時間：2022-04-13 05:10:17
序論：在您撰寫智能農(nóng)業(yè)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
摘 要：文章通過分析山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館實(shí)施RFID智能管理系統(tǒng)，介紹了圖書館RFID智能管理系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，根據(jù)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館的實(shí)際情況對老舊圖書館館舍進(jìn)行改造，以適應(yīng)圖書館RFID智能管理系統(tǒng)要求，調(diào)整整個圖書館館藏結(jié)構(gòu)，以及與圖書館RFID智能管理系統(tǒng)相匹配的芯片加工和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等一系列基礎(chǔ)工作，深刻解讀了圖書館實(shí)施RFID技術(shù)所需的圖書館基礎(chǔ)支持。
關(guān)鍵詞：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館 RFID技術(shù) 應(yīng)用基礎(chǔ)
目前國內(nèi)在圖書館管理系統(tǒng)中普遍采用的是“安全磁條+條形碼”的技術(shù)手段，以安全磁條作為圖書的安全保障，以條形碼作為圖書的身份證，雖然解決了圖書管理中的些許問題，但是圖書順架、排架困難，讀者查找圖書以及館員清點(diǎn)館藏數(shù)量繁瑣耗時，圖書館管理自動化程度低，缺乏人性化，而且磁條容易消磁、老化，防盜效果差，安全系數(shù)低等一系列問題需要解決；同時圖書館管理人員強(qiáng)烈意識到在新的形勢下，需要大幅度提高圖書館管理的信息化程度，現(xiàn)代圖書館需要做到圖書自動盤點(diǎn)、自助借還，圖書區(qū)域定位、自動分揀以適應(yīng)圖書館當(dāng)前發(fā)展的需要。因此，2012年山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館成功實(shí)施了RFID智能管理系統(tǒng)，圍繞RFID項目的實(shí)施圖書館開展了許多基礎(chǔ)性的工作。
1 圖書館RFID智能管理系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)
RFID是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式識別技術(shù)，即無線射頻識別，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它利用先進(jìn)的RFID技術(shù)，將門禁、校園卡、圖書標(biāo)簽、標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置、自助借還機(jī)、移動盤點(diǎn)平臺和館員工作站系統(tǒng)軟件融合為一體，實(shí)現(xiàn)了迄今最便捷的圖書管理自助功能。它具有以下特點(diǎn)。
（1）簡化讀者借還書手續(xù)，縮短了圖書流通周期，提高圖書借閱率，提升圖書館服務(wù)水平，充分發(fā)揮圖書館公共服務(wù)職能。
（2）利用移動盤點(diǎn)平臺為圖書館提供全新盤點(diǎn)模式，降低管理人員的勞動強(qiáng)度，大幅提高圖書盤點(diǎn)及錯架圖書整理效率。
（3）圖書定位使讀者方便快捷查找錯架圖書，挖掘出潛在圖書資源，提高圖書資料利用率。
（4）安全門禁系統(tǒng)支持離線與在線工作模式，未借出圖書通過門禁時，系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光報警，防止圖書被帶出圖書館，防盜技術(shù)更強(qiáng)，系統(tǒng)更安全、可靠。（如表1所示）
2 圖書館實(shí)施RFID智能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障
隨著圖書館長期的文獻(xiàn)積累，無限增長的館藏文獻(xiàn)和有限的圖書館館舍面積成為制約圖書館發(fā)展的尖銳矛盾；同時也無法適應(yīng)RFID圖書館管理系統(tǒng)要求的一門式管理模式。圖書館首先對原有圖書館館舍進(jìn)行了大規(guī)模地改造工程，圖書館的原有建筑是框架結(jié)構(gòu)，大開間、大跨度，改造工程只需要將原來各個獨(dú)立書庫、閱覽室的隔墻打開，將其合并形成開放式的借閱。
2.1 圖書館館舍的改造與利用
由于農(nóng)大圖書館是20世紀(jì)90年代建成的老式圖書館，隨著學(xué)校大規(guī)模的擴(kuò)招在校學(xué)生數(shù)量猛增，教師隊伍也隨之發(fā)展壯大，圖書館讀者群數(shù)量同時隨之增多，而圖書館館舍面積維持在原有的基礎(chǔ)上沒有大的改觀，使得圖書館借閱環(huán)境和閱覽空間緊張，同時對門廳進(jìn)行改造，安裝了RFID項目的安全門禁系統(tǒng)及電子大屏幕，充分利用圖書館有限的館舍面積，提升了圖書館的整體形象，同時改善了圖書館愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境、溫馨的文化氛圍和濃厚的人文氣息，為RFID項目的實(shí)施提供基礎(chǔ)。
2.2 圖書館文獻(xiàn)資源結(jié)構(gòu)的調(diào)整
2.2.1 首先對改造后的圖書館館藏文獻(xiàn)進(jìn)行館藏結(jié)構(gòu)調(diào)整
圖書館館員對各個時代的文獻(xiàn)資源進(jìn)行甄別，部分脫離時展的舊觀念、舊知識、舊技術(shù)以及部分老化、破損、低借閱率的圖書文獻(xiàn)進(jìn)行剔舊處理。調(diào)整初期遵循圖書館文獻(xiàn)剔舊工作的原則和規(guī)律，從該館整體館藏文獻(xiàn)的針對性、完整性、系統(tǒng)性、未來發(fā)展等方面綜合考慮，本著藏以致用，高效服務(wù)，發(fā)揮館藏功能，滿足讀者需求的原則，以及保持該館館藏文獻(xiàn)體系的完整性、科學(xué)性，館藏的專業(yè)性與任務(wù)相一致的原則，對原有館藏文獻(xiàn)保留了各個時期具有經(jīng)典性、代表性的著作，摒棄過時、陳舊的內(nèi)容和學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，增強(qiáng)藏書活力和利用率，節(jié)約藏書空間，保證館藏文獻(xiàn)有效地反映最新知識和科技成果。
農(nóng)大圖書館是學(xué)校教學(xué)、科研的信息服務(wù)中心，具有符合學(xué)校教學(xué)、科研發(fā)展的館藏文獻(xiàn)特色。在長期的圖書館館藏文獻(xiàn)建設(shè)中，突出與學(xué)校專業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的館藏文獻(xiàn)的收藏；有超前服務(wù)的藏書思想，對于一些與學(xué)校專業(yè)設(shè)置相關(guān)的領(lǐng)域以及專業(yè)拓展的書籍，圖書館館員要有能力做出判斷，在藏書剔舊過程中，對于非專業(yè)性圖書的剔除從寬處置，一般普及性圖書及發(fā)展較快的應(yīng)用科學(xué)圖書，保存期可以短些，而對于專業(yè)性圖書的剔除要從嚴(yán)處置，避免造成文獻(xiàn)的流失。并在工作過程中按照該館文獻(xiàn)剔舊工作統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如，內(nèi)容陳舊，不宜久藏的圖書；復(fù)本量過多，長期壓架無人利用的圖書；破損的、質(zhì)量低劣的圖書；專業(yè)不對口的圖書，圖書館館員根據(jù)該館讀者需求、館藏特色對部分圖書進(jìn)行剔舊，同時設(shè)置密集書庫。對尚有一定參考、利用價值的書刊，做下架處理，移至密集書庫，并在自動化系統(tǒng)中，標(biāo)明此書在密集庫，以供少數(shù)讀者查閱。這樣既保留了館藏資源，又使得館藏資源不流失。優(yōu)化了館藏結(jié)構(gòu)。
2.2.2 對剔舊后的圖書文獻(xiàn)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以適應(yīng)圖書館RFID技術(shù)的應(yīng)用
對于原有圖書館館藏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面調(diào)整，按照圖書館RFID智能管理系統(tǒng)的要求，圖書館將實(shí)行開放式、一門式服務(wù)，根據(jù)改造后圖書館館舍的實(shí)際情況，對原圖書館各書庫、閱覽室的圖書、期刊文獻(xiàn)資源進(jìn)行調(diào)整、合并，按照大類分別放置，保存了原有工具書庫，將其與過期期刊合并存放成為綜合借閱室，而現(xiàn)刊則根據(jù)圖書按照大類歸屬于各個書庫，形成了以第一和第二自然科學(xué)借閱室，以及第一和第二社會科學(xué)借閱室和綜合借閱室為基礎(chǔ)的開放式服務(wù)模式，滿足了圖書館RFID智能管理系統(tǒng)借閱模式的需求。
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)選用的是遠(yuǎn)望谷集團(tuán)公司的圖書館RFID智能管理系統(tǒng)，必須通過標(biāo)簽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將RFID唯一識別信息與圖書唯一條形碼信息實(shí)施綁定，并將RFID技術(shù)與現(xiàn)有圖書館管理系統(tǒng)（ILAS）掛接，實(shí)現(xiàn)對圖書、讀者詳細(xì)信息的訪問，從而將RFID技術(shù)集成到現(xiàn)有圖書館管理（ILAS）系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有圖書管理軟件（ILAS）的無縫鏈接。因此，圖書館需將調(diào)整合并后的圖書館文獻(xiàn)資源進(jìn)行加工、整理，對缺失書標(biāo)的圖書補(bǔ)貼書標(biāo)，有利于順架工作的開展，將完成調(diào)整的圖書由原來的館藏地點(diǎn)轉(zhuǎn)換到新的館藏地點(diǎn)，即轉(zhuǎn)館藏，對每一本圖示進(jìn)行夾芯片（RFID電子標(biāo)簽）工作，并通過標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換到芯片（RFID電子標(biāo)簽）上，就是轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，這些工作的順利完成使圖書館原有的條形碼借閱模式改為圖書芯片借閱模式，為RFID技術(shù)在圖書館的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障。
3 圖書館實(shí)施RFID智能管理系統(tǒng)的體會
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)校本部圖書館實(shí)施RFID圖書館智能管理系統(tǒng)，安裝聲光報警系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，極大地提高了圖書館的安防能力，改變了借閱模式和管理模式，由獨(dú)立分散管理變?yōu)殚_放式統(tǒng)一管理，由各獨(dú)立個庫室變?yōu)椴亟栝喓弦坏慕栝喣Ｊ?，增加閱覽桌椅，增加館藏面積，優(yōu)化館藏結(jié)構(gòu)，提高館藏質(zhì)量，增強(qiáng)讀者的自由度，實(shí)現(xiàn)了圖書精確定位，便于讀者快速查找，自助借還模式方便讀者借閱，提高館員服務(wù)水平。為便于整個圖書館的統(tǒng)一管理，建議南校區(qū)圖書館可以實(shí)施RFID系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖書館統(tǒng)一借閱模式、統(tǒng)一管理模式，方便讀者利用圖書館，提高圖書利用率，節(jié)約圖書館館舍，提高館藏數(shù)量和質(zhì)量，提升圖書館的服務(wù)水平。
4 結(jié)語
圖書館RFID智能管理系統(tǒng)的順利實(shí)施，簡化了讀者借還圖書的手續(xù)，改變了圖書借還流程，變手工借還為自助借還，改進(jìn)了圖書館讀者服務(wù)質(zhì)量，縮短了圖書流通周期，提高了圖書的流通率；為圖書館員提供了全新的盤點(diǎn)模式，即利用移動式或手提式盤點(diǎn)系統(tǒng)，對所需盤點(diǎn)圖書的書架進(jìn)行掃描，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，快速地完成圖書盤點(diǎn)，極大地降低了圖書館館員的勞動強(qiáng)度；RFID安全門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零誤報避免讀者與館員之間的矛盾，管理更加人性化，安全系數(shù)大大提高；同時RFID館員工作站打造一體化的圖書管理系統(tǒng)，極大地減輕了圖書館員在藏書管理和流通服務(wù)上的勞動強(qiáng)度，提高了圖書館的服務(wù)水平。
摘 要： 針對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的充電現(xiàn)狀，設(shè)計了基于PIC16F887和UCC3895的農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UCC3895對全橋變換器進(jìn)行移相控制，在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。采用單片機(jī)PIC16F887控制充電電路的啟停以及實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過流保護(hù)，并對充電過程進(jìn)行了實(shí)時管理，將充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示并向上位機(jī)傳輸保存。實(shí)驗證明，充電系統(tǒng)功能完善、性能穩(wěn)定、充電快速、功耗低。
關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)機(jī)器人； ZVS； UCC3895； PIC16F887； 充電控制
0 引 言
中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；途珳?zhǔn)化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)水平的重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在改善農(nóng)民勞動環(huán)境、降低農(nóng)民勞動強(qiáng)度和提高勞動效率等方面具有重要意義，尤其在育苗、采摘、灌溉、收獲等方面得到了一定程度的應(yīng)用 [1?2]。因此國家已把農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用列為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)對象之一。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在推廣過程中受到了時間和空間的限制，其主要原因就是機(jī)器人動力源問題。因此作為機(jī)器人動力源的蓄電池以及能量補(bǔ)給的充電系統(tǒng)就顯得尤為重要[3]。調(diào)查表明，現(xiàn)在的蓄電池由于充電設(shè)備落后、充電方法不當(dāng)導(dǎo)致其使用壽命只有2～3年，遠(yuǎn)低于其設(shè)計指標(biāo)10～15年的要求，既增加了使用成本又造成了資源的極大浪費(fèi)。
目前，一般的蓄電池充電系統(tǒng)完成一次充電需要8～12 h，顯然無法滿足機(jī)器人對充電系統(tǒng)的要求以及生產(chǎn)的需要。因此設(shè)計一種快速、高效和安全的智能充電系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到大力發(fā)展的重要前提。本文以80 V機(jī)器人車載鉛酸蓄電池為研究對象，設(shè)計了基于UCC3895和PIC16F887的充電系統(tǒng)，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了充電過程的高效、快速、穩(wěn)定并具有充電過程管理功能。
1 充電系統(tǒng)總體設(shè)計
為了做到高效快速的充電，又能實(shí)時掌握整個充電過程電池的狀態(tài)，充電系統(tǒng)由兩個模塊組成：上位機(jī)監(jiān)控管理模塊和下位機(jī)充電模塊。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)的核心是充電模塊，主要由充電主電路和控制電路組成。充電主電路由輸入整流濾波、DC/DC變換器、輸出整流濾波三部分組成；控制電路由UCC3895控制芯片、單片機(jī)PIC16F887、檢測電路和外圍電路組成。系統(tǒng)通過檢測充電電壓和充電電流實(shí)現(xiàn)電壓、電流的閉環(huán)控制；上位機(jī)監(jiān)控管理模塊完成與單片機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)對充電電壓、電流以及電池溫度等數(shù)據(jù)的顯示保存，并為后期系統(tǒng)功能的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 充電主電路的設(shè)計
三相交流電經(jīng)輸入濾波、整流后得到直流電壓，該直流電壓又作為DC/AC逆變器的母線輸入。經(jīng)DC/AC逆變器變換后得到高頻脈沖電壓，再由高頻變壓器進(jìn)行隔離變換，經(jīng)過輸出整流濾波得到充電所需的直流電壓。
本文采用ZVS移相全橋變換器作為逆變器，其工作波形[4]如圖2所示。其主電路拓?fù)涫抢瞄_關(guān)管的輸出電容或外接并聯(lián)電容與變壓器自身的漏感或原邊串聯(lián)電感進(jìn)行諧振，諧振電感儲存的能量向電容[C1～C4]釋放，使開關(guān)管兩端電壓下降到零并使反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通，由此實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通和關(guān)斷。系統(tǒng)選用IGBT模塊作為開關(guān)器件，為了減小大電壓和大電流對IGBT的沖擊，設(shè)計了RC吸收電路[5]。
2.2 充電控制電路設(shè)計
2.2.1 檢測及信號處理電路設(shè)計
