基于物联网技术的智慧农业监控系统设计

徐晓雨 ，张 旭 ，朱 勇

（1牡丹江师范学院 物理与电子工程学院 黑龙江 牡丹江 157000）

（2哈尔滨翔冠科技开发有限公司 黑龙江 哈尔滨 150000）

（3黑龙江大学 黑龙江 哈尔滨 150000）

1 引言

为保障我国传统农业快速过渡到现代农业，我们必须在农业领域掌握相关的技术并根据农业发展的实际，提高农业信息化水平，加快我国智慧农业建设的速度。使用现代科学技术，充分利用农业生产资源以减少农业生产成本，增加农业生产产量和农民收入，这是智慧农业首先要解决的问题。伴随传感器技术、嵌入式技术、网络技术以及通信技术的蓬勃发展，物联网技术由此诞生。物联网技术与农业领域的融合将有助于智慧农业的兴起。在农业生产和科研中，有了物联网技术的加入，能够显著地转变农业生产方式，提高管理水平。有助于加快我国现代化农业的发展步伐，可以帮助我们进一步实现智慧农业。

物联网技术可以应用在农产品的溯源领域，还可以监控农业水产养殖，或者远程监控农作物的生产过程等诸多领域。由此可以看出信息技术尤其是物联网技术对农业领域的深刻影响。基于物联网的智慧农业将是未来农业的发展方向，传统农业将会迎来前所未有的大变革。

2 物联网体系结构

物联网的含义就是物体与物体之间，通过互联网实现连接，来完成信息交换和数据通信。1999年，物联网技术由美国麻省理工学院提出。研究设计出了第一版的无线射频识别系统（RFID），也就是说物联网最出的理论体系是基于RFID技术完成的。

无线射频识别系统的基本原理是：通过互联网的连接，实现对物体的智能化识别。主要包括对物体的定位、实时的监控以及有效的管理。伴随着无线传感器网络（WSN）技术的日臻成熟，WSN和RFID的有机的结合到一起，形成了物联网体系架构。

根据国际电信联盟（ITU）发布的报告，对物联网体系架构做出以下解析：通过无线射频识别系统、卫星定位系统、二维码识读设备等相关的信息传感系统，将这些系统通过统一的协议互通互连，利用互联网作为媒介实现对物体的身份识别、跟踪定位和有效管理的综合网络。物联网体系架构主要由感知层、传输层以及应用层三个层次组成。其中感知层以自组织的方式构成局域网，利用WSN、RFID等信息感知系统识别和感知周边的环境信息；传输层是利用运营商提供的网络（2G、3G、4G）和各种专用网络连接到互联网中，来完成对感知信息的有效传输；应用层实际上就是物联网在不同领域的应用，例如：智慧农业、智慧城市、智慧物流等等。

3 基于物联网的农业监控系统架构

我国东北地区在农业种植方面主要依靠传统农业进行生产，以黑龙江牡丹江地区为典型。这种农业生产模式导致了农业生产效率低下，经营管理落后等不良后果。因此从传统农业向智慧农业转型是很有必要的。

在智慧农业模式下，可以检测农田全方位、完整的数据信息：土壤的温度和湿度、周边空气的温度和湿度、降雨量、风度大小、水质的pH值等等。由于农田地理条件本身的复杂度很高，采集的数据也是多样的。各种传感器需要放置在野外的环境中，一旦电源用光或者其他故障都会导致无法工作。另外这些传感器经常需要改变分布的位置，大多数监控器的设计都是以有线的方式接入组网的。对于面积覆盖广袤的农田来说，就无法实现对网络的移动性要求。这些局限性都为农田环境参数的数据采集带来了困难。

因此，很有必要研发出一套具有实时测量、智能化管理、可移动的农业环境监控系统。这对我国升级改良传统农业结构，改善农产品质量，提高农业生产效率，推进农业部门的管理水平的提高都具有深远的意义。根据以上的分析，可以将无线视频检测系统、无线传感器系统与互联网有机的结合在一起，构成一个基于物联网技术的智慧农业监控系统。此系统按照物联网的体系结构也可以划分为三个部分：感知层、传输层以及应用层。

