基于物联网的智能农业系统设计及实现-毕业论文

山东商业职业技术学院毕业设计 山山 东东 商商 业业 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目：题目： 基于物联网的智能农业系统设计及实基于物联网的智能农业系统设计及实现现 姓 名： 专 业： 物联网应用技术 班 级： 物联网 指导老师：指导老师： 年年 月月 日日 山东商业职业技术学院毕业设计 姓名学号学制三年 班级物联网班级负责人 论文题目基于物联网的智能农业系统设计及实现 指导教师职称或职务讲师 指导教师评语： 成绩： 指导教师签名： 年 月 日 答答 辩辩 情情 况况 记记 录录 答 辩情 况 答辩题目答辩题目 正 确基本正确经提示回答不 正 确未 回 答 选题思路？ 制作过程 此表格由主持答辩的同志填写；正确为优秀；基本正确为良好；经提示回答为及格；不 正确，不回答为不及格。 答辩委员会（或小组）评语：答辩委员会（或小组）评语： 成绩： 答辩人签名： 毕业论文审查不及格补审意见：毕业论文审查不及格补审意见： 成绩： 补审人签名：职称：年 月 日 山东商业职业技术学院毕业设计 1 目 录 目目 录录1 前言前言2 ABSTRACT 4 第一章第一章 绪论绪论5 1.1 背景.5 1.2 物联网应用.6 1.3 物联网架构图.8 第四章第四章 传感层传感层15 4.1 传感层设计15 4.2 传感节点设计15 4.3 网关节点设计16 第五章第五章 传输层传输层18 5.1 传输层系统设计18 5.2 目标设计18 第六章第六章 应用层应用层20 6.1 系统设计20 6.2 传感节点的主程序设计20 6.3 网关节点的主程序设计20 第七章第七章 智能协同控制器与农业物联网应用层的接口智能协同控制器与农业物联网应用层的接口22 第八章第八章 物联网的应用物联网的应用25 8.1 区域试验工程25 8.2 目标和重点任务27 8.3 试验布局30 8.4 条件保障33 第九章第九章 案例及解决方案案例及解决方案35 9.1 案例35 9.2 解决方案37 第十章第十章 总结与展望总结与展望39 致谢致谢40 参考文献参考文献41 山东商业职业技术学院毕业设计 2 前言 物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。物 联网以感知为前提，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。物联网在农业上的应用将会使农业生 产方式产生重大变革，会急速促进我国农业生产问题上面临的种种问题。 本文简要的复述了这个智能农业理念，给出了有关物联网的相关定义和基本功能。结 合智能农业大系统架构，论述了农业物联网的框架以及与智能农业系统的接口问题。其重要 结论如下： （1）智能农业应当是包含农业大系统智能控制在内的体系。基于农业复杂大系统智 能控制的智能农业是一个递阶型网络控制大系统，并且是可以形成闭环的。其“智能”特性 表现在：大系统的自愈性、自主的智能协同性和调控性； （2）农业物联网仅仅是一个网络，它不具备担当对农业系统进行调控的能力； （3）智能农业系统的有序、有效的运转离不开农业物联网的网络技术支持，但是农 业物联网必须具备信息的双向流动能力； （4）要达到农业物联网的有效应用必须要拓展其功能，必须构建一个物联网网络控 制器。同时在应用层与智能农业系统的智能协同控制器之间应具备友好的接口与界面； 山东商业职业技术学院毕业设计 3 摘要摘要 物联网作为信息产业的第三次浪潮,在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题,例如 分布在广域空间的信息获取,高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等,将是实现 传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。农业生产过程中,温度、湿度、光照强度、C02 浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长,传统农业的管理方式远远 没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力管 理上述环境参数,无法达到准确性要求,要实现现代农业的智能化管理,建立一个实用、可靠、 可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。因此,本文设计了基于物联网的智能农业监 测系统,该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。论 文首先详细阐述物联网和农业物联网的内涵和体系结构、农业物联网的关键技术和未来发展。 介绍了数据融合的相关概念,并提出了 KDF 算法用于系统对感知数据的处理。KDF 算法是基 于卡尔曼滤波的数据融合算法,能够达到减少冗余信息、降低能量消耗以及消除干扰使获得 的感知数据更加准确的目的。其次,论文给出了系统的总体设计,并根据设计要求,以 MSP430F5438 微处理器、射频模块 CC2520、射频放大前端 CC2591 以及 SHT10 温湿度传感器 等环境感知传感器为核心,构建了传感器硬件节点。传感器节点的软件以 Z-Stack 协议栈为 基础,成功的实现了无线 Mesh 网络的组建和数据的可靠传输。最后,论文介绍了上位机监测 软件,上位机监测软件基于 B/S 架构,使用 JSP 语言在 MyEclipse 环境下开发,具有良好的人 机交互前台界面；后台采用 MySQL 数据库,完成环境参数数据和其他有用信息的存储；将整 个系统通过 Tomcat 服务器在线发布,系统便可以接入到 Internet 中,形成“底层(传感器) Internet 网络远程监控”的结构,使连入互联网的计算机均可以访问。