量得到提高。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，有利于拓展無(wú)線城市的應(yīng)用方向，有效地利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中得到普及，運(yùn)營(yíng)商可以獲得源源不斷的收益。對(duì)于政府而言，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)的提高，有利于塑造地方農(nóng)業(yè)品牌，效勞三農(nóng)，惠及廣闊農(nóng)民。同時(shí)為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用搶得先機(jī)，盡快提升產(chǎn)業(yè)升級(jí)?？傊谕七M(jìn)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)實(shí)踐中，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)。如何將低本錢(qián)、高效率、智能化設(shè)備應(yīng)用于農(nóng)田信息采集，有效降低人力消耗和對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息成為當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的一個(gè)重要方向。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]王鳳花，張淑娟．精細(xì)農(nóng)業(yè)田間信息采集關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展【J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，39(5)：112～121．[3]