輸入檢測電路主要負(fù)責(zé)采集母線電壓與電流信號。信號處理電路1將此模擬信號進(jìn)行變換送入UCC3895的CS端，實(shí)現(xiàn)對全橋變換器滯后臂驅(qū)動信號占空比的控制；并將其變換后送入PIC16F887的A/D輸入端，實(shí)現(xiàn)對充電主電路的過壓、欠壓和過流保護(hù)。輸出檢測電路[6]主要負(fù)責(zé)采集充電電壓、電流、溫度信號，信號處理電路2將得到的模擬信號進(jìn)行變換后送入UCC3895，實(shí)現(xiàn)對IGBT驅(qū)動信號占空比和相位差的控制；并也將其送入PIC16F887的A/D輸入端，實(shí)現(xiàn)對充電主電路的啟停、顯示和報警控制。
2.2.2 UCC3895控制電路設(shè)計
本文選取UCC3895作為全橋變換器的移相控制芯片[7]。UCC3895芯片是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的專用PWM移相全橋變換器新型控制芯片。該芯片在UCC3875的基礎(chǔ)上增加了PWM軟關(guān)斷能力與自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置功能，能夠適應(yīng)負(fù)載變化時不同準(zhǔn)諧振條件下的軟開關(guān)要求。UCC3895采用低功耗的BICMOS工藝，其工作頻率、效率、可靠性得到大幅度提高。通過連接不同的外圍電路，使其電壓工作模式和電流工作模式可以進(jìn)行切換，并且軟啟動/軟停止可按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
UCC3895主要功能是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。母線電流經(jīng)檢測和變換后送至UCC3895的CS端，如果母線電流增大，CS電壓升高形成斜波信號，該信號與UCC3895的CT引腳產(chǎn)生的鋸齒信號比較后送UCC3895進(jìn)行計算，輸出可改變占空比的滯后臂驅(qū)動信號。如果母線電流瞬間增大，使CS引腳的電壓超過2.5 V，UCC3895就會關(guān)斷PWM輸出。從而防止過流燒毀IGBT器件。
UCC3895還內(nèi)置了可以調(diào)節(jié)PWM輸出占空比的誤差放大器EA，它在UCC3895上有3個端口：EAP端pEAN端和EAOUT端。當(dāng)EAOUT端輸出小于500 mV時，UCC3895停止PWM輸出，當(dāng)EAOUT端輸出大于600 mV時，恢復(fù)PWM占空比調(diào)節(jié)功能。在本設(shè)計中，誤差放大器EAN和EAOUT接成跟隨電路，將充電電壓、電流信號經(jīng)檢測和變換后送至UCC3895誤差放大器EAP端，當(dāng)充電電壓或電流大于給定值時，EAP電壓減小，導(dǎo)致EAOUT電壓下降，UCC3895自動增加超前臂和滯后臂驅(qū)動信號的相位差。UCC3895控制框圖如圖3所示。
2.2.3 單片機(jī)控制電路設(shè)計
本文選用美國微芯科技公司生產(chǎn)的PIC16F887單片機(jī)作為充電系統(tǒng)控制芯片[8?9]。PIC16F887自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，將檢測電路采集的充電電壓、電流和溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過程序控制IGBT驅(qū)動信號的占空比，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的同時傳給PC機(jī)進(jìn)行存儲。將采集的母線電流、電壓信號變換成數(shù)字量，通過程序完成主電路的過壓、欠壓和過流保護(hù)。
2.3 通信接口電路設(shè)計
由于單片機(jī)與上位機(jī)的接口電平不同，因此通信電路采用RS 232總線技術(shù)和美信MAX232轉(zhuǎn)換芯片，既實(shí)現(xiàn)了20 m左右的異步通信，又實(shí)現(xiàn)了充電過程中蓄電池的充電電壓、電流和溫度等信息的保存。上位機(jī)與下位機(jī)通信RS 232接口電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計
充電系統(tǒng)以硬件電路為基礎(chǔ)[10]，通過程序控制完成了預(yù)充電、大電流恒流充電、恒壓充電、小電流恒流充電和涓流充電五個充電階段，充電程序控制流程如圖5所示。
3.2 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計
充電系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互界面以VC作為開發(fā)工具。通過模塊化劃分管理，設(shè)置了登陸、電池充電狀態(tài)、充電數(shù)據(jù)、打印記錄等菜單。用戶可以清晰地掌握蓄電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、溫度等信息。
4 試驗結(jié)果分析
通過不斷的計算和調(diào)試，使電路參數(shù)設(shè)計達(dá)到了最優(yōu)。圖6和圖7表明輕載時超前臂和滯后臂的IGBT都實(shí)現(xiàn)了ZVS，大大降低了充電電路的功率損耗，提高了充電效率。
5 結(jié) 論
本文設(shè)計了農(nóng)業(yè)機(jī)器人充電系統(tǒng)的主電路和控制電路，編寫了相關(guān)控制程序，實(shí)現(xiàn)了五階段智能充電。系統(tǒng)硬件設(shè)計采用UCC3895和PIC16F887對全橋變換器進(jìn)行移相控制，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的ZVS，大大降低了功率損耗。實(shí)驗證明，此充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，充電快速，充電效率高，功能完善，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【摘要】 本文設(shè)計了一個可以遠(yuǎn)程采集農(nóng)業(yè)大棚中光照強(qiáng)度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計通過使用CC2530芯片和SIM600A芯片，將ZigBee協(xié)議與GPRS協(xié)議相結(jié)合，使得傳感節(jié)點(diǎn)同時兼具終端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)雙重功能。經(jīng)過測試，本設(shè)計具有采樣精度高、組網(wǎng)快、組裝方便等特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】 CC2530 ZigBee 智能農(nóng)業(yè) 傳感節(jié)點(diǎn) GPRS
一、引言
現(xiàn)代社會早已進(jìn)入信息化的時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在逐漸向工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域滲透。同時，具有無線傳感、遠(yuǎn)程控制、自動組網(wǎng)及智能計算的傳感網(wǎng)絡(luò)極大地方便了人們的生產(chǎn)與生活。調(diào)查顯示，我國目前的農(nóng)業(yè)智能化普及率只有不到1%，但是市場需求年增長接近50%，由此可見智能農(nóng)業(yè)還有極大的發(fā)展空間。本文設(shè)計了一種基于CC2530芯片的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點(diǎn)，通過使用低功耗、可靈活組網(wǎng)的ZigBee技術(shù)以及可以連接互聯(lián)網(wǎng)的GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程采集農(nóng)業(yè)大棚里的光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度和土壤濕度的功能。傳感節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計，成本低廉，可以輕松地推廣。
二、原理與結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境傳感和無線傳輸兩大功能。環(huán)境傳感既采集農(nóng)業(yè)大棚里的環(huán)境光照強(qiáng)度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度。無線傳輸上，本文設(shè)計的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種角色。終端節(jié)點(diǎn)只能采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，而中繼節(jié)點(diǎn)不僅保留采集數(shù)據(jù)的功能，還可以匯集終端節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，并通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。此外，本設(shè)計的節(jié)點(diǎn)還可以通過顯示屏實(shí)時顯示采集的結(jié)果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整個系統(tǒng)由5V電源適配器通過DC005接口直接接入供電。圖1中給出了本設(shè)計無線智能農(nóng)業(yè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)原理圖。
三、系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1環(huán)境物理量傳感器模塊
圖2 SHT11與主控制器通信電路示意圖
空氣溫濕度采用瑞士進(jìn)口的SHT11芯片進(jìn)行測量，該芯片溫濕度反應(yīng)靈敏、誤差小、各項指標(biāo)均高于國產(chǎn)DHT22等溫濕度模塊。資料給出，該芯片的濕度測量范圍在0～100%RH，溫度測量范圍為-40～+123.8℃，其中濕度測量精度為 ±3%RH，溫度測量精度只有±0.4℃。此外，該芯片還具有響應(yīng)時間快及低功耗的優(yōu)勢。圖2為該芯片與主控制器之間的通信電路示意圖。
由于其具有可完全浸沒的特點(diǎn)，故土壤傳感器我們也使用了SHT11作為主要芯片，并采用了銅粉燒結(jié)技術(shù)制作了外殼，用銅合金粉末高溫?zé)Y(jié)而成，過濾精度高，透氣性好。
光照傳感器我們則采用了環(huán)境光傳感器BH1750，能夠直接通過光度計來測量環(huán)境光照強(qiáng)度，其量程為1～65535流明（注：光通量的單位）。圖3給出了BH1750芯片的電路原理圖。光照強(qiáng)度計算可以通過公式1表示：
L=COD/（1.2*ε*R） （1）
其中，L為實(shí)際值，CODE為測量值，ε為透光率，R為高精度模式2調(diào)整值。
3.2基于CC2530的無線傳感模塊
節(jié)點(diǎn)間通信采用TI的CC2530解決方案，它是一種集成了ZigBee協(xié)議棧與增強(qiáng)型8050內(nèi)核的無線通信芯片。該芯片采用ZigBee通信協(xié)議，可以通過實(shí)際情況配制成路由節(jié)點(diǎn)或者廣播節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計在主控MCU內(nèi)部完成中繼節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的區(qū)分，終端節(jié)點(diǎn)將CC2530無線通信模塊配置為廣播模式，做為一個節(jié)點(diǎn)，每一組約3-6個節(jié)點(diǎn)。其中包括一個中繼節(jié)點(diǎn)，配置成中繼節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集能力。不同的是，普通節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過CC2530發(fā)送出去，而中繼節(jié)點(diǎn)則將收到的數(shù)據(jù)存入自己的內(nèi)存之中，在適合的時機(jī)下通過GPRS協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。
3.3基于SIM900A的GPRS模塊
節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信采用SIM900A模塊，內(nèi)部集成了GPRS功能，芯片與主控制器之間采用AT指令進(jìn)行通信。本設(shè)計通過使用SIM900A模塊的GPRS協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到指定服務(wù)器中。
四、系統(tǒng)軟件設(shè)計
本文設(shè)計的傳感節(jié)點(diǎn)將實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)及中繼通信功能，此外還將采用低功耗設(shè)計。系統(tǒng)開機(jī)后將首先判斷自己的配置是終端節(jié)點(diǎn)還是中繼節(jié)點(diǎn)。如果是中繼節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入休眠模式，由時鐘定時1分鐘喚醒一次。當(dāng)程序喚醒時將分別采集光照強(qiáng)度、空氣及土壤溫濕度存儲到部內(nèi)部存儲器中，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。所有功能完成后再次進(jìn)入休眠模式，等待下一次喚醒。此外，主控制器還可以通過外部按鍵喚醒，喚醒后可以在15s內(nèi)持續(xù)顯示各項環(huán)境參數(shù)。作為中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)備將始終保持正常運(yùn)行狀態(tài)，收到的終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將保存在存儲器內(nèi)，一旦收到服務(wù)器的查詢指令即可立刻將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。程序流程見圖4所示。
五、系統(tǒng)測試
本設(shè)計經(jīng)過測試，可以發(fā)現(xiàn)各項功能運(yùn)行狀態(tài)良好，采集的光照強(qiáng)度，空氣溫濕度以及土壤溫濕度均保持在誤差較少的范圍之內(nèi)。無線組網(wǎng)功能可靠性高，組網(wǎng)速度快。最終成果見圖5所示。
六、結(jié)論
本文根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及智能農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了一種設(shè)備裝配簡單，可自主組網(wǎng)、遠(yuǎn)程檢測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)光照、空氣溫濕度及土壤溫濕度的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。通過測試，本設(shè)計具有低功耗、傳感精度高、可快速組網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器通信等優(yōu)勢，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高。
摘 要 本文實(shí)現(xiàn)了一種低成本、多參數(shù)、分布式、自組織的三層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速率遠(yuǎn)程接入和信息共享的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測。本文描述了該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計和智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的無人值守監(jiān)測功能。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 智能節(jié)點(diǎn) 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的范圍大、氣候和環(huán)境多變，需要監(jiān)測內(nèi)容較多，一直是困擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的技術(shù)難題。
基于智能傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施的技術(shù)基礎(chǔ)和重要應(yīng)用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境涉及到氣候、農(nóng)作物及其生產(chǎn)環(huán)境的眾多方面，需要的觀測量眾多，各觀測量所采用的傳感器技術(shù)、變送器方法各不相同，而且在分布范圍廣和監(jiān)測時間較長的情況下，智能傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計需要綜合考慮安裝環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)連接、可用時間等眾多因素，設(shè)計一種能夠適用于多種節(jié)點(diǎn)類型，分布式布局、自組織網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，首先需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用靈活部署和分布式的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，然后是分布式的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計。具體監(jiān)測的參數(shù)包括大氣條件、土壤情況、病蟲害和農(nóng)作物生長形態(tài)等。
基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和存儲，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無人值守的自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息和作物信息。