对系统从功能实现 角度来开展的实验结果显示,该系统可以正常稳定的工作,无线传感器节点可以正常构建无线 Mesh 网络,可以进行数据可靠传输,系统通过 Tomcat 服务器在线发布,用户可以在任何台 与 Internet 相连的 PC 机上登录本系统进行数据查询和系统管理,实现远程监测的功能,并且 本系统采用的节能机制达到了很好的节能效果,且采集数据的精度符合要求。 关键词：关键词：农业物联网； 无线传感器网络； 数据融合； B/S 架构 山东商业职业技术学院毕业设计 4 ABSTRACT The Internet of things as the third wave of information industry, its application in agriculture will solve the problem of a series of science and technology, such as distributed in wide area space information acquisition, high efficient and reliable information transmission, and geared to the needs of different applications of intelligent decision-making, etc., will is a booster to the transformation of traditional agriculture to modern agriculture and the accelerator. Agricultural production process, the temperature, humidity, light intensity, concentration of our fleet, moisture, and other nutrients such as the growth of the crops, the common effect of natural factors of traditional agricultural management way far not reached the standard of fine management, can be extensive management, in this kind of management mode, through people awareness of management environment of these parameters, cannot meet the accuracy requirements, in order to realize intelligent management of modern agriculture, to establish a practical, reliable, long-term monitoring of agricultural environment monitoring system is very necessary. Therefore, this article designed the agriculture intelligent monitoring system based on Internet of things, the system can accurately in real time for the growth of the crops and environmental information for remote monitoring of the information. Paper first elaborated the connotation of Internet of things and Internet of things of agriculture and architecture, the key technology of Internet of things of agriculture and the development in the future. Introduces the related concepts of data fusion, and proposed the KDF algorithm for system processing of sensory data. KDF algorithm is the data fusion algorithm based on kalman filter, can achieve reduce the redundant information and reduce energy consumption, and eliminate the interference to make a more accurate perception of the data obtained. Secondly, the paper gives the overall design of the system, and according to the design requirements, with MSP430F5438 microprocessor CC2520, rf module, rf amplifier front-end CC2591 and SHT10 such as temperature and humidity environment