基于物联网的农业大棚环境信息采集系统设计

1.1  课题研究的背景和意义

       目前随着我国经济的迅速发展,科学技术的飞速提高,促进了工业高速发展。而以工业为基础农业也急需发展速度发展起来。由于目前务农人数正在不断减少,使原先的个体种植经营模式正在减少。大规模种植管理模式已成为必然趋势,农业中种植也逐渐趋向规模化。在21世纪,物联网技术的高速发展,为农业智能化、信息化打好了坚实的技术基础[1-3]。由于现代农业越来越规模化、高效化,因此提高工作效率,减少对人员数量是未来农业发展的必然趋势。农业的智能化、信息化也是未来农业发展的重点方向。当下我国的农业主要面临以下几个问题: 
     (1)农业的信息化,智能化程度较低。现在我国大部分的地方,依然是依靠传统的人力进行农业生产,科技在农业方面的应用水平普遍较低。农业的发展需要大量的资金支持及专业的技术指导,因此需要科研人员投入更多的精力进行深层次的科学研究。
     (2)随着经济飞速发展,外出务工人数增多,导致农村务农人数急剧减少,特别是一些贫困地区,出现大量土地荒废的情况。在我国,城市化进程的加快,导致每年约有600万人从农村涌向城市。这也决定了今后的农业生产活动将由科学技术来承载,由少数人来进行操作系统管理的。
     (3)我国对农作物的需求正在面临巨大的问题。当地气候的对农作物的生产有很大的影响,而农业大棚的出现与应用弥补了这一缺点。农业大棚不仅提高了农作物的年产量,还减小了气候、季节对农作物生长的限制。目前,农业大棚在我国得到了广泛的应用。影响农作物生长的主要因素是:温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度和通风状态。 

1.2  国内外研究动态和水平

       在发达国家,温室计算机控制及管理技术首先在一些大的农场得到了应用,随后这一技术迅速发展到世界其他国家,而农业现代化仍然是一些发展中国家的重要国策,因此许多发展中国家也开始对温室计算机控制技术和管理技术进行研究。 随着我国经济的发展,国内在计算机控制以及网络技术上的研究有了较大的发展,但许多科学技术在农业方面的应用较少,我国农业的智能化与信息化还处在初级发展阶段,新技术在农业的应用上还有很长的路要走。
        农业大棚监控系统的几种解决方案如下:
     (1)分布式有线监控系统。主要通过有线的方式进行数据传输,由于信息采集部分采用线缆传输数据,适用于一些面积较小的大棚,监测的数据多以温度为主,比较单一。
     (2)基于以太网技术的 PC 监控系统。主要采用网线来组建网络,进行数据传输,最终在 PC 监测终端进行显示。其特点可以通过增加以太网节点来扩大信息采集网络的覆盖面积。
     (3)基于物联网技术的监控系统,物联网中的无线技术如 Zig Bee 技术可以实现无线传感网的组建,对于大面积的农业大棚解决了布线困难的问题,同时可以通过增加节点来扩大网络覆盖范围,使得信息采集的规模可以根据农业大棚的面积进行调整。
       通过比较,利用物联网中的无线传输技术和传感器技术设计出农业大棚监控系统,依照物联网的三层结构(感知层、传输层和应用层)来搭建系统结构,采用 Zig Bee 无线技术组建无线传感网实现信息采集,结合嵌入式硬件设计系统硬件。解决了大面积农业大棚的布线难、系统成本高、设置复杂和功耗高的问题。

1.3  物联网技术

       物联网技术是指应用在物联网领域的一些信息技术的总称,其中包过全球定位系统、传感器技术、射频识别(RFID)技术、无线传输技术等。通过这些技术来实现物联网中的物与物、物与人之间信息的交互连接,最终将现有的因特网、各个小区域的局域网以及一些传感网相连接形成一个大的互联网络。物联网技术中的传感器技术是感知技术中应用广泛的一种。 

1.3.1  物联网概述

       物联网是指物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS 或其他方式进行连接,然后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网,最终形成智能网络,通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析[14-15]。结合因特网来扩展物联网的覆盖范围。  
       物联网的体系结构主要分为三层,应用服务层、网络传输层和感知互动层。三层结构分别负责相应的功能,相互联系又保留着各自的独立性,感知互动层是物联网的基础部分也是关键部分,在感知外部世界物理信息的同时,对信息进行初步处理转化为电信号,主要通过各种传感器来完成。网络传输层完成有效数据的传输。应用服务层根据采集到的数据完成相应的应用功能。物联网三层结构信息流向如图 1-1 所示。

1.3.2 无线通信技术

       目前的无线通讯技术包括 WIFI 技术,Zig Bee 通讯技术,蓝牙技术。WIFI 是一种中短距离的通信技术,即无线宽带接入技术,采用这种无线技术,可以实现在约 1000 米范围内的数据传输。Zig Bee 技术同样使用近距离通讯技术,通过构建 Zig Bee 无线网来实现据的网络传输。从传输距离上看,蓝牙的的传输距离是最短的,数据传输距离一般在 10 米,WIFI的传输距离一般在 100m 左右,扩展性最好的是 Zig Bee 无线传输技术,通讯距离可以达到 200m。三种传输技术中,应用较广泛的是 Zig Bee 无线网络,智能家居、智能医疗和楼宇管理中都有一部分系统产品采用了 Zig Bee 技术来构建无线传输网络,目前嵌入式技术在芯片设计中的应用,促使一批功耗低、性能优越的处理器出现,使得组建无线网络的成本大大降低。

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