农业物联网网络系统的解决方案探析

吕圣林 余思东

(广西农业职业技术学院，南宁 530007)

1 概述

如今，我国正处在传统农业向现代农业转型的过度期，十九大报告也明确指出：要加快推进农业农村现代化。物联网技术于2000年以后兴起，物联网和农业的深度结合快速推进了农业农村现代化建设的步伐，同时也为农业物联网的发展提供了前所未有的契机。

农业物联网是将先进的各种电子信息设备、互联网技术和大数据应用到传统农业当中，感知温度的高低、土壤肥力、空气的湿度、阳光的辐射等参数，然后通过有线、无线网络把这些数据汇集到农业物联网智能专家系统中进行分析、比对、处理，实施自动化控制。把先进的电子信息设备、互联网技术和大数据应用到传统的农业当中，对传统的农业整个产业链进行深度的改造，从而减少了农业所需要的劳动力，节约农业生产所用的资源，提高农产品的食用安全和产量，推进农业农村现代化建设。

2 农业物联网网络系统的存在问题

农业物联网所使用的电子信息设备、物联网技术和大数据技术，不管应用在哪个领域，均需要稳定、畅通和优质的网络系统。然而农业物联网存在以下问题：

(1)传统物联网应用主要以获取采集的信息为主，相当于人的眼睛、鼻子和耳朵，但在农业物联网中强调“动手干”，即控制设备的自动运行，代替农民喷药、施肥、灌溉、投喂、保暖、增氧等等工作，这些工作将由农业物联网系统按照优质、高产、高效、节能、安全的要求智能化自动完成，这些数据的传输都需要稳定、畅通和优质的网络系统。但农业生产普遍占地广，规模大并且分散，信息不通畅，导致了电子信息设备特别是传感器节点安装不规则、距离远，也增加了农业物联网的组网的难度。恶劣的农业生产的环境要求电子信息设备既要供电，又要防雨、防风、防潮、防虫、防雷等等。

(2)很多实施农业生产的场地比较偏僻，电信、联通、移动等网络差。农业物联网网络系统要求自建局域网用于接收电子信息，自建局域网设备主要负责各类传感器设备的信号传输。因此构建稳定、畅通和优质的农业物联网网络系统尤其重要。

3 农业物联网网络系统的技术特点

由于我国网络技术应用于农业起步较晚，同世界上发达国家相比有很大的差距。结合农业物联网网络系统存在的问题，构建将农业物联网的网络电子信息设备包括传感器设备、视频和音频等数据汇集到农业物联网的服务器中，农业物联网服务器通过比对、分析下发自动灌溉、自动喷药等动作，并通过网络同步在智能终端，农业物联网网络系统的解决方案。

3.1 有线连接技术

有线连接技术在20世纪80年代随着互联网的兴起而广泛应用，有线连接技术主要应用在早期的农业物联网中，它将物联网的电子信息设备通过物理的连线连接网关和物联网的网络节点(如图1所示)，采用的网络通讯方式为单总线方式，有网络通讯稳定、通讯效率高的特点。但是由于农业物联网的网络节点多、网络分布范围大并且节点的位置经常要改变，增加了有线连接技术在农业物联网应用的建设维护成本和使用难度，导致有线连接技术没有在农业物联网中广泛的应用。

图1有线连接网络技术示意图

3.2 WIFI技术

Wi-Fi技术在20世纪90年代广泛应用，它是基于IEEE802.11标准的基础上，进行改良的无线网络技术之间的互通设备，它的传输速率非常高，可以到达约200M比特率。普遍在家庭、办公、工业网络中应用，通过Wi-Fi网络通讯技术把个人笔记本电脑、Android终端、iOS终端等设备接入无线网络，体现了互联网的强大功能。

Wi-Fi网络通讯技术广泛已应用于家庭、办公、工业等领域，但是对于农业物联网网络系统来说Wi-Fi网络通讯技术实用性不是很强，因为单个无线访问接入点(AP)很难覆盖整个农作物种植的范围，需要接入多个AP，这就需要购置、配置无线管理控制服务系统，加重运行维护的成本，并且在基于IEEE 802.11协议的WI-FI网络通讯传输速率比较高，用于传输农业物联网的传感器节点的信号过于浪费网络资源。

3.3 GPS技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是20世纪70年代由美国军方研制的空间卫星导航定位系统，传输的速率可以达到100M比特率。GPS技术的优点就是：技术比较成熟，也没有传输距离的限制，传输的速率相对来说比较高，并且连接的设备不会掉线等优点(如图2所示)。

图2 GPS技术示意图

但是在农业物联网的实际应用过程中存在着以下缺点：农作物的种植场地很多是在远离GPS基站的地方，GPS信号不稳定甚至没有信号。每个农业物联网的设备节点都需要安装一个GPS模块，特别是感知层的传感器设备数量众多，并且GPS模块在农作物种植这种恶劣的环境下，建设、维护成本过高，不适合广泛的应用于实际的农业物联网项目中。

3.4 ZigBee技术

ZigBee技术是在农业物联网中广泛应用的一种技术，它是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，通讯距离采用组网的形式从几米到几百米都可以(如图3所示)。由于ZigBee技术物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，应用层很方便进行“私人定制”服务，因此基于ZigBee技术的通讯网络系统有机动、灵活的特点。ZigBee技术在农业物联网中得到了广泛的应用，是由于它有以下三个特点：