perception as the core, to build a sensor node hardware. Sensor node software based on the Z - Stack protocol Stack, successful implementation of the wireless Mesh network form and reliable transmission of data. Finally, the paper introduces the PC monitoring software, PC monitoring software based on B/S structure, using JSP language under the environment of MyEclipse development, has a good human-computer interaction interface at the front desk; The background using the MySQL database, complete environmental parameter data and other useful information storage; The entire online system by the Tomcat server, the system will be able to access to the Internet, the formation of “the underlying (sensor), the Internet network, remote monitoring of the structure, make the computer are connected to the Internet can access. The system from the perspective of functions in order to develop the experimental results show that the system can be normal and stable work, wireless sensor nodes can be normal to build wireless Mesh network, can undertake data reliable transmission, online system by the Tomcat server, the user can in any PC - units are connected to the Internet login this system for data query and management, realize the function of remote monitoring, and this system adopts the mechanism of energy saving achieved good energy saving effect, and data accuracy meets the requirements. Keywords: Agricultural Internet of things; Wireless sensor network (WSN); Data fusion; B/S architecture 山东商业职业技术学院毕业设计 5 第一章 绪论 1.11.1 背景背景 农业是当今世界农业发展的趋势，中国作为一个农业大国，对于精准农业的需求更为 迫切，怎样合理经济地以少投入获得多回报，这不仅是可持续发展的要求，更是社会进步的 体现。农田的环境监测是支撑精准农业技术的关键，实时、方便、有效地采集农业环境参数 是实现精准农业的重要基础。 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。 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。 山东商业职业技术学院毕业设计 6 1.21.2 物联网应用物联网应用 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。 （图 1.21） 实时监测功能 山东商业职业技术学院毕业设计 7 通过传感设备实时采集温室（大棚）内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土 壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据；将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台， 服务服管理平台对数据进行分析处理。 远程控制功能 针对条件较好的大棚，安装有电动卷帘，排风机，电动灌溉系统等机电设备，可实现 远程控制功能。农户可通过手机或电脑登录系统，控制温室内的水阀、排风机、卷帘机的开 关；也可设定好控制逻辑，系统会根据内外情况自动开启或关闭卷帘机、水阀、风机等大棚 机电设备。 查询功能 农户使用手机或电脑登录系统后，可以实时查询温室（大棚）内的各项环境参数、历 史温湿度曲线、历史机电设备操作记录、历史照片等信息； 登录系统后，还可以查询当地 的农业政策、市场行情、供求信息、专家通告等，实现有针对性的综合信息服务。 警告功能 警告功能需预先设定适合条件的上限值和下限值，设定值可根据农作物种类、生长周 期和季节的变化进行修改。 当某个数据超出限值时，系统立即将警告信息发送给相应的农 户，提示农户及时采取措施。 