本文介紹了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式的智能傳感器現(xiàn)場布局，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息和作物信息，通過自組織的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，連接到上層的智能網(wǎng)關(guān)，組建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫的共享功能，用戶可遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫，獲取需要的信息，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。
1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計
農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與3G/4G 網(wǎng)絡(luò)融合并接入互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計：感知節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。感知節(jié)點(diǎn)層由眾多分布式部署的感知節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)能夠搭載多個標(biāo)量及多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)，在讀取農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的同時，還能夠自組織構(gòu)成可自愈的高效無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，與上層的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)保持通信；網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要設(shè)備是智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)關(guān)，有能夠收集下層感知節(jié)點(diǎn)的ZigBee主節(jié)點(diǎn)模塊和向上與互聯(lián)網(wǎng)連接的3G /4G無線傳輸模塊；業(yè)務(wù)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)中心包括農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和 Web服務(wù)器，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)保存，Web服務(wù)器負(fù)責(zé)向互聯(lián)網(wǎng)信息。系統(tǒng)的工作過程如下：智能感知節(jié)點(diǎn)主動構(gòu)成自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融合后與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，智能網(wǎng)關(guān)在保存數(shù)據(jù)內(nèi)容后，再通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)向使用者提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，然后定期將數(shù)據(jù)上傳給上級監(jiān)管部門的數(shù)據(jù)服務(wù)器；上級監(jiān)管部門或農(nóng)業(yè)指導(dǎo)部門可以根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容形成報告提供給農(nóng)業(yè)從員者；各類用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)終端訪問該系統(tǒng)，查詢感興趣的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，如有可能，還可對部分可控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作。
網(wǎng)絡(luò)傳輸層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用類似于ZigBee的協(xié)議，智能農(nóng)業(yè)網(wǎng)關(guān)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與多個節(jié)點(diǎn)或路由器相連，構(gòu)成一個星形網(wǎng)絡(luò)。
在網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議的選擇上，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境要求和應(yīng)用需要，自主切換到無線WIFI或3G/4G網(wǎng)絡(luò)，并在節(jié)能需要的情況下關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，形成速率自適應(yīng)和節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)接入。
2 感知層的ZigBee智能感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計
智能感知節(jié)點(diǎn)作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集源頭，能夠為整個系統(tǒng)提供完整和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)能實(shí)時采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境信息與作物信息，并且能夠通過集成多種傳感器，搭建一個自組織的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。其中的傳感器種類，包括大氣條件、氣象信息、土壤濕度、水環(huán)境PH值等標(biāo)量數(shù)據(jù)傳感器，以及為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供直觀影像的圖像傳感器（攝像頭）。經(jīng)由節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)首先在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚到網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的智能網(wǎng)關(guān)。
考慮到各類傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗、購買成本、覆蓋范圍以及傳輸距離的限制，如攝像頭的能耗較大、價錢相對較貴，可以覆蓋較大范圍，一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)安放一個攝像頭就可以滿足應(yīng)用的要求。因此不必在同一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上都采用同樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以分別連接不同的傳感器連接網(wǎng)關(guān)。
3 結(jié)論
本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可靈活部署的智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)總局，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測和基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集。具體采用了自組織的Zigbee網(wǎng)絡(luò)將廣泛分布在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)組織在一起，利用網(wǎng)絡(luò)傳送到智能網(wǎng)關(guān)給農(nóng)業(yè)從業(yè)人員使用。系統(tǒng)重點(diǎn)解決了在分布式環(huán)境下對于智能節(jié)點(diǎn)的可靠性可用性設(shè)計、冗余數(shù)據(jù)的融合處理和網(wǎng)絡(luò)的自組織問題，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一次成功應(yīng)用。
摘 要：智能儀表系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)中得到了應(yīng)用，盡管目前應(yīng)用并不廣泛，但卻足以證明智能儀表在農(nóng)業(yè)中擁有著巨大的潛力。我國現(xiàn)階段正在進(jìn)行著新農(nóng)村建設(shè)，智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)電氣自動化中的應(yīng)用，無疑為新農(nóng)村建設(shè)提供了科技基礎(chǔ)。本文首先對智能儀表系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了介紹，其次對智能儀表系統(tǒng)的功能特點(diǎn)進(jìn)行了概述，最后探討了其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，希望能夠為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展提供借鑒。
關(guān)鍵詞：智能儀表系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)；電氣自動化；應(yīng)用
由于科技的發(fā)展進(jìn)步，儀表系統(tǒng)越來越向著智能化的方向發(fā)展，尤其是測量控制儀表系統(tǒng)發(fā)展十分突出?，F(xiàn)如今，智能化測量控制儀表種類已經(jīng)非常多，比如流量計、溫度儀、調(diào)節(jié)器等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化。這些智能化儀表系統(tǒng)的發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用。農(nóng)戶借助智能儀表系統(tǒng)，可以對農(nóng)作物進(jìn)行自動化的控制，以此提高農(nóng)作物的產(chǎn)量以及質(zhì)量。
1 智能儀表系統(tǒng)的工作原理
智能儀表系統(tǒng)要想在農(nóng)業(yè)電氣自動化中達(dá)到徹底的應(yīng)用，有關(guān)人員必須對其工作原理完全了解，依據(jù)其工作原理，將其恰當(dāng)好處的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中。傳感器是智能儀表系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其可以說是該系統(tǒng)的心臟。傳感器拾取被測參量的信息，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)。由單片機(jī)逐路選通模擬開關(guān)，將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機(jī)中。單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。運(yùn)算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打?。煌瑫r，單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果與存儲于片內(nèi)或EEPROM（電可擦除存貯器）內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號。
2 智能儀表系統(tǒng)的功能優(yōu)勢
2.1 能夠進(jìn)行自動化操作。智能儀表系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸的擺脫了人類勞動，農(nóng)戶可以從土地中解放出來，去從事其他方面的工作。農(nóng)業(yè)自動化是現(xiàn)代化的典型標(biāo)志，因此智能儀表系統(tǒng)的應(yīng)用是我國農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化的重要表現(xiàn)。智能儀表系統(tǒng)每一個測量環(huán)節(jié)，都是微控制器進(jìn)行操作，因此每個測量環(huán)節(jié)都是自動化。
2.2 能夠進(jìn)行自測。智能儀表系統(tǒng)的自測功能有比較多，比如能夠自動凋零、自動診斷、自動檢驗等。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況，系統(tǒng)會進(jìn)行自動檢測，將故障部位查找出來，如果系統(tǒng)十分高級，甚至能夠診斷出故障原因。此種功能可以在儀表啟動時就發(fā)揮作用，在儀表運(yùn)行過程中也能夠發(fā)揮作用，因此不必再派專門的人員進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)生故障，自會發(fā)出警報，診斷出故障部位，這對檢查人員來說，十分方便。
2.3 能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這是智能儀表系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)。因為絕大多數(shù)智能儀表系統(tǒng)應(yīng)用的是單片機(jī)或者是微控制器，這樣如果某些問題硬件邏輯難以解決，軟件系統(tǒng)可以解決。比如數(shù)字萬用表基本不具備處理數(shù)據(jù)功能，只能進(jìn)行電流、電壓測量，而智能儀表系統(tǒng)中的萬能表，除了能夠測量數(shù)據(jù)外，還能夠?qū)y量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比如取平均值、統(tǒng)計分等。這使得用戶不必為自己進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時也確保儀器測量精度。
2.4 能夠進(jìn)行人際對話。智能儀表系統(tǒng)能夠進(jìn)行人機(jī)對話，這使得人們只要輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，就能夠找到相應(yīng)的信息，以便能夠及時采取對策。智能儀表系統(tǒng)應(yīng)用的是鍵盤，其與傳統(tǒng)的切換開關(guān)相比，更加的方便靈活，工作人員只需要掌握鍵盤輸入命令，即可進(jìn)行測量。另外，智能儀表系統(tǒng)還能夠?qū)?shù)據(jù)信息處理結(jié)果報告給操作人員，操作人員通過顯示屏即可了解數(shù)據(jù)信息，這樣儀表操作不僅方便，還具有直觀性。
2.5 能夠進(jìn)行可程控操作。因其具備這一功能，所以才得到了廣大農(nóng)業(yè)研究者的歡迎。現(xiàn)代智能儀表系統(tǒng)絕大多數(shù)都有通信接口，比如GPIB、RS485等，這樣系統(tǒng)能夠與PC機(jī)或者是其他儀器設(shè)備連接起來，構(gòu)成完整的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能更加齊全，能夠?qū)?fù)雜任務(wù)進(jìn)行測試。
3 智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
隨著智能儀器以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，智能儀表系統(tǒng)逐漸走入農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化中，更好的為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化做貢獻(xiàn)，其中TFW-VIII型智能化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀得到了廣泛的應(yīng)用。TFW-VIII型智能化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀是一種綜合性能較全、測量精度較高、操作較簡單的一種智能化農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境實(shí)用的測量儀器，可以對土壤、水和空氣進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。該儀器內(nèi)設(shè)置了GPS全球衛(wèi)星定位裝置，可以對測試地點(diǎn)的方位（經(jīng)緯度）和海拔高度有較準(zhǔn)確的測定。在土壤方面，它能較精確地測試土壤內(nèi)的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量，可以對土壤中的酸堿度（pH）值、鹽分（電導(dǎo)）、其他微量元素和地層溫度進(jìn)行測量，對土壤的容積含水量進(jìn)行現(xiàn)場速測，還可以對化肥進(jìn)行檢測。在水質(zhì)測試方面，可以測試水中的溶解氧、水的濁度、溫度、pH值和水的電導(dǎo)率。除此以外，還能對測點(diǎn)空氣的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。該儀器是一部數(shù)字化的智能型儀器，不僅設(shè)制了操作菜單、數(shù)據(jù)存儲和打印，還可以與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，能最大限度滿足使用者對被測物數(shù)據(jù)的測試、記錄和存儲的要求，是土肥站、農(nóng)科所及相關(guān)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測部門首選的儀器之一。
4 智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)化
4.1 測量精度的提高
