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智能農(nóng)業(yè)論文:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館RFID智能管理系統(tǒng)實(shí)施的基礎(chǔ)

摘 要：文章通過(guò)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(duì)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(gè)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(guó)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(wèn)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?cái)?shù)量繁瑣耗時(shí)，圖書館管理自動(dòng)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(wèn)題需要解決；同時(shí)圖書館管理人員強(qiáng)烈意識(shí)到在新的形勢(shì)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(dòng)盤點(diǎn)、自助借還，圖書區(qū)域定位、自動(dòng)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(xiàng)目的實(shí)施圖書館開(kāi)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(shí)別技術(shù)，即無(wú)線射頻識(shí)別，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(dòng)盤點(diǎn)平臺(tái)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(jiǎn)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(dòng)盤點(diǎn)平臺(tái)為圖書館提供全新盤點(diǎn)模式，降低管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高圖書盤點(diǎn)及錯(cuò)架圖書整理效率。

（3）圖書定位使讀者方便快捷查找錯(cuò)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(guò)門禁時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)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(zhǎng)期的文獻(xiàn)積累，無(wú)限增長(zhǎng)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(shí)也無(wú)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(duì)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(kāi)間、大跨度，改造工程只需要將原來(lái)各個(gè)獨(dú)立書庫(kù)、閱覽室的隔墻打開(kāi)，將其合并形成開(kāi)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(duì)伍也隨之發(fā)展壯大，圖書館讀者群數(shù)量同時(shí)隨之增多，而圖書館館舍面積維持在原有的基礎(chǔ)上沒(méi)有大的改觀，使得圖書館借閱環(huán)境和閱覽空間緊張，同時(shí)對(duì)門廳進(jìn)行改造，安裝了RFID項(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(duì)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(duì)各個(gè)時(shí)代的文獻(xiàn)資源進(jìn)行甄別，部分脫離時(shí)展的舊觀念、舊知識(shí)、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(duì)性、完整性、系統(tǒng)性、未來(lái)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(duì)原有館藏文獻(xiàn)保留了各個(gè)時(shí)期具有經(jīng)典性、代表性的著作，摒棄過(guò)時(shí)、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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(guò)程中，對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)多，長(zhǎng)期壓架無(wú)人利用的圖書；破損的、質(zhì)量低劣的圖書；專業(yè)不對(duì)口的圖書，圖書館館員根據(jù)該館讀者需求、館藏特色對(duì)部分圖書進(jìn)行剔舊，同時(shí)設(shè)置密集書庫(kù)。對(duì)尚有一定參考、利用價(jià)值的書刊，做下架處理，移至密集書庫(kù)，并在自動(dòng)化系統(tǒng)中，標(biāo)明此書在密集庫(kù)，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(duì)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(duì)于原有圖書館館藏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面調(diào)整，按照?qǐng)D書館RFID智能管理系統(tǒng)的要求，圖書館將實(shí)行開(kāi)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(duì)原圖書館各書庫(kù)、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(kù)，將其與過(guò)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(gè)書庫(kù)，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(huì)科學(xué)借閱室和綜合借閱室為基礎(chǔ)的開(kāi)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(guò)標(biāo)簽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將RFID唯一識(shí)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(duì)圖書、讀者詳細(xì)信息的訪問(wèn)，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(wú)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(duì)缺失書標(biāo)的圖書補(bǔ)貼書標(biāo)，有利于順架工作的開(kāi)展，將完成調(diào)整的圖書由原來(lái)的館藏地點(diǎn)轉(zhuǎn)換到新的館藏地點(diǎn)，即轉(zhuǎn)館藏，對(duì)每一本圖示進(jìn)行夾芯片（RFID電子標(biāo)簽）工作，并通過(guò)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(huì)

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(bào)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_(kāi)放式統(tǒng)一管理，由各獨(dú)立個(gè)庫(kù)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(gè)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?cái)?shù)量和質(zhì)量，提升圖書館的服務(wù)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