农业物联网区域试验工程工作方案 为贯彻落实党的十八大精神，切实促进工业化、信息化、城镇化和农业现代化同步发 展，充分利用现代信息技术改造传统农业，不断提高农业资源利用率和劳动生产率，推动农 业发展向集约型、规模化转变，提升农业现代化水平。农业部决定启动农业物联网区域试验 工程（下称区试工程），选择有一定工作基础的天津、上海、安徽三省市率先开展试点试验 工作。为确保区试工程顺利进行，制定如下方案。 山东商业职业技术学院毕业设计 8 1.31.3 物联网架构图物联网架构图 （图 1.31 物联网架构整体框图） 山东商业职业技术学院毕业设计 9 第第 2 2 章章 智能农业理念的内涵和架构智能农业理念的内涵和架构 目前以农业复杂大系统为基础从大系统控制论和智能控制系统角度对智能农业的研究 已逐渐引起重视。从控制系统角度来阐述智能农业体系的应用层面，就是将各种技术集成在 一起，将农业系统看成一个闭环的可控大系统，从更高的角度看农业系统的整体智能调控问 题。基于大系统控制理念的智能农业要具备的两个要素： （1）反馈控制。在该体系中，从信息给定、处理、核心调控，再到信号的采集、反馈都应 该形成闭环； （2）自主控制。所谓自主控制包含三层含义：一是系统的控制核心具备自适 应的调整能力； 二是系统的控制模型具备自学习和自整定能力；三是系统具备一定的自愈 能力。 图 1 是文献一基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶型智能农业体系模型。在 这个大系统中，分别对农业系统的产前、产中和产后的各个环节构建各自的农业子系统，并 设计了系统的三个级别。而各个子系统均受各自的局部协同控制器的智能调控， 同时应用 多目标优化等智能手段做系统自适应寻优。 而处于该系统宏观级的协调控制器则通过观测 递阶和递阶信息流，借助于 Internet 网络将智能决策全局优化作为给定去约束各个局部协 同控制器，从而达到整体系统的智能化和管控高效、合理化。 山东商业职业技术学院毕业设计 10 （图 2.1 基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶智能农业体系模型） 在这个递阶型智能农业大系统中， 微观级包含了农业系统最底层（现场层） 的所有 系统、是大系统的最终控制对象和信息采集对象，故由大量的传感器组成的农业传感网、以 及由此而进化的横向的物-物相关联的物联网应该处于这个层面。可以看出，这些底层网络 为实现智能农业大系统的整体最优调控起到了非常重要的管理信号、控制信号载体的作用。 （图 2.2） 山东商业职业技术学院毕业设计 11 第第 3 3 章章 对物联网与农业物联网的认识对物联网与农业物联网的认识 3.13.1 物联网的定义物联网的定义 一个无可争辩的事实是：到目前为止，对物联网还没有统一的定义。 比较权威的解释 是文献四给出的如下 4 种定义： （1） 定义 1：把所有物品通过射频识别（radio Frequency Identification, RFID）和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。 该概念最早是在 1999 年由麻省理工学院的 Auto-ID 研究中心提出，实质上等于 RFID 技术与互联网的结合应用； （2） 定义 2：由具有标识、虚拟个性的物体或对象所组成的网络，这些标识和个性 信息智能空间使用智能的接口与用户、社会和环境进行通信。 这个定义出自欧洲智能系统集成技术平台在 2008 年 5 月 27 日发布的题为 Internet of things in 2020的报告。该报告认为 RFID 和相关的识别技术是未来物联 网的基石，因此它更侧重于 RFID 的应用及物体的信息智能化； （3） 定义 3：物联网是以感知为目的的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的 网络。其突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通 讯网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术队信息进行分析处理，从而提升人们对 物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。这个概念出自我国工业和信息化部和江苏 省联合向国务院上报的关于支持无锡建设国家传感器创新示范区（国家传感网信息中心） 情况的报告 ； （4） 定义 4：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通 信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特 性和智能的借口，并与信息网络无缝整合。这个概念来源于欧盟第 7 框架下 RFID 和物联 网研究项目组在 2009 年 9 月 15 日发布的研究报告。该项目组的主要研究目的是便于欧 山东商业职业技术学院毕业设计 12 洲内部不同 RFID 的物联网项目之间的组网。 定义 1 和 2 主要强调物联网对物体对象识别的特点；定义 3 强调物联网感知实现物 理世界的特点；定义 4 则说明物联网本身是一个全球性的基础网络设施。 但无论何种定义， 行业公认的物联网的基本功能有三个：感知、传输和应用，这也是物联网的三个基本层面。 图 2 所示为物联网体系结构示意图。 （图 3.11 物联网体系架构） 3.23.2 物联网的短板物联网的短板 基于以上的分析，可以得出结论： （1）物联网是基于 RFID 发展而来的一种网络，其最明显的优势是在对对象的检测和 山东商业职业技术学院毕业设计 13 识别、 以及构成了一定的信息通道，也即在于它的感知层和传输层面上； （2）物联网的应用层面仅仅是对采集来的数据进行分析、 处理，还不具备智能控制 中的推理、 演算和发出调控指令的能力； （3）物联网可能具有对采集来的数据进行一定的调节能力，但没有对控制对象的控制、 调节能力，因为该网络中没有所说的“控制系统的大脑”； （4）从控制系统角度看，物联网中的信息流是自下（感知层）向上（应用层）的单向 传输的； （5）单靠物联网根本不可能完成一个系统的智能的、自动的调控， 所以最终它解决 不了系统实现控制目标的问题。 故此，我们认为：针对一个控制系统、以及要实现对目标进行有效的调控而言，物联 网 的这些特点是它自身的短板！ 据此，我们把物联网只能看成一个控制系统的反馈检测通道 是 谓恰当的。如图 3 所示。 （图 3.21 物联网在控制系统的位置示意） 3.33.3 对农业物联网的认识对农业物联网的认识 山东商业职业技术学院毕业设计 14 将物联网技术应用到农业系统、特别是农业现场级的信号检测与传输中，便构成了农业 物联网的基本框架。 目前所有论述物联网在农业领域的应用无外乎是给出了几个在农业检 测 中的应用例子，如葡萄设施栽培生态无线传感和滴灌智能控制系统例子、 蔬菜智能培育控 制系统例子、 林业病虫害与防火预警系统例子、 物联网技术在区域农田土壤墒情监测应 用例子等。我们认为这些都仅仅涉及到传感器如何在农业系统的应用、以及如何构建检测 传输网络问题，还没有涉及到对农业被控对象如何进行智能的、自动调控的问题。也因此， 我们认为这样的例子仅仅说明：利用物联网的概念，解决了检测与信息传输的事情。 那么 这 样的农业物联网无疑是初级的、和不成熟的，还没有上升到物联网的高层面上，如物-物相 连！ 那么，如何按照物联网的定义构建一个适合智能农业大系统控制要求的农业物联网则是 一个值得重视的问题。 首先要明确的是：网络是信息的载体，而不是控制系统的全部。物联网也好、传感网也 罢，要看它为谁服务。 基于农业系统的低成本和实用性、通用性、一网多用等要求，我们 应 该将农业物联网的功能进行扩展。考虑到与农业大系统控制系统相融合， 这里我们提出将 农 业物联网技术应该向如下几方面拓展的建议： （1） 不仅将其设计为控制系统的检测、反馈通道，还要利用这个信道完成控制信息的前 向传输任务，即控制、调控任务；因此农业物联网必须具备信号的双向流动能力； （2） 留有一定的带宽； （3） 网络坚强、稳定； （4） 组网成本低，网络节点低功耗； （5） 开发农业物联网网络控制器，并具备与任何传感器和执行器有即插即用的兼容接口； 以上考虑的出发点是建立在目前暂时无需在农业领域实现物-物、人-物相联的功能，因为这 些功能的实现势必需要农业控制系统成为无主控制系统即控制系统中的各个节点谁都可 以成为控制核心。而这些功能显然在目前农业控制领域中还不适用。 山东商业职业技术学院毕业设计 15 山东商业职业技术学院毕业设计 16 第四章 传感层 4.1 传感层设计 基于物联网技术的精准农业环境监测系统的硬件设计节点是组成基于物联网技术的精 准农业环境监测系统的基本单位，包括传感节点和网关节点。传感节点是监测系统传感层的 基本组成单元，网关节点则是网络层的硬件基础，它们的硬件设计对整个系统的功能、性能 都至关重要。本文分别对传感节点和网关节点进行了硬件设计。 4.2 传感节点设计 传感节点通过传感器部分采集农情信息，经由处理单元进行简单转换、处理，由无线 收发模块传给上级节点。结合其功能特点传感节点的结构框如图 2 示。传感节点的微处理 器单元和无线传输单元采用 CHIPCON 公司的 CC2430 芯片，它是一款基于 ZigBee 协议，集成 了 80C51 内核处理器的芯片和 zigBee 无线收发模块，是一种比较成熟的无线传感器节点解 决方案。 （图 4.21 传感器节点结构示意图） 本系统中湿度、温度测量采用 TDR 一 3A 型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度 山东商业职业技术学院毕业设计 17 测量于一体，具有密封、防水、精度高的特征，是测量土壤温湿度的理想仪器。光强测量采 用推出的第二代光强数字转换芯片 TSL2561，它可直接通过 12C 总线协议由微控制器访问， 微控制器则通过对其内部的 16 个寄存器的读写来实现对 TSL2561 的控制。光纤 pH 值传感器 用于测量土壤 pH 值，基于 pH 值的变化将导致光纤传感探头中光频谱特性变化这一原理，经 放大电路秭 AD 转换器能得到数字输出，然而这种方法的缺点是在土壤干燥时误差较大。 此外，外部时钟电路用于控制整个系统的运行频率；串行通信接口作为程序调试和下载 接口；复位电路用来恢复系统死机或程序跑飞等意外情况；电源模块负责整个节点的能量供 应。 4.3 网关节点设计 网关节点兼具汇聚节点和网关的功能，一方面收集无线传感器网络发来的农情信息，另 一方面将这些信息经过初步的处理，通过无线收发模块(如 GPRS 模块、3G 模块等)以及 3G 网和 GPRS 网与互联网进行数据的交换，通过互联网，网关可以发送农情信息到远程监测中 心并且接收远程监测中心发来的命令。具体结构框如图 3 所示。 （图 4.31 网关节点结构示意图） 因网关节点的数据处理工作任务繁重，对资源需求较高，而且要求成熟的网络协议支持， 故采用三星公司的 ARM9 处理器$3C2410。该处理器采用 018 仙 m 制造_I 艺的 32 位微控制 器，拥有独立的 16 KB 指令 Cache 和 16 KB 数据 Cache，MMU，支持 TFr 的 LCD 控制器， NAND 闪存控制器，3 路 UART，4 路 DMA，4 路带 PWM 的 Timer，IO 口，RTC，8 路 10 位 山东商业职业技术学院毕业设计 18 ADC，Touch Screen 接口，IICBUS 接口，IISBUS 接口，2 个 USB 主机，1 个 USB 设备， sD 主机和 MMC 接口，2 路 SPI，最高可运行在 203 MHz。 （图 4.32） 网关节点通过 CC2430 接收传感节点采集到的农情信息，并发送控制信息。通过 GPRS 网 络并入互联网，实现与远程监测中心的通信。本系统中 GPRS 模块采用 SIM5218，它支持下 行速率达 72Mbps 和上行速率为 5。76 Mbps 的数据传输服务，同时还具有丰富的接口包括 UART、USB20、GPIO、12C、GPIO、GPS、摄像头传感器和内嵌 SIM 卡等。如需传输图像， 音频等信息，则采用 3G 模块传输，选用芯讯通无线科技(上海)有限公司研发的 3G 无线传输 芯片：TDSCDMA Module 系列中的 SIM4200。 此外，RS485 总线接口用于必要时与本地监测端的通信。JrIAG 调试接口和串行调试接 口主要负责程序的烧写、调试，FLASH 用于掉电下的程序数据存储，SRAM 主要用于在线的仿 真，电源单元负责整个过程的能量供应。 山东商业职业技术学院毕业设计 19 第五章 传输层 5.1 传输层系统设计 农业传感器网络的建立有几种模式或模式组合，可以通过射频技术自组网络，中国移动 电信网（GPRS，GSM，3G）和互联网，实现信息的短距和长距离的传输。 （图 5.11 传感网络） 模式一、无线传感网络（WSN）是以无线通信方式形成的一个自组织多跳的网络系统， 有部署在检测区域内大量的传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知 对象的信息，并发给观察者。在短距离无线通信技术中，蓝牙、Wi-Fi、超宽带及 ZigBee 技 术均能应用 WSN， 其中，ZigBee 技术是基于 IEEE802.15.4 标准的关于无线组网、安全和应 用等方面的技术标准，被广泛应用在无线传感网络的组件中。 模式二、农业移动互联网是指移动终端（如手机、笔记本及农业物联网专用设备）通过 移动通信网络访问互联网，并使用农业互联网业务。由于农村的移动通信普及率要远远超过 计算机的普及率，移动通信和互联网二者的深度完美融合，是农业信息传输的重要发展方向。 农业移动通信技术主要包括 GSM，GPRS，3G 技术以及未来的 4G 通信技术。 5.2 目标设计 物联网农业系统在传输上采取不同的网络方式。近距离通讯采用 RS485 传输方式和 Zigbee 传输模式,远距离传输采用 3G 无线网络传输方式。无线传感网络 WSN(Wireless Sensor Network)是融合了分布式信息处理技术,传感器技术,嵌入式计算机技术和无线传输 山东商业职业技术学院毕业设计 20 技术,它能够互相协作的实事感知,监测环境和对象的信息,并对信息进行计算和分析,在运送 到需要这些信息的用户。 （图 5.21 诊断监控管理平台） WSN(无线传感网络)由许多传感器节点组成。每一个传感器由数据处理装置,数据采集装 置(A/D 转换器,传感器)和控制模块(存储器,MCU),通信装置(无线收发器)和供电装置等组成,如 下图 1 所示。每个节点在网络中可以充当数据中转点或类头节点(Cluster Head Node)的节 点应用。作为数据采集装置,数据采集装置采集周围环境的数据信息(光照强度和湿度等)。 传感器网络节点框图通过路由协议将数据传给远方的基站(Base station);作为数据中转,节 点除了完成数据采集,还要收发力矩节点的数据,然后再将其发送到更近的节点或基站;类头 节点负责采集该范围内所有节点的数据,经过汇合发送到汇节点或基站。 山东商业职业技术学院毕业设计 21 第六章 应用层 6.1 系统设计 目标设计内容主要包含：ZigBee 协议栈，GPRs，3G 协议栈的程序编写以及传感节点和网 关节点的软件设计。基于 ZigBee 技术 GPRS3G 技术已较为成熟，本系统采用现成的协议栈 程序，而主要工作重心放在传感节点和网关节点的软件设计上。又由于传感节点和网关节点 的功能特点，工作任务有所差异，因此分开讨论。 （图 6.11） 6.2 传感节点的主程序设计 传感节点相当于网关节点的子节点，自组织式联网，是物联网传感层中的基层环节，直 接与物联网的目标测量相关联，将农情信息转换为有效的开关量进行传递，主要工作有：等 待网关节点唤醒、采集农情信息、发送数据、进入休眠等，具体工作流程如图 4 所示。 传感节点通常情况下处于休眠模式，当接收到上级节点的命令被唤醒后，便马上发送请 求加入网络，等待网关节点的应答成功加入网络后，开始进行农情信息如土壤温湿度、光强、 pH 值等的采集并传输给命令发送端节点，上级节点发送应答位，确定接收成功后，传感节 点又转入休眠状态，这样循环往复。 6.3 网关节点的主程序设计 网关节点主要负责建立并管理网络，允许或拒绝任何一个传感节点入网，并将各传感节 点的数据收集发送至互联网，监控端通过互联网进行数据的读取、记录。网关节点一直在 T 山东商业职业技术学院毕业设计 22 作状态，不会休眠。它的工作过程一般分为：等待监测命令，建立网络，加入节点，等待数 据信息，发送数据。网关节点的具体工作流程如图 5 所示。 （图 6.31 工作流程） 在建立网络时，网关节点会不断地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一网关节 点占用，则重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相应标识，准备建立自己的网络。当一个 传感节点要求加入网络时，它会发送请求，网关节点根据自己的资源需求决定是否加入传感 节点，如果选择加入此节点，则给它分配一个网络地址，构成新网络。同时传达监测命令给 下级节点，等待接收数据，接收成功后发送至远程检测端和本地监测站。 