在智能儀表設(shè)計時，以測量精度作為主要的參數(shù)之一，為了提高儀表的測量精度，一般除了選擇性能好和精度高的元器件外，同時也可以利用微處理器對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工與處理，以減少測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。
4.2 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計
高效率，低耗能是每個儀器的最終目標(biāo)。智能儀表系統(tǒng)的低功耗設(shè)計是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的一個重要方面。在低功耗設(shè)計時，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個方面：一是可選用CMOS集成電路，這是由于CMOS電路具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)；二是系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)供電電壓存在著一定的關(guān)系，一般來說，供電電壓越高，系統(tǒng)功耗越大，因此低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)盡量采用低電壓供電，這樣既能減少系統(tǒng)功耗，又有利于電池供電。
結(jié)束語
綜上所述，可知對智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)電氣自動化中的應(yīng)用進(jìn)行研究十分必要。農(nóng)業(yè)作為我國第一大產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也關(guān)系到農(nóng)民的生活水平。智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，能夠促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)盡早的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，盡管目前，該系統(tǒng)并不完善，甚至有諸多不足之處，但是將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)電氣自動化中是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然。隨著使得的發(fā)展，智能儀表系統(tǒng)會成為農(nóng)戶日常中不可缺少的設(shè)備，也是我國農(nóng)業(yè)研究者重點(diǎn)研究的對象。
民以食為天，農(nóng)業(yè)的發(fā)展一直是社會發(fā)展與進(jìn)步的基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)可以使人們更有效地調(diào)整和控制大棚農(nóng)作物生長的環(huán)境，從而達(dá)到提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，有效地利用資源，縮短農(nóng)作物的生長周期的目的。而針對傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不能歷史數(shù)據(jù)存儲以及需要固定外網(wǎng)IP地址的瓶頸，從而設(shè)計了基于yeelink云存儲的遠(yuǎn)程大棚監(jiān)控器，文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成，工作原理，以及實(shí)驗結(jié)果。實(shí)驗結(jié)果表明，該裝置組網(wǎng)簡單，使用方便，結(jié)果精確。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè) 網(wǎng)絡(luò)平臺 智能控制 單片機(jī)
1 系統(tǒng)控制要求
遠(yuǎn)程控制界面使用4個虛擬按鍵（電燈控制器、電熱絲開關(guān)、移動天窗開關(guān)、噴滴灌系統(tǒng)開關(guān)）用于遠(yuǎn)程控制；使用光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤傳感器、煙霧傳感器對環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)測試并且通過W5100發(fā)送到y(tǒng)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺；數(shù)據(jù)帶有臨界報警功能。
2 系統(tǒng)方案
以arduino單片機(jī)為控制器，以W5100網(wǎng)絡(luò)模塊為核心，單片機(jī)的I/0直接與W5100網(wǎng)絡(luò)模塊通信，系統(tǒng)在程序的的控制下，按照網(wǎng)絡(luò)yeelink協(xié)議把數(shù)據(jù)循環(huán)排隊傳到y(tǒng)eelink云存儲上或下載到單片機(jī)上，方便用戶實(shí)時查看過去任何一段時間的數(shù)據(jù)和控制單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3 工作原理
遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控器是一款基于yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)云存儲，它是以 arduino單片機(jī)為處理核心，通過各種傳感器探測環(huán)境數(shù)據(jù)，并且通過w5100網(wǎng)絡(luò)模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，通過循環(huán)排隊等候的方式源源不斷把數(shù)據(jù)發(fā)到y(tǒng)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺上和把yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺上的數(shù)據(jù)接受到單片機(jī)上面，方便用戶實(shí)時查看過去任何一段時間的數(shù)據(jù)和控制單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4 硬件設(shè)計
采用光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤傳感器、煙霧傳感器作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，然后通過arduino單片機(jī)進(jìn)行處理，把數(shù)據(jù)通過W5100網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到y(tǒng)eelink云存儲平臺
5 軟件設(shè)計
到y(tǒng)eelink官網(wǎng)免費(fèi)申請帳號，通過帳號申請ID號碼，如果沒有外網(wǎng)IP，則把路由器設(shè)計成自動獲取IP地址，并且在程序里面改成自動獲取IP地址。
6 遠(yuǎn)程電腦網(wǎng)頁監(jiān)控
如圖1所示。
7 遠(yuǎn)程手機(jī)監(jiān)控
如圖2所示。
8 結(jié)論
采用yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和大大降低農(nóng)民的工作量，將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)， 通過各種傳感器采集信息， 以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題， 并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置， 這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。一場農(nóng)業(yè)科技革命的浪潮正在席卷中國大地：越來越多的人放棄了傳統(tǒng)耕作模式，開始用傳感器與農(nóng)作物進(jìn)行“交流”，成為智慧農(nóng)業(yè)時代的“新農(nóng)人”。這就是設(shè)計基于yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺的智能農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程控制價值所在。
作者單位
邵陽學(xué)院 湖南省邵陽市 422000
摘 要：我國是一個農(nóng)業(yè)大國，然而我國水資源非常缺乏，這就阻礙了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)灌溉所需要的水資源非常多，而現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對落后，這就造成了在農(nóng)業(yè)灌溉中水資源得到了大量的浪費(fèi)。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將一系列的先進(jìn)技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其中在農(nóng)業(yè)灌溉中充分利用計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，設(shè)計出了各種不同類型的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，這不但節(jié)約了大量的水資源，還使得農(nóng)作物的灌溉更加科學(xué)合理，提高農(nóng)作物的產(chǎn)率。文章簡要分析了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計方案，希望能給讀者一些幫助。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉；智能節(jié)水；設(shè)計分析；單片機(jī)
目前，農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要是把AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，而外圍又是有多個傳感器以及電路共同組成，主要包括：濕度傳感器、超限警報電路、數(shù)據(jù)處理電路和LED動態(tài)顯示電路等。該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要是通過由濕度傳感器監(jiān)測土壤的濕度，然后將濕度值報告給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的濕度值控制其它系統(tǒng)對土壤輸送水分，待達(dá)到規(guī)定的濕度值后，系統(tǒng)則自動停止補(bǔ)充水分，讓土壤始終保持最合適的濕度，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物的快速生長。
1 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的整體設(shè)計
智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是把型號為AT89C52的單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，在土壤中安裝多個濕度傳感器，由它來監(jiān)測土壤中水分含量。當(dāng)土壤中含量低于標(biāo)準(zhǔn)值時，濕度傳感器則將這個信息轉(zhuǎn)化成電流信號，再通過信號處理電路進(jìn)行一系列的處理后就變成了可用的電壓模擬性信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，直接傳輸?shù)街骺匦酒瑔纹瑱C(jī)中，單片機(jī)就對整個系統(tǒng)進(jìn)行合理地調(diào)控，在數(shù)碼管上會顯示出濕度值。一旦濕度值發(fā)生了變化，該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)就會自動控制水泵開關(guān)。農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：
圖1 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)
AT89C52單片機(jī)具有功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中得到較為普遍的應(yīng)用。該單片機(jī)在工作時的額定電壓為5V，在單片機(jī)的內(nèi)部存在一個256B的RAM和一個8kB的PEROM，這就保證單片機(jī)能夠與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)共同控制運(yùn)作，這主要是運(yùn)用了由ATMEL公司研制出的高密度生產(chǎn)技術(shù)和非易失性存儲技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部還分布著Flash存儲單元和8位CPU，芯片為40個引腳，這就包括了32個外部雙向I/O口、2個全雙工串行通信口、2個外部中端口、2個16為可編程定時計數(shù)器。該芯片不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)編程，還能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程，依靠可反復(fù)擦寫的Flash存儲器與MCU將其有機(jī)結(jié)合，這就直接使得芯片的靈活性得到大幅度提升，還減少了系統(tǒng)的制造成本。
3 時鐘電路
單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從根本上分析也即是同步時序邏輯電路，其核心就是時鐘電路，主要依賴于時鐘信號對時序邏輯系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，并且CPU具備的不同種指令功能即是在由時序單路生成的時鐘信號控制下逐一實(shí)現(xiàn)的。其中，MCS-51型號的單片機(jī)中所含有的時鐘信號可以分為兩種方式：通過外部電路生成；通過單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路生成。
4 復(fù)位電路
為了確保CPU與其它相關(guān)的功能部件均可以從某個確定的狀態(tài)開始工作，因此，單片機(jī)在每一個開機(jī)時都必須重新復(fù)位，此時，復(fù)位電路就起到了關(guān)鍵作用。復(fù)位電路一般分為按鍵復(fù)位和上電復(fù)位等形式。在對MCS-51型號的單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時，主要是由外部復(fù)位電路來完成，其工作原理為：當(dāng)按下按鈕之后，就使得RC電路進(jìn)行充電，且RESET端發(fā)生高電平，此時只要將高電平始終維持在10ms以上，即可完成單片機(jī)的復(fù)位工作。
5 數(shù)據(jù)采集處理電路
由傳感器監(jiān)測到的模擬信號是非常微弱的，并且此時存在很多干擾信號，所以信號在傳輸?shù)街骺匦酒g就必須通過濾波、信號放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等步驟。該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過運(yùn)算放大器U2、U3把信號進(jìn)一步放大，進(jìn)而能適應(yīng)之后A/D轉(zhuǎn)換器的工作要求。
ADC0809主要包括一個A/D轉(zhuǎn)換器、一個8通道模擬開關(guān)、一個三態(tài)輸出鎖存器和一個地址譯碼鎖存器等，該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可以同時允許8個模擬信號傳輸，并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換共享。
6 LED顯示系統(tǒng)電路
在采用單片機(jī)的系統(tǒng)中，一般所采用到的顯示器件包括數(shù)碼管和顯示器。這兩種器件具備的優(yōu)勢十分明顯，包括價格便宜、配置容易、與主控芯片接口簡便等?？梢栽谵r(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中采用共陰極數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示。把數(shù)碼管的LED的引出端與單片機(jī)I/O口的8位線進(jìn)行連接，調(diào)節(jié)共陰極數(shù)碼管的高電平使之有效，再選擇8位并行輸出端，則就可以在LED顯示器上實(shí)時顯示不同的數(shù)值。
7 超限警報電路
如果該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境超出預(yù)置的范圍，就需要設(shè)置一個超限警報電路來提醒使用者，以便及時采取有效措施加以解決，現(xiàn)今普遍采用的報警電路主要包括：蜂鳴報警、閃光報警及語音報警等。例如，采用語音報警裝置，則一般選擇采用1SD1420型號的語音報警芯片，由A/D轉(zhuǎn)換器傳出的數(shù)字信號經(jīng)過主控芯片的P0接口輸送到主控芯片內(nèi)，然后由主控芯片對信號進(jìn)行智能化處理并與配置值作對比。如果比預(yù)置值要小，那么P2.1口將會輸出低電平，單片機(jī)就會控制語音芯片發(fā)出報警信號；反之，那么P2.1口將會輸出高電平，系統(tǒng)不會出現(xiàn)語音報警信號，則系統(tǒng)運(yùn)行正常。
8 結(jié)束語
本文簡要介紹了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計組成，這體現(xiàn)了自動化技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)灌溉中的有效應(yīng)用，同時也體現(xiàn)了我國農(nóng)業(yè)科技水平的顯著提高。而目前，我國農(nóng)業(yè)灌溉的智能化水平在整體上看來偏低，這需要國家農(nóng)業(yè)部門進(jìn)一步加大農(nóng)業(yè)智能化研發(fā)力度，在農(nóng)田灌溉方面設(shè)計出高度智能化、自動化的供水系統(tǒng)，既能節(jié)約大量的水資源，還能促進(jìn)農(nóng)作物快速成長。