圖書館RFID智能管理系統(tǒng)的順利實(shí)施，簡(jiǎn)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(dòng)式或手提式盤點(diǎn)系統(tǒng)，對(duì)所需盤點(diǎn)圖書的書架進(jìn)行掃描，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，快速地完成圖書盤點(diǎn)，極大地降低了圖書館館員的勞動(dòng)強(qiáng)度；RFID安全門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零誤報(bào)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(shí)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(dòng)強(qiáng)度，提高了圖書館的服務(wù)水平。

智能農(nóng)業(yè)論文:農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的充電現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)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(duì)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(kāi)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(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)，并對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)管理，將充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并向上位機(jī)傳輸保存。實(shí)驗(yàn)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(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化和精準(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(dòng)環(huán)境、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)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(guó)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(duì)象之一。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在推廣過(guò)程中受到了時(shí)間和空間的限制，其主要原因就是機(jī)器人動(dòng)力源問(wèn)題。因此作為機(jī)器人動(dòng)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(jì)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(wú)法滿足機(jī)器人對(duì)充電系統(tǒng)的要求以及生產(chǎn)的需要。因此設(shè)計(jì)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(duì)象，設(shè)計(jì)了基于UCC3895和PIC16F887的充電系統(tǒng)，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的高效、快速、穩(wěn)定并具有充電過(guò)程管理功能。

1 充電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了做到高效快速的充電，又能實(shí)時(shí)掌握整個(gè)充電過(guò)程電池的狀態(tài)，充電系統(tǒng)由兩個(gè)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(jì)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(cè)電路和外圍電路組成。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)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(duì)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(jì)

2.1 充電主電路的設(shè)計(jì)

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(guò)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_(kāi)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(chǔ)存的能量向電容[C1～C4]釋放，使開(kāi)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(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通和關(guān)斷。系統(tǒng)選用IGBT模塊作為開(kāi)關(guān)器件，為了減小大電壓和大電流對(duì)IGBT的沖擊，設(shè)計(jì)了RC吸收電路[5]。

2.2 充電控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 檢測(cè)及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

輸入檢測(cè)電路主要負(fù)責(zé)采集母線電壓與電流信號(hào)。信號(hào)處理電路1將此模擬信號(hào)進(jìn)行變換送入U(xiǎn)CC3895的CS端，實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋變換器滯后臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(duì)充電主電路的過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。輸出檢測(cè)電路[6]主要負(fù)責(zé)采集充電電壓、電流、溫度信號(hào)，信號(hào)處理電路2將得到的模擬信號(hào)進(jìn)行變換后送入U(xiǎn)CC3895，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(duì)充電主電路的啟停、顯示和報(bào)警控制。

2.2.2 UCC3895控制電路設(shè)計(jì)

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(shí)不同準(zhǔn)諧振條件下的軟開(kāi)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(guò)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(dòng)/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(cè)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(hào)，該信號(hào)與UCC3895的CT引腳產(chǎn)生的鋸齒信號(hào)比較后送UCC3895進(jìn)行計(jì)算，輸出可改變占空比的滯后臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如果母線電流瞬間增大，使CS引腳的電壓超過(guò)2.5 V，UCC3895就會(huì)關(guān)斷PWM輸出。從而防止過(guò)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(gè)端口：EAP端pEAN端和EAOUT端。當(dāng)EAOUT端輸出小于500 mV時(shí)，UCC3895停止PWM輸出，當(dāng)EAOUT端輸出大于600 mV時(shí)，恢復(fù)PWM占空比調(diào)節(jié)功能。在本設(shè)計(jì)中，誤差放大器EAN和EAOUT接成跟隨電路，將充電電壓、電流信號(hào)經(jīng)檢測(cè)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(shí)，EAP電壓減小，導(dǎo)致EAOUT電壓下降，UCC3895自動(dòng)增加超前臂和滯后臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)