系统的最底层为感知层，可以由放置在农田的无线传感器子系统和无线视频监控子系统实现。通过各种传感器阵列完成对农业环境信息的采集。系统的中间层为传输层，主要由协调器网关来实现。可以将感知层采集的各种环境信息传输到应用层，起到承上启下的重要连接作用。系统的最高层为应用层，可以由网络服务器和数据库构成。用于大量数据的存储和各种信息的发布，其本质上就是一种数据监控中心模块。数据监控中心可以采用B/S架构进行设计，数据库中的数据既有农田环境的实时数据也有历史数据，不管是农业管理者还是普通的用户，都能够通过数据监控中心对所关心的农业环境信息进行查看和对比。除此之外，还可以控制系统的有关设备，管理或者发起相关的控制指令。

4 环境监控系统方案设计

基于物联网技术的智慧农业监控系统的总体思路应当基于如下几点考虑：首先需要对农田环境重要的参数进行采集；其次应该可以对农作物的生长情况进行实时的监测，监测的数据形式以视频文件为主；第三，对采集到的各种数据要存储到Web服务器中，形成一个基础信息库，为智慧农业的发展积累第一手数据；另外对于监测节点来说，根据距离的远近采取动态的传输方式，近距离采取有线方式，远距离采取无线方式；最后，农业管理者需要经过注册之后，才能登陆系统，实时掌握农田环境参数和农作物的生长情况。基于以上的设计思路，具体方案如下：采用ZigBee和WiFi技术来实现物联网数据分析功能。可由以下三个子模块组成：农田信息采集模块、农田环境实时监测模块、数据监控中心模块。

农田信息采集模块可由土壤温度传感器、土壤湿度传感器以及小型的气象信息站，组成一个基于紫峰协议的无线监控测试网络。主要的功能是采集农作物生长区域的土壤温湿度、环境温湿度、CO浓度等主要数据。每一个ZigBee监测网络，都可以由两部分组成，一是土壤温度、土壤湿度数据采集节点，即农田土壤重要参数的采集。二是网关节点，具有两大功能：第一种是作为网络协调器，自动地对ZigBee监测网络进行维护和组建，同时也可以对采集的数据进行收集汇总；第二种是实现监测网络与监控中心信息的传递。温湿度传感器在监测区域内是呈正三角形状分布的，通过ZigBee协议将采集到的协议发送到相邻的路由节点，通过网关把信息传送给数据监控中心，来完成对农田环境参数的采集与显示。农田实时监测模块可由分散在种植区域的多个视频监控摄像头（每个摄像头相距约150米）来实现。WiFi无线视频监测网络系统由WiFi无线路由及无线网关组成，来负责农作物生长情况实时的监控。分布在各个区域内的摄像头通过WiFi将捕捉到的视频监控数据传输到最近的WiFi无线路由，以便将视频数据传输至无线网关，最后由无线网关将数据发送至数据监控中心模块。数据监控中心模块主要的作用是对农作物生长区域的各种数据的显示和农作物实时视频监测的显示，从而为农业管理者提供直观有效的数据，进行科学种植。

5 结论与展望

综上所述，农业环境监控系统工作流程为：利用安置在农田的传感器子系统、高清视频监控子系统、气象站子系统进行农作物环境参数的数据采集以及实时监测农作物的生长情况。通过无线网络将采集到的各项数据传递到协调器网关，协调器网关再将有效数据发送给数据监控中心分析处理并最终存储起来。普通用户或者农业管理者只要经过系统注册认证成功之后，都可以登录到服务器，实时了解农田环境参数和农作物生长状况，在数据监控中心的前台界面上，通过不同形式的数据统计方式来显示农田环境具体的变化情形。

[1]宋艳.基于物联网技术的智能农业种植系统设计[J].现代电子技术，2013.

[2].郭家.基于物联网的农业监控系统研究与开发[D].无锡：江南大学，2013.

[3].张博文.基于物联网的智慧农业监控系统研究[D].荆州：长江大学，2017.

[4].徐晓雨，崔华贞.基于物联网的药品双向溯源技术研究[J].黑龙江科技信息，2016.