【摘 要】介紹了一種適用于廣大農(nóng)村推廣使用的節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)。只監(jiān)測用電量就實(shí)現(xiàn)了對水量使用的有效控制，控制器內(nèi)存儲的灌溉記錄極大地便捷了各級管理部門的工作。結(jié)合北京市多個實(shí)際項目的實(shí)施及售后經(jīng)驗總結(jié)，通過對幾款不同特色信息化系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，文章最后對該系統(tǒng)的推廣與發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。
【關(guān)鍵詞】節(jié)水灌溉；無線通信；信息化管理；水電計量
1 技術(shù)背景
隨著電子技術(shù)及信息化的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制與管理技術(shù)的運(yùn)用已廣泛深入到各個領(lǐng)域。智能灌溉控制器，是為了提高灌溉效率并實(shí)現(xiàn)信息化智能管理而發(fā)展起來的一款電子產(chǎn)品?？紤]中國土壤面積廣、人多、地形復(fù)雜以及人文特點(diǎn)，絕大部分的土地?zé)o法實(shí)現(xiàn)智能灌溉。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計量和有效管理，廣大農(nóng)村可采取簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施。此舉不僅具有廣闊的市場前景，而且具有不可估量的社會價值。
2 農(nóng)業(yè)灌溉智能控制的現(xiàn)狀
農(nóng)業(yè)灌溉用水一直主要考慮收取電費(fèi)，對用水量沒有概念。用戶灌溉前，需找電工記錄電表讀數(shù)，灌溉后再記錄一次，向村里繳納電費(fèi)即可。這樣既浪費(fèi)了人力資源及大量的時間，又不準(zhǔn)確，且不便于統(tǒng)計管理，尤其對于科學(xué)灌溉和信息化管理毫無作用。鑒于此，市面上出現(xiàn)了各種IC卡預(yù)付費(fèi)電表，當(dāng)用戶IC卡內(nèi)金額足夠的時候，刷卡時候預(yù)付費(fèi)電表通過內(nèi)部控制電路發(fā)出開泵指令，啟動井泵開始灌溉；當(dāng)用戶主動刷卡停泵或是IC卡內(nèi)金額不足時，電表發(fā)出停泵指令，停止井泵運(yùn)行。雖然方便了電費(fèi)的收取，一定程度起到了管理的目的，但是經(jīng)筆者調(diào)查，用戶普遍反映設(shè)備故障率較高維護(hù)不及時，影響用戶使用；管理系統(tǒng)只記錄了售電情況，管理系統(tǒng)不完善，沒有受到上級管理者的認(rèn)同和推廣。
3 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的研究與發(fā)展
3.1 精細(xì)型信息化系統(tǒng)
此系統(tǒng)需要提前收錄該村所有用戶的用戶名、所有地塊信息（包含地塊的位置、面積以及種植作物類型）和灌溉方式，并寫入智能控制器內(nèi)。使用過程中，用戶通過IC卡識別出自己的資料，并選定地塊及作物后啟動井泵開始灌溉，同時開始計量電量，當(dāng)用戶再次刷卡時結(jié)束灌溉，控制器存儲該用戶此次的記錄信息。由管理員定期利用智能掌上電腦（下文簡稱PDA），通過藍(lán)牙的無線通訊，將控制器內(nèi)存儲的所有記錄信息傳送到PDA內(nèi)。再通過USB數(shù)據(jù)線將PDA連接到PC機(jī)上，在管理軟件中導(dǎo)入所有的記錄信息，統(tǒng)計出每月的總用水量及每種作物的灌溉時間及用水量，經(jīng)由GPRS無線傳送給上級管理部門。如下圖1所示。
圖1 節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)
此款設(shè)備操作明了，記錄信息詳盡，但也存在一些不足：（1）控制箱的設(shè)計存在一定問題；（2）前期所提供數(shù)據(jù)量太大，村里管理員用到的數(shù)據(jù)量很小，且上級管理部門目前也不具備全面管理所有地區(qū)灌溉資料的力量；（3）控制器內(nèi)存儲的信息過多，設(shè)備老化快；（4）控制器與PDA之間是雙向操作，對設(shè)備的壽命及穩(wěn)定性都造成不利影響；（5）藍(lán)牙傳輸不夠穩(wěn)定且速度太慢，不夠人性化。
3.2 簡單實(shí)用型信息化系統(tǒng)
考慮精細(xì)型操作過于復(fù)雜，在第二代產(chǎn)品的研發(fā)過程中，將人性化設(shè)計和有效管理放在了第一位。用戶直接刷卡進(jìn)行灌溉，控制器自動存儲灌溉的起始時間、終止時間、用戶信息、使用電量；管理員利用PDA通過紅外技術(shù)將控制器內(nèi)的灌溉信息抄取到PDA內(nèi)；再將PDA與村級管理平臺PC機(jī)連接，信息導(dǎo)入管理軟件中；由GPRS無線傳輸給上層管理平臺。
改進(jìn)點(diǎn)：（1）控制器內(nèi)部芯片也進(jìn)行了升級，確保了設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命；（2）控制器只通過村莊編碼來識別用戶卡，簡化了操作方法，保證灌溉記錄的完整性和準(zhǔn)確性；（3）在管理軟件上，針對機(jī)井錄入了相對的灌溉面積及作物種類，統(tǒng)計灌溉時間、用電量，通過水電轉(zhuǎn)換系數(shù)來變換成相對的用水量，滿足用戶需求；（4）將藍(lán)牙傳輸改為紅外傳輸，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。（5）改進(jìn)了控制箱的設(shè)計，將進(jìn)線孔全部封閉。
經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，設(shè)備返修率僅為5%，且滿足上級管理部門的基本需求。在定期維護(hù)時候，又發(fā)現(xiàn)了一些新問題：（1）灌溉記錄的抄取需要人為操作，且抄取時間不定，不能同時滿足各級管理者的不同需求；（2）通過估算水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，來計算用水量，誤差太大。
3.3 實(shí)用拓展型信息化系統(tǒng)
在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過筆者公司相關(guān)專業(yè)人員的研究，應(yīng)管理部門的新需求，在北京順義區(qū)又展開一個新項目，在簡單實(shí)用型的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了控制器與超聲波水表之間的無線數(shù)據(jù)傳輸、控制器與村級管理PC機(jī)的無線傳輸兩種新功能，以及健全信息化系統(tǒng)。（1）設(shè)備的使用環(huán)境條件較好，配備了超聲波水表，可以將水表讀數(shù)直接無線數(shù)傳給灌溉控制器，在用戶使用過程中實(shí)時顯示灌溉的用水量以及用電量，保證了用水量及用電量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時為水電系數(shù)計算提供了參考數(shù)據(jù)；（2）控制器可以直接將灌溉記錄定時通過無線組網(wǎng)方式無線傳輸給村級管理平臺的PC機(jī)，并由PC機(jī)通過GPRS傳輸?shù)缴霞壒芾砥脚_。（3）在管理平臺上，細(xì)化了機(jī)井的各種信息，并關(guān)聯(lián)了用戶的地塊面積、作物類型，由管理員記錄到軟件管理平臺上?？梢噪S時按照用戶名、機(jī)井來統(tǒng)計總的用水量、用電量，使得管理更加智能化。
設(shè)備運(yùn)行良好，維護(hù)率很低，且管理簡單，受到了用戶、村級管理員和上級管理部門的好評！
4 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣
目前在大興、順義多地大力推廣該系統(tǒng)的使用。電子化、信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是管理系統(tǒng)的發(fā)展必然趨勢，提高無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性、更人性化的處理用戶誤操作導(dǎo)致的設(shè)備故障，以及更恰當(dāng)?shù)挠仙霞壒芾聿块T的需求，才能最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉控制及信息化管理系統(tǒng)的全面推廣。
摘要：將LED技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種智能照明系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)照明。結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并報告故障，對LED燈進(jìn)行實(shí)時控制，節(jié)約了電能。解決了農(nóng)業(yè)照明不同光色、光照度及照射時間等需求，提高了管理水平。
關(guān)鍵詞：ZigBee;LED驅(qū)動;PWM控制
ZigBee網(wǎng)絡(luò)屬于短距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)，能適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并快速方便地添加或重新配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成短距離無線通信子網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)布網(wǎng)成本低、靈活性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，適合組建短距離的無線傳感網(wǎng)。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，以星、樹、簇等拓?fù)浞绞綄?shí)現(xiàn)了數(shù)千個微小的傳感器之間的協(xié)調(diào)溝通[1]。
隨著節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式LED智能照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不同的發(fā)光二級管P-N結(jié)構(gòu)成的LED燈其發(fā)光顏色不同，此次介紹的農(nóng)業(yè)LED燈則根據(jù)不同農(nóng)作物的需要選取。LED燈的顏色由其本性決定，這里著重介紹LED燈驅(qū)動電源的設(shè)計及其驅(qū)動方式。
1 系統(tǒng)硬件選型及電路搭建
系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)控制方式、樹形組網(wǎng)[2]，以PC（Personnel Computer）基站式和手機(jī)移動式兩種方式控制WSN（Wireless Sensor Network）的各個節(jié)點(diǎn)，以PWM（Pulse Width Modulation）方式控制各個終端的發(fā)光亮度，通過光照度傳感器采集光照度信息以達(dá)到適應(yīng)不同的外部光照環(huán)境來實(shí)時控制，有手動和自動控制兩種方式。系統(tǒng)硬件大致分為傳感網(wǎng)模塊和LED驅(qū)動電源模塊，軟件是上位機(jī)應(yīng)用軟件。
1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案
系統(tǒng)中各終端設(shè)備和路由設(shè)備采用相同設(shè)計，充當(dāng)路由的設(shè)備完成信息轉(zhuǎn)發(fā)的中繼功能，由終端設(shè)備完成信息的采集和對LED驅(qū)動電源的控制。協(xié)調(diào)器設(shè)備完成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和建立，并為各個節(jié)點(diǎn)分配LAN內(nèi)的短地址，以RS232串口和計算機(jī)互聯(lián)通信，完成對節(jié)點(diǎn)的控制和信息顯示。
系統(tǒng)的硬件要求控制芯片應(yīng)滿足工業(yè)環(huán)境監(jiān)測要求的通信延遲、通信的可靠和能量損失小的要求[3]。通過ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的編制，使用成本低、開放、低功率無線互連的國際標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)芯片CC2530為本系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)。它能建立低功耗、大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)[4]。CC2530采用F256版本，具有256 kB的閃存。
根據(jù)CC2530芯片的內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計了射頻外圍組件，作為其信號收發(fā)前端，并將其安置到外圍電路上，組成一個能收集現(xiàn)場信息并能控制LED驅(qū)動芯片的終端節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)上有溫濕度傳感器、光照度傳感器，節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場感知信息通過路由設(shè)備傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定的光照度閥值和現(xiàn)場光照度發(fā)送PWM控制命令，再通過終端節(jié)點(diǎn)完成對LED驅(qū)動電源PWM_D腳的控制。圖1是系統(tǒng)的射頻前端電路，圖2是節(jié)點(diǎn)模塊電路，圖3是協(xié)調(diào)器電路。
1.2 LED驅(qū)動電源設(shè)計
系統(tǒng)提供的LED驅(qū)動電源能滿足LED日光燈、球泡燈等LED燈的恒流驅(qū)動，能滿足高可靠性、高效率、高功率因數(shù)、浪涌保護(hù)及電磁兼容的要求。智能調(diào)光方式為根據(jù)對高功率LED驅(qū)動芯片HV9910的PWM_D腳輸入PWM信號來對MOS管進(jìn)行開關(guān)控制來調(diào)光，最高輸入為300 kHz，以滿足LED燈不同亮度的要求。
電流輸出方式是根據(jù)控制MOS管的斷開時間來控制輸出電壓，終端節(jié)點(diǎn)輸出的PWM信號最大為300 kHz。試驗中所使用的LED燈設(shè)定的正常工作電流ILED為350 mA，紋波電流正常取ILED的30%。振蕩器的工頻可以用外部電阻接在HV9910芯片的ROSC端將其控制在25 k～300 kHz，頻率值計算方式為FOSC=25 000/（ROSC[k？贅]）[kHZ]。根據(jù)HM9910數(shù)據(jù)手冊，電感的計算方式為：正常整流后的電壓為 ■VIN，因此開關(guān)占空比D=VLED/■VIN，則功率管的導(dǎo)通時間TON=D/FOSC，由這些必要的值求出電感大小為L=（VIN-VLED）TON/（0.3ILED）。
2 軟件設(shè)計流程
軟件設(shè)計部分分為協(xié)調(diào)器模塊（路由模塊）和終端模塊，協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和建立，并選擇優(yōu)先信道，建立好網(wǎng)絡(luò)后便充當(dāng)一個路由設(shè)備與PC互聯(lián)，將終端感知的溫度、濕度和光照度等信息通過UART方式傳輸至PC控制軟件，在控制軟件上可以對各終端選擇控制，圖4是協(xié)調(diào)器的工作流程。
終端模塊先申請加入網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定工作后實(shí)時將采集的現(xiàn)場信息傳輸給協(xié)調(diào)器，再根據(jù)協(xié)調(diào)器的命令對LED驅(qū)動電源發(fā)送PWM信號，以能夠?qū)崟r控制LED燈的亮度。圖5是終端的工作流程。
在控制方式上有兩種，一種是在上位機(jī)上直接操作，有手動和自動兩種方式可選。另一種方式是通過手機(jī)發(fā)送短消息給終端節(jié)點(diǎn)，以完成點(diǎn)對點(diǎn)控制，不過這種方式要求知道終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號，不便于操作。表1是終端控制參數(shù)設(shè)置方式。
3 實(shí)測效果
系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)采用樹形組網(wǎng)方式，將各個終端節(jié)點(diǎn)分布在照明現(xiàn)場，各終端LED燈色根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行選取。終端及時地將現(xiàn)場信息采集至管理處，在PC終端可查看現(xiàn)場的溫度、濕度、光照度信息，系統(tǒng)有手動和自動兩種控制方式，控制人員根據(jù)現(xiàn)場采集的信息發(fā)送控制命令給每個終端，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)控制，節(jié)省了人力和電力。圖6是部分LED燈PC端的控制信息。
4 小結(jié)
將ZigBee技術(shù)和LED應(yīng)用相結(jié)合，設(shè)計出了一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚照明的智能系統(tǒng)，降低了能源消耗，提高了照明的可靠性，在照明方式和實(shí)時控制上能取得顯著的效果。ZigBee傳感網(wǎng)的建立在其節(jié)點(diǎn)的能耗上有一定的時限，并且在定位應(yīng)用的精準(zhǔn)度上有一定的困難，具體還有待進(jìn)一步研究。
摘 要
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺適應(yīng)于多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景（植物種植、禽畜飼養(yǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等），覆蓋農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的種養(yǎng)、檢驗、銷售采購、物流運(yùn)輸和安全回溯等多個環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺由傳感器系統(tǒng)和云控制服務(wù)平臺構(gòu)成。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采集環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤墑情、空氣狀態(tài)等信息，以幫助管理人員準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)定位問題，這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)智能 物聯(lián)網(wǎng)