图3 ZigBee技术示意图

3.4.1 数据传输速率低、可靠 农业物联网网络系统中只有温度、湿度和光照度等数据的采集传输，下发对鼓风机、抽水机和自动灌溉等设备的启停控制这些简单的数据传输，主要要求数据在传输过程中可靠稳定。而基于ZigBee技术的网络传输速度一般不超过200k比特率，仅限于低传输速率的应用，符合农业物联网网络系统的组网要求，而农业物联网中监控视频、语音通话之类的大数据量的应用和以采集数据信号为主的传感节点相比是少之又少的。ZigBee技术数据传输可靠，它的介质链路层(以MAC层)采用CSMA-CA碰撞避免机制。在这种机制下数据包的传输是即时的，上一节点发出数据包后，下一个节点接受到数据包，再返回一个数据包告知上一节点确认已经接受到数据包了；如果没有收到确认的数据包上一节点认为数据包已经碰撞、丢失了，将再重新传输一次同样的数据包，这样数据传输非常可靠。通过用CSMA-CA碰撞避免机制，保证了农业物联网网络系统的稳定、可靠性。

3.4.2 网络容量大、功耗低 根据农业物联网网络系统的特点，即：负责采集环境参数的电子信息设备市电提供比较困难，要采集设备通过自带的电源作动力；网络容量大、传输距离远的特能。 网络容量大：根据农业物联网网络系统的特点，要求网络系统节点多，传输距离合适。基于ZigBee的网络通讯，它有两类设备：一类是简单功能设备、一类是全功能设备，并且可以混合使用，这样就增加了基于ZigBee的网络通讯的容量，据实验数据：基于ZigBee的网络通讯节点数可以达到1万个，这已经完成符合农业物联网的实际要求了。 基于ZigBee的网络通讯系统，可以通过网络路由和节点间通讯接立，可以将传输距离增大到几公里，也符合农业物联网的实际需要。功耗低：基于ZigBee的农业物联网网络，在运行的情况下，传输率很低，一般不超过200K比特率，并且信号在收发的时候也是一瞬间就完成的事情，百分之九十五以上的时间ZigBee网络节点是处在休眠的状态，休眠时功率是很低几乎可以忽略不计，因此ZigBee网络通讯系统非常节能，通常情况下一对电池可以使用一年多。

3.4.3 组网灵活、实现成本低 ZigBee采用IEEE 802.15标准作为物理层和MAC层标准，用于组建低速率低功耗的无线局域网，它支持3种主要的网络拓扑类型：星型拓扑、网状拓扑和树型拓扑结构，(如下图4所示ZigBee网络拓扑分类)，ZED为终端节点，ZR为路由器节点，ZC为协调器。特别是网状网络拓扑结构，具有很强的网络可靠性并且很容易添加网络路由和节点间通讯接立，实现了组网灵活性。由于 ZigBee免协议专利费，每块芯片的价格大约为3元人民币，实现成本相对于GPS、WI-FI、有线组网等来说很低，因此大大的加强了基于ZigBee技术在农业物联网网络系统中的应用。

图4 3种网络拓扑类型示意图

4 农业物联网网络系统解决方案实例

在农业物联网网络系统的解决方案研究过程中，根据广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植的要求，设计实施了物联网+大棚蔬菜种植系统(如图5所示)，现结合此系统，对文中所提到的农业物联网网络系统的解决方案进行说明。

图5 物联网+大棚蔬菜种植系统示意图

4.1 广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植项目的介绍

(1)智慧温室系统利用农业物联网技术，可以通过个人笔记本电脑、Android终端、iOS终端等设备实时远程获取温室蔬菜种植大棚内部的环境参数和视频图像，为农产品可追溯源做好准备。

(2)在对比农业物联网服务器专家系统后可远程或自动控制风机、顶侧面遮阳、喷淋滴灌、管道施肥、加温补光、CO2气肥机等设备，确保蔬菜种植大棚的环境最适合蔬菜的生长。

(3)可以根据作物长势或病虫草害情况，由农业专家给予远程农技指导。

4.2 广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植项目的网络系统

大棚蔬菜种植项目的网络系统，采用“无线+有线”的网络结构，无线主要是应用ZigBee的网状网络拓扑，主要负责采集传感器获取的数据包括：湿度、温度、土壤肥料、气体的成分等等数据，以便对环境调节设备进行控制，自动控制设的备包括：风机、湿帘水泵、遮阳帘、顶部通风、灌溉电磁阀、CO2气肥机等设备；视频、音频则通过有线连接接入农业物联网服务器中。

广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植项目具体的网络示意图如图六所示，ZigBee网络通讯模块和自动控制设备、传感器设备集成在一起，并且拥有一个64位的IEEE地址，这个地址在整个大棚局域网中是唯一的，通过这个唯一的地址农业物联网服务器就很容易的找到该设备，并控制该设备，像控制风机、湿帘水泵、顶部通风、管道施肥、灌溉电磁阀、CO2气肥机等设备的启停。通过无线网络的方式将收集到的传感器和自动控制设备的数据传输到ZigBee网关，再通过ZigBee网关，到数据格式转换，数据包汇集把所有的数据汇集起来，通过有线传输的方式传输到农业物联网服务器进行比对分析，下达指令等等动作。

图六 玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植网络示意图

由于ZigBee网络通讯技术有着低功耗的特点，在广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植中也得到很好的应用，网络节点的动力采用一对南孚电池，通常的情况下可以使用一年。

5 结论和展望

农业物联网是推进农业现代化建设的有效途径，农业物联网的网络系统又是农业物联网的关键技术，本文针对农业物联网的网络系统存在问题及技术进行了详细分析，通过构建广西玉林市博白县沙河镇大棚蔬菜种植项目的网络系统，并提出相关解决方案，收到很好的效果，但是农业物联网的网络系统各节点的建设成本略高，希望随着网络技术以及电子技术不断快速发展，在不久的将来可研发出距离更远、传输率更优质、建设成本更低的电子信息设备推动农业物联网产业快速发展，早日实现农业农村现代化。