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农业物联网在智慧农业实验室的建设解决方案12

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农业物联网在智慧农业实验室的建设解决方案
一、 农业物联网简介概述：
农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络， 通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

农业物联网，即在大棚控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

二、 农业物联网背景介绍：
随着世界各国政府对物联网行业的的政策倾斜和企业的大力支持和投入，物联网产业被急速的催生，根据国内外的数据显示，物联网从1999年至今进行了极大的发展渗透进每一个行业领域。可以预见到的是越来越多的行业领域以及技术、应用会和物联网产生交叉，向物联方向转变优化已经成为了时代的发展方向，物联网的发展，科技融合的加快。

农业物联网：物联网被世界公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。他是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在这背后，则是在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。

传统农业，浇水、施肥、打药，农民全凭经验、靠感觉。如今，设施农业生产基地，看到的却是另一番景象：瓜果蔬菜该不该浇水？施肥、打药，怎样保持精确的浓度？温度、湿度、光照、二氧化碳浓度，如何实行按需供给？一系列作物在不同生长周期曾被“模糊”处理的问题，都有信息化智能监控系统实时定量“精确”把关，农民只需按个开关，做个选择，或是完全听“指令”，就能种好菜、养好花。
三、 农业物联网原理：
在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。
四、 农业物联网技术与精准农业的发展：
与传统方式相比，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、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。

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。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。而墒情监测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，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度、实时性等要求。
1、 农业物联网无线传感器网络监测系统整体框架
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。

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、 农业物联网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、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。
3、 农业物联网系统技术指标
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。
五、 农业物联网在智慧农业实验室的建设解决方案：
1、物联网智慧农业实验室主要用途
物联网智慧农业实验室能够满足高校农林专业对物联网技术的应用，以及专业开设的物联网导论、传感器原理及应用、无线单片机原理及应用、无线传感器网络及应用、RFID技术及应用、物联网工程及应用、物联网标准与中间件技术、无线单片机应用课程设计、智慧农业应用系统设计等课程的实践实训教学需要，并为学生或教师的物联网创新应用项目开发提供平台。

使学生通过该实验室的平台，能掌握物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论与技术和数据分析与信息处理技术等知识，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广专业知识，具备一定的物联网农业应用系统的开发、实践能力和科学研究能力。从而为地方经济建设提供物联网行业的人才供给实践、实训的平台。
2、物联网智慧农业实验室设计方案
物联网智慧农业实验室是以光载无线交换机为核心的物联网信息平台构建WiFi无线局域网，覆盖实验室及其周边区域;加上实验室的有线网络交换机、网络路由器，从而建立融合有线网络、无线局域网的物联网关键部分—网络层，农业大棚及各种传感器、嵌入式设备通过WiFi-ZigBee网关、WiFi设备服务器(串口通信RS232或RS485转WiFi无线网络)无线接入物联网工程信息平台，构成全面涵盖物联网三个层次(应用层、网络层、感知层)的一个统一的物联网智慧农业实验平台。同时，其它内置WiFi模块的各种手持设备(笔记本电脑、手机等)也能无线接入该实验平台，成为物联网实验设备的一部分;师生教学、科研实践开发的其它感知模块，通过与标准的WiFi设备服务器连接，也能轻易接入该实验平台，完成测试、验证。

本实验室专门为农林专业高校设计，可以实现物联网智慧农业实验室内模拟的农业大棚内的农业生产环境数据采集、环境控制、人员物资管理、视频监控等功能，以及对农业大棚的远程控制。同时，我们提供该实验室系统的设计原理图，开放足够多的端口和丰富、完善的接口数据以及二次开发包，为教师、学生提供一个开放的平台去学习和研究。

2.1 物联网智慧农业实验室拓扑图：
如图1 物联网智慧农业实验室以光载无线交换机及其配套设备远端射频单元通过单模光纤链路分布无线信号;结合农业大棚及大棚内多种传感器、控制设备PLC、Wifi-ZigBee网关、WiFi设备服务器、实验平台服务器及系统软件，精准控制农作物的生长过程;并使用智慧农业大棚信息展示屏实时展示农作物生长过程环境数据及生长场景，实现物联网智慧农业实验室的功能。
2.2 农业物联网光载无线交换机及其分布式天线系统
光载无线交换机及其配套设备远端射频单元为浙江托普云农科技股份有限公司的核心产品，用于实现WiFi无线射频信号的远距离、大范围的光纤分布，是物联网无线网络分布的主要分布方式。

光载无线交换机安装在物联网智慧农业实验室内的落地式网络机柜里面，与原本有线布线网络连接，接入学院已有的计算机网络。光载无线交换机内置2个WiFi接入点(AP)(所有网络协议处理、基带数据处理、射频信号处理都集中在光载无线交换机内)，通过单模光纤链路将WiFi射频信号分布至物联网实验室，在实验室里面安装2个远端射频单元，完成全实验室的WiFi无线覆盖，将实验设备和各类WiFi终端接入统一的WiFi无线局域网，构成整体物联网平台。
2.3 物联网实验平台服务器
为实现物联网智慧农业实验平台的统一管理、实验室实验设备等管控、以及开展功能复杂的综合设计和科研项目，在实验室内配置一台服务器。
该服务器安装系统软件，及物联网实验的服务器端软件，提供本地、或远程访问服务，并实施对物联网实验的监控和设备管理。
2.4 农业物联网智慧农业大棚
智慧农业大棚由农业大棚、智慧农业大棚信息展示屏、各种传感器、控制器及系统软件组成，在老师及实验指导书的指导下完成物联网技术在农业的应用的学习与实验，并能在该实验平台上进行创新科研课题研究。
2.4.1农业大棚：
农业大棚由骨架和覆膜组成，用于农作物生长提供一个可控的空间。
2.4.2智慧农业大棚信息展示屏：
智慧农业大棚信息展示屏由液晶板拼接而成，用于展示农业大棚内各传感器采集的环境数据和现场场景;同时展示屏也是展示智慧农业的一个窗口。
2.4.3智慧农业大棚传感器：
传感器由ZigBee空气温湿度传感器、ZigBee土壤温湿度传感器、ZigBee土壤PH传感器、ZigBee光合有效辐射传感器、ZigBeeCO2传感器、超高频RFID读卡器、Wifi摄像头组成。ZigBee传感器采集的数据经WiFi-ZigBee网关转换成Wifi信号接入物联网信息平台，超高频RFID读卡器经其配套设备Wifi设备服务器接入物联网信息平台;所有传感器用于采集农业大棚内影响作物生长的空气温湿度、土壤温湿度、土壤PH值、光合有效辐射、CO2浓度等环境数据，以及进出农业大棚人员物资信息和农作物生长现场的图像经物联网信息平台上传到物联网平台服务器。
2.4.4智慧农业大棚控制器：
控制器由加热、喷灌、通风、卷帘设备及其配套PLC及Wifi设备服务器组成，当传感器采集的环境数据与标准值对比超出临界范围时，控制器自动启动相关硬件设备对作物生长环境加热、施肥浇水、通风、卷帘加减光照辐射，实现作物生长过程精确控制。
2.4.5智慧农业大棚系统软件：
系统软件安装在实验平台服务器，用于对采集的数据汇总、展示、比对控制。

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