基于UHF抗擾加密技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)以先進(jìn)的正交頻分復(fù)用（OFDM）和時分復(fù)用（TDM）通信同步綜合技術(shù)為核心，采用新一代軟件無線電平臺架構(gòu)，創(chuàng)造性的使用射頻信號分集收發(fā)、發(fā)射器功率泄漏對消、跳頻通信抗干擾、時隙輪詢握手交互、基于密鑰分散和3DES算法的通信數(shù)據(jù)加密等領(lǐng)先技術(shù)，具備高速并行計算處理能力，能夠適用300-348 MHz、400-464 MHz和800-928MHz等ISM頻段及短距裝置（SRD）頻帶實(shí)時雙向通信。農(nóng)業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具備如下功能：
1 發(fā)射器功率泄漏對消軟件自適應(yīng)算法，有效提升通信傳輸距離
設(shè)備的泄漏對消機(jī)制是指從射頻發(fā)射器前向射頻信號中耦合獲得參考信號，并根據(jù)參考信號產(chǎn)生對消信號，用于利用所述對消信號對所述泄漏信號進(jìn)行對消處理，經(jīng)對消處理后的泄漏信號的幅度小于原泄漏信號的幅度，使得射頻反向通信干擾信號大幅降低。
2 軟件無線電技術(shù)，同步綜合使用OFDM和TDM技術(shù)，抗干擾能力大幅增強(qiáng)
系統(tǒng)基于軟件無線電技術(shù)的DSRC基帶信號處理引擎，獨(dú)創(chuàng)的信號糾錯、還原、再生處理算法，先進(jìn)的分集接收技術(shù)和解碼算法，提升了對低質(zhì)量弱信號的識別能力。
系統(tǒng)使用OFDM和TDM同步綜合技術(shù)。在物理層，實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備集（以無線網(wǎng)關(guān)為核心）處于不同頻段，一旦發(fā)生通信碰撞，設(shè)備集將使用跳頻通信算法自動選擇新的頻段，避免不同頻段（多個設(shè)備集間）的通信干擾；在應(yīng)用層，一個設(shè)備集是以無線網(wǎng)關(guān)為核心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)和各個采集設(shè)備使用基于時隙輪詢的握手算法，分時同各個設(shè)備單獨(dú)通信，避免同頻段設(shè)備（設(shè)備集內(nèi)）的通信干擾。
在相同通信頻率和同一應(yīng)用場景的情況下，針對多組通信距離，本系統(tǒng)設(shè)備通信成功率提高12.5%～75%。
3 通信數(shù)據(jù)使用3DES算法和密鑰分散的軟件加密機(jī)制，數(shù)據(jù)安全性顯著提升
為了保證無線網(wǎng)關(guān)和采集器及控制器之間傳輸通道安全，系統(tǒng)設(shè)計了基于3DES加密算法和密鑰分散的軟件加密機(jī)制。3DES又稱Triple DES，是DES加密算法的一種模式，它使用3條56位的密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行三次加密。系統(tǒng)具備智能休眠和喚醒算法，實(shí)現(xiàn)性能和功耗的最佳平衡狀態(tài)。
4 支持智能遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，對接云服務(wù)平臺
完善的設(shè)備自檢功能，多參數(shù)綜合檢測，故障快速定位及告警功能，方便工作人員及時掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。支持智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)視實(shí)現(xiàn)對設(shè)備系統(tǒng)的操作、升級、配置、查詢、維護(hù)等操作。支持腳本化功能配置，靈活對接云服務(wù)控制平臺。
智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是在與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)設(shè)施的機(jī)械、電氣控制系統(tǒng)兼容的前提下，構(gòu)建了一套功能完整、可裁剪、低成本農(nóng)業(yè)生態(tài)信息遠(yuǎn)程監(jiān)測控制物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺。該平臺適應(yīng)于多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景（植物種植和禽畜養(yǎng)殖等），覆蓋農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的種養(yǎng)、銷售采購、物流運(yùn)輸、安全回溯等多個環(huán)節(jié)。
從功能角度，農(nóng)業(yè)生態(tài)信息智能化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)由傳感控制器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和云服務(wù)控制中心構(gòu)成。
傳感控制器網(wǎng)絡(luò)的核心部分是無線網(wǎng)關(guān)。該設(shè)備基于支持多天線超高頻無線通信和有線通信模式，支持10M/100M/1000M以太網(wǎng)通信，支持WLAN/GSM/GPRS/3G無線通信。采集器和控制器可以使用有線或無線的方式連接到網(wǎng)關(guān)上，形成完整的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場傳感器控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
5 UHF無線通信技術(shù)
常用的無線通信包括3G/GPRS、藍(lán)牙、WiFi、紅外傳輸（IrDA）、ZigBee、SRD UHF等。這些通信方式各有特點(diǎn)，或基于傳輸速度、距離、耗電量等的特殊要求，或著眼于功能的擴(kuò)展性，或符合某些單一應(yīng)用的特別要求，或建立競爭技術(shù)的差異化等。
6 正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM原理
正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道間相互干擾ISI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
7 跳頻通信技術(shù)原理
跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。
近50年來，中國農(nóng)業(yè)走過了一條高投入、高產(chǎn)出、高速度和高資源環(huán)境代價的道路。目前，我國農(nóng)業(yè)水平和以生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、技術(shù)密集與可持續(xù)發(fā)展等為主要標(biāo)志的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相比，存在較大的差距。2013年4月，國家農(nóng)業(yè)部余欣榮部長視察天津農(nóng)業(yè)工作時曾提出：“黨的十八大提出了‘四化同步’發(fā)展戰(zhàn)略，其中工業(yè)化是引領(lǐng)，城鎮(zhèn)化是動力，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是基礎(chǔ)，信息化是靈魂?！?
作者單位
天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津市 300131
摘要：針對互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息的多樣性、復(fù)雜性以及我國“三農(nóng)”的特殊性，研究并實(shí)現(xiàn)了智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎AgriRoom，介紹了AgriRoom的體系架構(gòu)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)：基于網(wǎng)頁分類和多元線性回歸分析的信息過濾技術(shù)、物理存儲模式的分頁式倒排索引技術(shù)、基于隨機(jī)索引和潛在語義分析的語義檢索模型。該系統(tǒng)目前已投入使用，取得了較顯著的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)信息;垂直搜索引擎;體系架構(gòu)
20世紀(jì)90年代初，搜索引擎開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，多由商業(yè)公司開發(fā)，也有一些是由組織機(jī)構(gòu)和政府部門研發(fā)的。從搜索引擎的質(zhì)量來看，組織機(jī)構(gòu)、政府部門開發(fā)和維護(hù)的農(nóng)業(yè)搜索引擎的質(zhì)量高于商業(yè)公司，主要是因為政府部門和組織機(jī)構(gòu)都是農(nóng)業(yè)相關(guān)部門，擁有先天優(yōu)勢。典型代表有美國農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息中心（AGNIC）與美國普林斯頓建立的Agriscape Search等[1]。2007年，中國首個農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎――“農(nóng)搜”上線，是目前全球數(shù)據(jù)量最大的中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎，其實(shí)現(xiàn)了“全文檢索+語義檢索”的智能檢索功能[2]。同年上線的“華農(nóng)在線”利用自然語言語義分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信息處理的應(yīng)用和在農(nóng)業(yè)行業(yè)的垂直搜索。與此同時，我國還出現(xiàn)了一些提供農(nóng)業(yè)信息搜索功能的網(wǎng)站。隨著搜索引擎技術(shù)的發(fā)展，面對我國“三農(nóng)”的特殊性以及互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息的多樣性和復(fù)雜性，許多問題需要探討，本研究構(gòu)建了智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎AgriRoom，并從體系的架構(gòu)、信息過濾、物理存儲模式以及語義檢索模型等方面進(jìn)行了介紹，為構(gòu)建智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎奠定了基礎(chǔ)。
1 智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎體系的架構(gòu)
課題組基于前期研究成果設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個功能完備的智能農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎AgriRoom，其體系架構(gòu)如圖1所示。AgriRoom作為專注于互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息的垂直搜索引擎，從初始的種子站點(diǎn)到主題詞庫等都體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)特性，同時系統(tǒng)還具有專門的信息過濾模塊篩選與農(nóng)業(yè)相關(guān)性高的網(wǎng)頁，從而既可以節(jié)約存儲空間，又保證了信息的準(zhǔn)確性。同時，為后期高效地檢索打下良好的基礎(chǔ)及保證系統(tǒng)的查準(zhǔn)率和查全率，AgriRoom采用基于雙索引庫模式的潛在語義檢索方式。首先，系統(tǒng)利用索引模塊建立高效的分頁式倒排索引庫;然后，利用檢索模塊將其轉(zhuǎn)換為雙重語義空間，為后面的語義檢索作準(zhǔn)備。體系的架構(gòu)圖見圖1。
1）專業(yè)網(wǎng)絡(luò)蜘蛛[1]從農(nóng)業(yè)種子站點(diǎn)列表中獲得網(wǎng)頁的URL，如果該地址不在舍棄URL隊列中，則對互聯(lián)網(wǎng)中相應(yīng)的Web服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)頁抓取，并解析抓取的網(wǎng)頁，提取該網(wǎng)頁中的超鏈接信息和網(wǎng)頁內(nèi)容信息送信息過濾模塊。然后，網(wǎng)絡(luò)蜘蛛再繼續(xù)抓取下一個網(wǎng)頁進(jìn)行同樣的處理。
2）信息過濾模塊接到專業(yè)網(wǎng)絡(luò)蜘蛛送來的已解析頁面后，根據(jù)農(nóng)業(yè)主題詞庫中的主題詞及其權(quán)值，分析該頁面的內(nèi)容是否與農(nóng)業(yè)主題相關(guān)、是否是垃圾網(wǎng)頁或?qū)Ш巾撁?。如果頁面與農(nóng)業(yè)主題相關(guān)度比設(shè)定的閾值低或頁面為垃圾頁面，則將此頁面的URL送入舍棄URL隊列。否則，將頁面送入索引模塊準(zhǔn)備建立索引，同時，還將該頁面存入農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫中。
3）索引模塊將獲得的頁面信息，進(jìn)行相應(yīng)處理后，建立分頁式倒排索引并存入索引庫[3]中。
4）當(dāng)所有抓取的頁面都被索引后，檢索模塊讀取分頁式倒排索引庫中的索引，通過隨機(jī)索引[4]和潛在語義分析[5]建立較高效的雙重語義空間。
5）用戶輸入查詢條件后，檢索模塊對其進(jìn)行解析和處理，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的查詢語句;檢索模塊將查詢語句和語義空間中的信息進(jìn)行語義分析后，獲得查詢結(jié)果。最后，形成結(jié)果頁面返回給用戶。
2 智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎體系的關(guān)鍵技術(shù)
AgriRoom的實(shí)現(xiàn)需要綜合應(yīng)用多項技術(shù)，除了常規(guī)的網(wǎng)頁抓取[1]、中文分詞技術(shù)[6]外還涉及到了3項關(guān)鍵技術(shù)：信息過濾技術(shù)、分頁式倒排索引技術(shù)以及語義檢索技術(shù)。
2.1 信息過濾
為了有效地減小索引規(guī)模和提高系統(tǒng)效率，AgriRoom采用了一種基于網(wǎng)頁分類技術(shù)和多元回歸分析[7]的信息過濾模型如圖2所示。整個工作流程可以分為訓(xùn)練過程和測試過程。在訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練集實(shí)例經(jīng)過預(yù)處理（文本抽取、中文分詞）、抽取特征項、向量表示后，構(gòu)建多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行回歸分析獲得回歸方程;在信息過濾過程中，每一個待過濾的中文網(wǎng)頁經(jīng)過預(yù)處理、向量表示后，代入多元回歸方程中，判定該網(wǎng)頁是否為農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁。
從圖2可以看出，構(gòu)建該信息過濾模型的關(guān)鍵因素包括：建立訓(xùn)練集、網(wǎng)頁預(yù)處理、特征選擇算法、多元線性回歸分析：
1）建立訓(xùn)練集。訓(xùn)練集是研究的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，但是與眾多的面向英文的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁訓(xùn)練集相比，標(biāo)準(zhǔn)的中文網(wǎng)頁訓(xùn)練集的起步很晚。到目前為止，只有一些中文文本訓(xùn)練集，還沒有出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的中文網(wǎng)頁訓(xùn)練集。為了解決該問題，動員100個學(xué)生手工在互聯(lián)網(wǎng)上采集農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁50 000張，其中，35 000張作為訓(xùn)練集，15 000張作為測試集;然后，以百度作為網(wǎng)絡(luò)蜘蛛的種子站點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)上隨機(jī)抓取 12 000張網(wǎng)頁，人工挑出7 000張非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁，其中的4 000張作為訓(xùn)練集，3 000張作為測試集。通過反復(fù)測試，最終確定訓(xùn)練集實(shí)例用于信息過濾。
2）網(wǎng)頁預(yù)處理。網(wǎng)頁預(yù)處理過程主要包括網(wǎng)頁正文抽取;借助于中文分詞工具對抽取后的文本進(jìn)行中文分詞;對分詞后的結(jié)果建立索引。
3）特征選擇算法。特征詞不但是用來建立回歸模型的因子，也是區(qū)分農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁和非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁的最關(guān)鍵因素，特征詞選取方法將對模型的識別效果產(chǎn)生重大影響。文本在深入研究了中文網(wǎng)頁分類中典型的特征詞提取方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提出了一種新的特征詞選取方法，其步驟如下：
a.從農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集索引文件中獲取農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集分詞結(jié)果集合Term1（t1，t2，…，tn）和對應(yīng)文檔頻率集合Df1（df1，df2，…，dfn）;