山东商业职业技术学院毕业设计 23 第七章 智能协同控制器与农业物联网应用层的接口 在本文论述的智能农业大系统中，其控制性能一般体现在农业资源的协调配置、能耗约 束和产出优化的调控方面上，故智能协同控制器是至关重要的环节，也是智能控制的一种体 现。 那么智能协同控制器如何与农业物联网有良好的接口则又是一个关键环节。 基于上述 农业物联网的拓展结构，我们不妨按照如图 7.11 所示的体系来研究接口问题。 （图 7.11 智能协同控制器与农业物联网的接口示意） 图中所示，农业物联网的网络控制器起着承上启下的关键作用，而其具备怎样的接 口将是至关重要的。这里按照物联网的一般定义， 我们设计了农业物联网网络控制器的结 山东商业职业技术学院毕业设计 24 构如图 7.12 所示。 (图 7.12 物联网网络控制器架构) 在这个架构中，我们设计的农业物联网应具备四层功能：感知层、传输层、处理层和应 用层。而网络控制器融合了处理层和应用层的内容，并在 I/O 界面设计了接口 A 和接口 B。 接口 A 用于农业领域传感器的即插即用，比如常用的 RS232、RS485 等，而接口 B 则用于 网络外部拓扑传输接口，如以太 TCP/IP 等，这里定义为与智能农业协同控制器的接口。对 于网络控制器的设计要求建议具备如下功能： （1） 融合以太网（Ethernet） 、并基于 TCP/IP 通讯标准的接口 因为目前工业控 制领域的控制网络,无论是有线的、还是无线的已经向用以太网络取代各种现场总线的方向 发展，并大量兼容 TCP/IP 标准。因此今后绝大部分传感器的网络接口都具备基于 TCP/IP 协议的以太网接口； 山东商业职业技术学院毕业设计 25 （2） 具备路由器（Hub）功能，并含有网关 这是作为数据双向传输的一般要求而设 计的； （3） 具备数据处理和数据融合功能 这里我们定义其具备数据融合能力是基于将有用 的、关联信息在此就地进行融合处理，然后将结果发往上位智能协同控制器，其可以极大地 避免远程数据传出的数据丢失、和海量数据导致数据通道拥塞问题发生，又可以减轻智能协 同控制器的在线运算负担； （4） 具备数据暂存能力和防火墙 有些时候的网络数据传输是需要等待的，故有必要 配置暂存器； （5） 报警及热备份 作为一个具备网络控制功能及数据传输、和调节的关键环节，其 故障报警及控制备份处理是必备的措施；为了实现智能农业大系统的有效控制，这里还要求 农业物联网的感知层具备数据分解和数据锁存及放大驱动能力，最后通过此通道驱动通用执 行器完成系统的控制和调节动作。 山东商业职业技术学院毕业设计 26 第八章 物联网的应用 8.1 区域试验工程 当前，我国农业现代化进程明显加快，但也面临着资源、环境与市场的多重约束， 保障粮食安全、食品安全、生态安全的压力依然存在，确保农民稳定增收的任务越来越重。 实施区试工程，对于探索农业物联网理论研究、系统集成、重点领域、发展模式及推进路径， 提高农业物联网理论及应用水平，促进农业生产方式转变、农民增收有重要意义。 （图 8.11） （一）实施区试工程，有利于把握物联网等信息技术的特点及在农业领域的应用规律， 探索形成农业物联网发展模式。信息技术是新生事物，是多学科技术的集成，兼具系统性和 整体性。农业是个古老产业，兼具地域性、季节性和多样性，这就决定了信息技术改造传统 农业的复杂性和艰巨性。实施区试工程，研究物联网技术在不同产品、不同领域的集成、组 装模式和技术实现路径，逐步构建农业物联网应用模式，促进农业物联网基础理论研究、适 用技术和产品研发，探索构建国家农业物联网标准框架体系及相关公共服务平台，将为推动 山东商业职业技术学院毕业设计 27 农业物联网产业大发展奠定坚实基础。 （2）实施区试工程，有利于积累农业物联网应用经验，促进农业物联网科学发展。目 前，我国农业物联网应用尚处于尝试性起步阶段，整体应用水平和建设规模明显落后于电力、 医疗、环保等其它行业。各地农业物联网应用示范基本呈各自为战、散兵游勇式发展，点多 面广，严重缺乏顶层设计，为示范而示范的现象较普遍，重复投入问题较突出，可持续发展 商业模式较少。实施区试工程，有利于逐步理清发展思路、明确发展方向和重点，为全面、 整体、系统推进农业物联网积累经验。 （图 8.12） （三）实施区试工程，有利于调动地方农业部门积极性，整合各方力量共同推进农业物 联网应用。虽然一些地方农业部门发展农业物联网的积极性较高，但由于缺乏稳定投入，系 统推动的后劲明显不足，一定程度上影响了农业物联网效果发挥和长远发展。实施区试工程， 不仅有利于调动地方农业部门积极性，更重要的是通过政府工程项目的示范、引导和带动， 能够促进社会各方资源整合、形成合力，共同推进农业物联网发展。 山东商业职业技术学院毕业设计 28 （图 8.13） 8.2 目标和重点任务 （1）工程目标。 开展农业物联网应用理论研究，探索农业物联网应用主攻方向、重点领域、发展模式 及推进路径；开展农业物联网技术研发与系统集成，构建农业物联网应用技术、标准、政策 体系；构建农业物联网公共服务平台；建立中央与地方、政府与市场、产学研和多部门协同 推进的创新机制和可持续发展的商业模式；适时开展成功经验模式的推广应用。 （图 8.21） 山东商业职业技术学院毕业设计 29 （2）总体思路。 按照“统一规划、系统设计、领域侧重、统分结合、整体推进、跨越发展”的总体思 路组织实施。遵从“先集中规划后分区试验，先集中建平台后组装集成，先试点试验、积累 经验后推广应用”的指导思想分步推进实施。在系统规划设计的同时，支持天津、上海和安 徽根据各自经济、社会及农业发展水平和产业特点，分别以设施农业与水产养殖、农产品质 量安全全程监控和农业电子商务推进、大田粮食作物生产监测为重点领域开展试验示范，力 图探索形成农业物联网可看、可用、可持续的推广应用模式，逐步构建农业物联网理论体系、 技术体系、应用体系、标准体系、组织体系、制度体系和政策体系，并在全国范围内分区分 阶段推广应用。 （三）重点任务 一是研究和部署农业物联网公共服务平台。面向农业物联网重大行业应用，重点突破多 源信息融合、海量信息分布式管理、智能信息服务等关键技术，构建农业物联网公共服务平 台，开展面向农业资源规划与管理、生产过程精准管理、农产品质量安全溯源等领域的共性 的服务。 （图 8.22） 二是研究和制定一批农业物联网应用行业标准。联合产学研用单位，研究和编制农业领 域条形码（一维码、二维码） 、电子标签（RFID）等的使用规范，制修订一批农业物联网传 感器及传感节点、数据采集、应用软件接口、服务对象注册以及面向大田、设施农业、农产 山东商业职业技术学院毕业设计 30 品质量安全监管应用等方面标准。 三是中试和熟化一批农业物联网关键技术和装备。围绕区域主导产业，重点中试和熟化 动植物环境（土壤、水、大气） 、生命信息（生长、发育、营养、病变、胁迫等）传感器， 研制成熟度、营养组分、形态、有害物残留、产品包装标识等传感器，开展农业物联网技术 和装备的系统引进和自主研发，加强动植物生长过程数字化监测手段、模型研究，突破农业 物联网的核心技术和关键技术。 四是形成一批可推广的技术应用模式。针对设施农业与水产养殖、农产品质量安全、农 业电子商务、大田粮食作物生产等的监测监控，分别研发系列专用传感、传输、控制等设备， 开发相应的软件和管理信息系统，从而构建全程技术体系及可持续发展机制。 五是培育农业物联网产业。按照引进消化吸收再创新的思路，围绕农业物联网的感知识 别、数据传输、数据处理、智能控制和信息服务等环节，积极引导和推进农业物联网设备制 造、软件开发及相关服务，培育一批农业物联网产业化研究基地、中试基地和生产基地，促 进农业物联网新兴产业发展。 （图 8.23） 六是强化政策措施研究。总结区试工程经验，研究提出促进农业物联网应用推广的政策 建议，积极推动相关政策措施出台，营造农业物联网发展的良好环境。 山东商业职业技术学院毕业设计 31 8.3 试验布局 围绕天津、上海和安徽农业特色产业和重点领域，统筹考虑行业及产业链布局，逐步 实现物联网技术在农业全产业链的渗透和试点省市的整体推进。 （一）天津设施农业与水产养殖物联网试验区 天津毗邻北京，经济和交通条件好，区位优势明显。设施农业发达，目前拥有高标准设 施农业面积 60 万亩，水产养殖面积 62 万亩，规模化水产养殖小区 55 个，蔬菜和水产品自 给率高。试验重点是在现代农业示范基地、龙头企业、农民专业合作社和水产养殖小区等开 展设施农业与水产养殖物联网技术应用示范，探索不同种类农产品、不同类型农业生产经营 主体农业物联网应用模式；开展农产品批发市场物流信息化管理，探索利用信息技术构建新 型农产品流通格局，有效减少交易环节，提高交易效率。 一是设施农业与水产养殖环境信息采集技术产品集成应用。选择现代农业示范基地、龙 头企业、农民专业合作社和水产养殖小区，探索不同种类农产品、不同类型农业生产经营主 体农业物联网技术应用模式及可持续商业模式。 二是设施农业生命信息感知技术引进与创新。积极引进消化吸收国外先进的作物生命信 息感知技术和设备，实现农作物径流、叶面温度、蒸腾量等作物关键生理生态信息在线获取， 实现即时灌溉决策与在线营养诊断。 （图 8.31） 三是设施蔬菜病虫害和水产病害特征信息提取与预警防控。融合设施环境、视频、动植 物生命感知信息，引进创新设施农业病虫害和水产主要病害特征信息提取技术，实现设施农 山东商业职业技术学院毕业设计 32 业主要作物的重点病虫害和水产主要病害信息实时提取与预警、事前防治与控制。 四是探索设施农业物联网应用平台与服务模式。集成现有农业信息服务系统，构建设施 农业物联网集成应用服务平台，面向农业主管部门、生产基地、农民专业合作社、基层农技 人员、农户等提供多渠道、内容丰富的设施农业与水产养殖物联网应用服务；总结形成可持 续、可推广的设施农业与水产养殖物联网应用服务模式。 五是农产品交易流通平台。以天津韩家墅海吉星农产品批发市场为主体，综合利用物联 网等现代信息技术，开展农产品质量追溯，实现物流、配送、仓储高效管理，并依托深圳农 产品股份有限公司分布在全国的 26 个农产品批发市场，探索构建“产地装车、销地卸车、 网上交易撮合、单品种全国互联互通”的新型农产品流通格局。 （二）上海农产品质量安全监管试验区 上海是国际化大都市，农产品主要依靠外阜输入，保证农产品质量安全是一项重大民生 工程，探索应用物联网技术开展农产品质量安全监管试验，对确保大中城市食品安全具有普 遍意义。试验重点是农产品（水稻、绿叶菜、动物及动物产品）生产加工、冷链物流和市场 销售等环节的物联网技术应用，借助无线射频识别技术和条码技术，搭建农产品监管公共服 （图 8.32） 山东商业职业技术学院毕业设计 33 务平台，实现对农产品生产、流通等环节全过程智能化监控，有效追溯农产品生产、运输、 储存、消费全过程信息。 一是建设农产品安全生产管理物联网系统。集成无线传感器网络，研究生产环境信息实 时在线采集技术，研究生产履历信息现场快速采集技术，开发农产品安全生产管理物联网系 统，实现产前提示、产中预警和产后反馈。 二是建设农业投入品监管物联网系统。在农业生产环节，建立水稻、绿叶菜等农产品田 间操作电子化档案，对农业投入品进行规范管理，做到来源清楚，领用清晰，用量明确。 三是农产品冷链物流物联网技术引进与创新。引进、消化国外农业物联网先进技术，在 消化吸收相关技术基础上，研制集多种传感器、车辆定位、无线传输于一体的冷链物流过程 监测设备，力争在稳定性、可靠性、低成本和低能耗方面有进展。开发农产品冷链物流过程 监测与预警系统，实现基于物流过程的实时化监测与智能化决策。 四是农产品全程质量安全监管物联网应用平台构建与服务模式创新。构建农产品质量安 全监管综合数据库，开发农产品质量安全监管物联网应用平