b.從非農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集索引文件中獲取非農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集分詞結(jié)果集合Term2（t1，t2，…，tm）和對應(yīng)文檔頻率集合Df2（df1，df2，…，dfm）;
c.從集合Df1中查詢Term1中所有詞條ti的文檔頻率，記為ny_dfi，再從集合Df2中查詢詞ti的文檔頻率dfi，記為fny_dfi，計算詞條ti在農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集和非農(nóng)業(yè)訓(xùn)練集中文檔頻率差值的絕對值C，即C=ABS（ny_dfi-fny_dfi）。對詞條ti按C值逆序排序，選取C值大于預(yù)先設(shè)定的閾值的詞條ti為區(qū)分農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁和非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁的特征詞。通過分別比較不同分詞工具的特征詞選取結(jié)果，最終確定了前100個特征詞（表1）。
4）多元線性回歸分析。多元回歸分析[8]是一種處理自變量與因變量的統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計方法。雖然自變量和因變量之間沒有確定性的函數(shù)關(guān)系，但可以設(shè)法找出最能代表它們之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)形式?；貧w分析有很廣泛的應(yīng)用，例如經(jīng)驗公式的求得、因素分析、產(chǎn)品質(zhì)量的控制等。在進(jìn)行中文農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁識別過程中，利用獲得的前40個特征詞和MATLAB進(jìn)行多元線性回歸分析，最終獲得可用于分類的回歸方程，即分類器：y= -0.368 4+0.187 4x[0]+0.210 4x[1]+0.202 4x[2]+0.125 8x[3]+0.364 2x[4]+0.188 2x[5]+0.135 7x[6]+0.083 7x[7]+0.126 8x[8]+0.045 5x[9]+0.061 6x[10]+0.053 8x[11]+0.105 0x[12]+0.097 0x[13]+0.404 0x[14]+0.071 1x[15]-0.018 4x[16]+0.076 1x[17]-0.372 7x[18]+0.118 8x[19]-0.098 9x[20]+0.078 7x[21]+0.065 8x[22]-0.088 4x[23]-0.054 9x[24]-0.028 5x[25]+0.047 5x[26]-0.083 6x[27]+0.036 6x[28]-0.134 3x[29]+0.003 4x[30]+0.004 5x[31]+0.034 4x[32]+0.045 6x[33]+0.020 3x[34]+0.038 0x[35]-0.063 9x[36]-0.026 6x[37]+0.092 7x[38]-0.083 2x[39]。
式中的x[i]為第i個特征詞的對應(yīng)值，若該詞在網(wǎng)頁中出現(xiàn)了，x[i]的值為1，否則為0;最終計算出的y值如果大于0，說明網(wǎng)頁為農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁，否則不是農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁。
2.2 分頁式倒排索引
為了解決常規(guī)倒排索引的檢索效率低、不易更新等缺點(diǎn)[9]，AgriRoom采用一種分頁式倒排索引結(jié)構(gòu)（圖3）。該倒排索引的存儲模式采用數(shù)據(jù)庫與磁盤文件混合存儲，只將文檔集合D存入數(shù)據(jù)庫中而將詞條集合T和倒排索引集合IT存入磁盤文件中。為了提高檢索速度，AgriRoom將倒排索引散列為100份。每個文件夾下有3個文件，分別是IND、SITES和URLS，均為順序文件。其中，IND文件中存儲了每個詞條在SITES文件中的偏移量（SitesOffset），包含該詞條的站點(diǎn)個數(shù)（SiteCount）、該詞條的文檔個數(shù)（UrlCount）以及詞條在文檔集合D中出現(xiàn)的總次數(shù)（TotalCount）。SITES文件中存儲了詞條在各站點(diǎn)（Site_ID）倒排索引中的偏移量（UrlsOffset）。URLS文件存儲詞條的倒排索引并按照Site_ID聚合。
為了提高倒排索引的檢索和更新效率，倒排索引文件在磁盤中以分頁方式存儲[10]。為了減少文件頁內(nèi)碎片，AgriRoom將倒排索引集合IT存入多個文件中，每個文件具有不同頁大小，并在配置文件中指定每個文件的路徑、文件名以及頁大?。摯笮∈俏募到y(tǒng)頁大小的整數(shù)倍）。每個倒排文件有一個頭頁（HeadPage）和若干個數(shù)據(jù)頁（DataPage）。在頭頁中存儲該文件的頁大小（PageSize）、頁個數(shù)（PageCount）以及下一個空閑頁的頁號（NextFreePageNo）。在數(shù)據(jù)頁中存儲該頁的頁號（PageNo），如果單個詞條的倒排索引數(shù)據(jù)長度大于數(shù)據(jù)頁的大小則存儲下一個數(shù)據(jù)頁的頁號（NextPageNo）、索引長度以及索引數(shù)據(jù)。一個數(shù)據(jù)頁中最多只能存一個詞條的倒排索引數(shù)據(jù)。由于HASH數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的等值查找性能最好，所以詞條集合T和倒排索引集合IT在內(nèi)存中以HASH數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲以提高檢索效率。倒排文件和詞典文件在磁盤和內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3 基于雙重語義空間的語義檢索模型
檢索技術(shù)是智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎實(shí)現(xiàn)高效檢索的核心技術(shù)之一，針對語義檢索的現(xiàn)狀和存在的問題，AgriRoom采用了一種新型的基于雙重語義空間的語義檢索模型[11]。該檢索模型的基本思路是將檢索過程分解為兩個階段：①利用改進(jìn)后的隨機(jī)索引技術(shù)[11]生成農(nóng)業(yè)測試集的文檔空間和詞空間，然后獲得查詢句的語義向量，與文檔空間中的向量進(jìn)行比較，獲得初選文檔列表;②利用潛在語義分析技術(shù)生成文檔空間的文檔相似度矩陣[12]，利用文檔間的相似度值，對初選文檔列表中大于指定閾值的文檔查找相關(guān)文檔，并更新文檔列表，最終獲得結(jié)果列表返回給用戶。AgriRoom的語義檢索模型見圖5。
3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
基于系統(tǒng)的總體設(shè)計和相關(guān)研究成果，課題組構(gòu)建了功能完備的智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎AgriRoom。從種子站點(diǎn)開始抓取互聯(lián)網(wǎng)中的相關(guān)網(wǎng)頁，并經(jīng)過信息過濾后，建立農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫和分頁式倒排索引庫，再經(jīng)過進(jìn)一步的語義分析后，建立語義索引庫，最終能夠為用戶提供方便、準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息檢索服務(wù)。
3.1 開發(fā)環(huán)境與工具
系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境為：64位曙光刀片服務(wù)器，其主要配置為4 GB內(nèi)存，260 GB硬盤容量;軟件配置為：Redhat Linux操作系統(tǒng)，其內(nèi)核為2.6.31.5-127.fc12.i686.PAE，編譯器為GCC 4.4.2，Web服務(wù)器為Apache 2.x。系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫為：MySQL。
4 小結(jié)
面對海量的互聯(lián)網(wǎng)信息資源，如何快速而有效地獲取個性化的農(nóng)業(yè)知識和信息資源成為數(shù)字農(nóng)業(yè)迫切需要解決的問題。智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎的出現(xiàn)將有效解決農(nóng)業(yè)信息“迷航”問題。因此研究構(gòu)建了智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎的關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于網(wǎng)頁分類和多元線性回歸分析的信息過濾技術(shù)、分頁式倒排索引技術(shù)以及基于隨機(jī)索引和潛在語義分析的語義檢索模型。最終，構(gòu)建了功能完備的智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎AgriRoom。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能夠為用戶提供方便、準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息檢索服務(wù)。
摘 要：智能農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推出的第一代擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。它是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度、濕度信號以及光照、土壤含水量、CO2濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌，開關(guān)卷簾等）。同時在溫室現(xiàn)場布置攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時采集視頻信號。用戶通過電腦或智能手機(jī)終端，隨時隨地觀察現(xiàn)場情況，查看現(xiàn)場溫濕度等數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié)指定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息檢測，對環(huán)境進(jìn)行自動控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)。前端設(shè)備支持多種傳感器的接口，同時支持音頻，視頻功能，可以有效的為農(nóng)業(yè)專家提供第一手的現(xiàn)場專業(yè)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞： 智能農(nóng)業(yè)；無線傳感器；遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)時采集
一、物聯(lián)網(wǎng)概述
（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的背景
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被譽(yù)為全球一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，國家和政府部門非常注重物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)新華社報道，在各省啟動的十二五規(guī)劃中，有23個省份將物聯(lián)網(wǎng)作為重要的發(fā)展目標(biāo)。
物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、二維碼等信息感知設(shè)備，按約定的協(xié)議連接起來，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的組織模式進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、數(shù)據(jù)采集、智能控制、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
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)營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為重心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和技術(shù)為中心，大規(guī)模地使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的設(shè)備的生產(chǎn)模式。
短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般情況下由終端節(jié)點(diǎn)、通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)及管理器節(jié)點(diǎn)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
（二）智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的功能介紹
物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)平臺系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和專家系統(tǒng)組成，其各部分系統(tǒng)功能介紹如下：
1.智能農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)溫室內(nèi)部光照、溫度、濕度和土壤含水量等傳感器采集的數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和管理?？蔀橛脩粼陔娔X與手機(jī)終端上實(shí)時、直觀的展示采集到的數(shù)據(jù)。用戶可以在平臺上查看自己需要的數(shù)據(jù)，包括實(shí)時數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)管理，以及為用戶提供自定義打印報表，提供各種匯總統(tǒng)計信息，對數(shù)據(jù)庫備份等服務(wù)，從而方便的得到數(shù)據(jù)信息，輔助決策等。
實(shí)時采集的數(shù)據(jù)主要為各類傳感器采集的數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控采集的現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)。溫度包括空氣溫度、淺層土壤溫度（土下2cm）、深層土壤溫度（土下5cm）；濕度主要包括空氣的濕度、淺層土壤含水量（土下2cm）、深層土壤含水量（土下5cm）。傳感器采集數(shù)據(jù)的上傳采用ZigBee無線傳輸模式，ZigBee發(fā)送模塊將傳感器的采集數(shù)據(jù)傳送到ZigBee節(jié)點(diǎn)上。
用戶可以在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺上或通過手機(jī)終端等查看現(xiàn)場的實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，并且在界面上可顯示實(shí)時采集數(shù)據(jù)的曲線圖。
2.智能農(nóng)業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用高精度攝像機(jī)對農(nóng)田或大棚等進(jìn)行視頻監(jiān)控，系統(tǒng)清晰度和穩(wěn)定性等參數(shù)均符合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
在大棚內(nèi)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，平臺將視頻監(jiān)控文件進(jìn)行處理傳給后臺管理子系統(tǒng)，可在微機(jī)終端進(jìn)行查看，后臺管理系統(tǒng)將視頻監(jiān)控文件進(jìn)行處理通過WAP方式利用手機(jī)終端進(jìn)行查看。企業(yè)管理層或相關(guān)管理結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)人可通過手機(jī)視頻來了解農(nóng)業(yè)示范區(qū)現(xiàn)場動態(tài)情況。系統(tǒng)可以通過視頻監(jiān)控植物的成長過程（實(shí)時、錄像）供遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。
3.智能農(nóng)業(yè)預(yù)警系統(tǒng)
當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的限制是，將開啟系統(tǒng)報警功能，并發(fā)送短信告知相關(guān)管理人員，便于對農(nóng)作物生產(chǎn)的管理。
4.智能農(nóng)業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)
設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要有控制設(shè)備和相應(yīng)的繼電器控制器控制電路組成，通過繼電器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，包括噴淋、滴灌等噴水系統(tǒng)和卷簾、風(fēng)機(jī)等空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。用戶可通過電腦或手機(jī)終端對設(shè)備直接操控，完成日常工作。
二、NRF905的概述
（一）NRF905概述
NRF905單片無線收發(fā)器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us.自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。[8] 外圍器件連接簡單，無需外部SAW濾波器。芯片內(nèi)部本身附帶功率放大器、頻率合成器、調(diào)制器和晶體振蕩器等部分，其中輸出功率以及通信頻道可通過編寫程序進(jìn)行配置。從NRF905的芯片手冊中查到，其功耗十分小，當(dāng)以10dBm 的功率發(fā)射時，工作電流僅有 30mA，同時支持多種低功率工作模式，待機(jī)模式下電流僅為12.5μA，節(jié)能設(shè)計更加方便。
（二）工作原理
該系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)的是點(diǎn)對點(diǎn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)的過程，單片機(jī)將地址和數(shù)據(jù)寫完后，就要控制NRF905無線收發(fā)模塊將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，NRF905發(fā)送模式會自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳（即DR）通知單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。下面是NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程：（1）當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，根據(jù)時序圖將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以及接收機(jī)的地址通過SPI接口傳送給NRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和期器件配置時已經(jīng)確定；（2）通過單片機(jī)置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)NRF905的射頻發(fā)送（ShockBurstTM）模式；（3）NRF905的ShockBurstTM發(fā)送；（4）若單片機(jī)將AUTO_RETRAN寄存器設(shè)置為高電平時，此指令表明需要再次發(fā)送數(shù)據(jù)，NRF905無線模塊將實(shí)施重發(fā)，持續(xù)到STC89C516RD+單片機(jī)將TRX_CE變?yōu)榈碗娖綖橹梗唬?）當(dāng)TRX_CE被置低時，表示NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)過程完成，芯片將自動進(jìn)入空閑模式。[14]
三、系統(tǒng)硬件設(shè)計
節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的通信底板以STC89C516RD+單片機(jī)為核心，通過Altium Designer軟件自行設(shè)計通信子系統(tǒng)的PCB板，將NRF905無線收發(fā)模塊安放在預(yù)先設(shè)計好的的系統(tǒng)板上。串口電路部分采用MAX232芯片，外圍搭建光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，硬件結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，同時有效的節(jié)約了成本。
四、系統(tǒng)運(yùn)行流程
軟件構(gòu)架。本系統(tǒng)工作時首先節(jié)點(diǎn)1先設(shè)定為發(fā)送模式，通過外接各種傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)2，然后等待節(jié)點(diǎn)2接收，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2得到正確的數(shù)據(jù)之后，又將反饋信息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1得收正確的反饋信息之后，系統(tǒng)板上的LED燈將會點(diǎn)亮，則說明發(fā)送接收成功。
五、運(yùn)行結(jié)果
系統(tǒng)硬件連接實(shí)物圖如圖2所示。
數(shù)據(jù)收發(fā)完全正確，其結(jié)果顯示如圖3所示。
短距離無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以其低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、信息容量大等特點(diǎn)正被應(yīng)用到廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。本文首先對其發(fā)展前景和應(yīng)用現(xiàn)狀及無線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了概述，重點(diǎn)是對本課題所采用的STC89C516RD+型單片機(jī)與無線收發(fā)模塊NRF905，再使用LCD液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時顯示來完成NRF905的無線通信系統(tǒng)設(shè)計，同時對短距離無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，對其發(fā)展前景也進(jìn)行了深入的研究。
無線通信技術(shù)，正在迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文對其在盲區(qū)無線智能通信系統(tǒng)中的應(yīng)用作了一些有益的研究并取得了一些成果，但仍有許多問題可待進(jìn)一步的研究解決。（1）提高節(jié)點(diǎn)集成化，縮小體積。本文制作完成的節(jié)點(diǎn)是由微控制系統(tǒng)板和射頻通信板組成的，體積較大。在以后的電子技術(shù)發(fā)展中可以同時將射頻通信系統(tǒng)和微控制系統(tǒng)以及一些相關(guān)應(yīng)用集成到同一芯片上，將會極大縮小節(jié)點(diǎn)體積。（2）能耗管理智能化研究，進(jìn)一步降低能耗。本文所作研究對能耗管理方面通過采用系統(tǒng)定時休眠來達(dá)到節(jié)能的目的。進(jìn)行能耗管理提高系統(tǒng)自身運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)的使用時間，最終提高了系統(tǒng)自身的應(yīng)用效益。
利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是農(nóng)業(yè)環(huán)境測控系統(tǒng)通信問題的有效方法。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境信息采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、實(shí)時顯示和存儲，并通過無線方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程管理中心的通信，成功地解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)下的各種問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將更大更廣闊的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。
[作者簡介]葛付偉，南開大學(xué)濱海學(xué)院電子科學(xué)系，教師；毛建新，南開大學(xué)濱海學(xué)院電子科學(xué)系，本科在讀。
【摘要】智能農(nóng)業(yè)控制通過實(shí)時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫度、濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備;可以根據(jù)用戶需求，隨時進(jìn)行處理。本文提出了利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線傳感的智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計，為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動監(jiān)測、對設(shè)施進(jìn)行自動控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】ZigBee;智能;農(nóng)業(yè)大棚;物聯(lián)網(wǎng)
一、概述
“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本;另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。
智能控制是為了達(dá)到節(jié)能、舒適、便利的目的，要求對市政、家庭、農(nóng)業(yè)等的智能控制和監(jiān)視制定細(xì)致的策略和方案。但是，傳統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)由于很多因素的制約，很難達(dá)到要求。為了解決這些問題，業(yè)界嘗試了很多辦法，但基本上都屬于封閉式的，多采用私有協(xié)議，彼此間難以互通，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不透明，靈活性、擴(kuò)充性不佳。從長遠(yuǎn)看，智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是走向開放，尤其是智能控制與互聯(lián)網(wǎng)的融合是其中一個重要發(fā)展趨勢。
二、智能農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用分析
通過對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度信號、光照度以及土壤的水分等參數(shù)的采集，能夠根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)，自動開啟或關(guān)閉設(shè)備，來達(dá)到大棚內(nèi)的參數(shù)平衡。這樣，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)信息的自動監(jiān)測，對大棚內(nèi)設(shè)施進(jìn)行自動控制和智能化管理。
大棚監(jiān)控及智能控制解決方案是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度，濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤含水量、CO濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌、開關(guān)卷簾等）。在每個智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署空氣溫濕度傳感器2只，用來監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫度、空氣濕度參數(shù);每個農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署土壤溫度傳感器2只、土壤濕度傳感器2只、光照度傳感器2只，用來監(jiān)測大棚內(nèi)土壤溫度、土壤水分、光照度等參數(shù)。所有傳感器一律采用直流24V電源供電，大棚內(nèi)僅需提供交流220V市電即可。 每個農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)部署1套采集傳輸設(shè)備（包含中心節(jié)點(diǎn)、無線3G路由器、無線3G網(wǎng)卡等），用來傳輸各農(nóng)業(yè)大棚的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備控制指令數(shù)據(jù)等到internet上與平臺服務(wù)器交互。 在每個需要智能控制功能的大棚內(nèi)安裝智能控制設(shè)備1套（包含一體化控制器、擴(kuò)展控制配電箱、電磁閥、電源轉(zhuǎn)換適配設(shè)備等），用來傳遞控制指令、響應(yīng)控制執(zhí)行設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的電動卷簾、智能噴水、智能通風(fēng)等行為的實(shí)現(xiàn)。
三、系統(tǒng)架構(gòu)研究
1、總體架構(gòu)
系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為傳感信息采集、視頻監(jiān)控、智能分析和遠(yuǎn)程控制四部分。
2、傳感信息采集分析：
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)溫室內(nèi)部光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數(shù)據(jù)的采集和控制。數(shù)據(jù)傳感器的上傳采用ZigBee無線傳感模式。 傳感器的數(shù)據(jù)上具有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數(shù)據(jù)信號通過有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。而在Zigbee傳輸模式中，傳感器數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節(jié)點(diǎn)上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)上，省去了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機(jī)的業(yè)務(wù)平臺。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問上位機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺，實(shí)時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。Zigbee模式具有部署靈活、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，在這里我們采用的是Zigbee模式。
3、控制系統(tǒng)分析：
控制系統(tǒng)主要由一體化控制器、執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備，包括噴水系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，噴水系統(tǒng)可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)備，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可支持卷簾、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。 采集傳輸部分主要將設(shè)備采集到的數(shù)值傳送到服務(wù)器上，現(xiàn)有大棚設(shè)備支持3G、有線等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4現(xiàn)網(wǎng)協(xié)議及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議。 業(yè)務(wù)平臺負(fù)責(zé)對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)空間/時間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制五個方面。用戶還可以根據(jù)需要添加視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)空間/時間分布將系統(tǒng)采集到的數(shù)值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場圖）、歷史數(shù)據(jù)可以向用戶提供歷史一段時間的數(shù)值展示;超閾值告警則允許用戶制定自定義的數(shù)據(jù)范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶。
四、智能農(nóng)業(yè)大棚主要功能
1、數(shù)據(jù)采集
能夠?qū)χ悄苻r(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線采集，可以采集內(nèi)部的溫濕度、光照、以及土壤的水分等參數(shù)。
2、視頻監(jiān)控
用戶能夠?qū)崟r地通過電腦或手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，觀察大棚內(nèi)作物生長狀況。
3、數(shù)據(jù)存儲
系統(tǒng)能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便日后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方便日后查詢。
4、數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖或柱狀圖分析，生成報表，根據(jù)分析后的數(shù)據(jù)，可以由此判斷出在什么條件下更適宜農(nóng)作物的生長，為以后種植的提供依據(jù)。
5、遠(yuǎn)程控制
只要能夠聯(lián)網(wǎng)，在任何時刻都可以對大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以調(diào)節(jié)內(nèi)部的參數(shù)。
6、超限報警
用戶可以自行設(shè)置超限值，當(dāng)參數(shù)越過超限值時，可以通過監(jiān)控器或手機(jī)進(jìn)行實(shí)時報警，以便及時提醒用戶。
五、結(jié)束語
隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，智能農(nóng)業(yè)大棚將會在以后扮演越來越重要的角色。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著非常重要的作用，同時也會推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。