本文選用美國(guó)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(cè)電路采集的充電電壓、電流和溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)程序控制IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的同時(shí)傳給PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。將采集的母線電流、電壓信號(hào)變換成數(shù)字量，通過(guò)程序完成主電路的過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。

2.3 通信接口電路設(shè)計(jì)

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(guò)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(jì)

3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)以硬件電路為基礎(chǔ)[10]，通過(guò)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(gè)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(jì)

充電系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互界面以VC作為開(kāi)發(fā)工具。通過(guò)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(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)不斷的計(jì)算和調(diào)試，使電路參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到了最優(yōu)。圖6和圖7表明輕載時(shí)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(jì)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(jì)采用UCC3895和PIC16F887對(duì)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(yàn)證明，此充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充電快速，充電效率高，功能完善，具有廣闊的應(yīng)用前景。

智能農(nóng)業(yè)論文:基于ZigBee與GPRS的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

【摘要】 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jì)通過(guò)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(shí)兼具終端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)雙重功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)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(huì)早已進(jìn)入信息化的時(shí)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(shí)，具有無(wú)線傳感、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)組網(wǎng)及智能計(jì)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(guó)目前的農(nóng)業(yè)智能化普及率只有不到1%，但是市場(chǎng)需求年增長(zhǎng)接近50%，由此可見(jiàn)智能農(nóng)業(yè)還有極大的發(fā)展空間。本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530芯片的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)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(jì)，成本低廉，可以輕松地推廣。

二、原理與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)線傳輸上，本文設(shè)計(jì)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(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(jì)的節(jié)點(diǎn)還可以通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示采集的結(jié)果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整個(gè)系統(tǒng)由5V電源適配器通過(guò)DC005接口直接接入供電。圖1中給出了本設(shè)計(jì)無(wú)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(jì)

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(cè)量，該芯片溫濕度反應(yīng)靈敏、誤差小、各項(xiàng)指標(biāo)均高于國(guó)產(chǎn)DHT22等溫濕度模塊。資料給出，該芯片的濕度測(cè)量范圍在0～100%RH，溫度測(cè)量范圍為-40～+123.8℃，其中濕度測(cè)量精度為 ±3%RH，溫度測(cè)量精度只有±0.4℃。此外，該芯片還具有響應(yīng)時(shí)間快及低功耗的優(yōu)勢(shì)。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(méi)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(guò)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(guò)光度計(jì)來(lái)測(cè)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(jì)算可以通過(guò)公式1表示：

L=COD/（1.2*ε*R） （1）

其中，L為實(shí)際值，CODE為測(cè)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(wú)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(wú)線通信芯片。該芯片采用ZigBee通信協(xié)議，可以通過(guò)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(jì)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(wú)線通信模塊配置為廣播模式，做為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一組約3-6個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中包括一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，配置成中繼節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)，每個(gè)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(guò)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(shí)機(jī)下通過(guò)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(jì)通過(guò)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)將實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)及中繼通信功能，此外還將采用低功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開(kāi)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(shí)鐘定時(shí)1分鐘喚醒一次。當(dāng)程序喚醒時(shí)將分別采集光照強(qiáng)度、空氣及土壤溫濕度存儲(chǔ)到部?jī)?nèi)部存儲(chǔ)器中，同時(shí)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(guò)外部按鍵喚醒，喚醒后可以在15s內(nèi)持續(xù)顯示各項(xiàng)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(chǔ)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(jiàn)圖4所示。

五、系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)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(wú)線組網(wǎng)功能可靠性高，組網(wǎng)速度快。最終成果見(jiàn)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(jiǎn)單，可自主組網(wǎng)、遠(yuǎn)程檢測(cè)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(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)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(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高。

智能農(nóng)業(yè)論文:用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(cè)。本文描述了該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的無(wú)人值守監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量眾多，各觀測(cè)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(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，智能傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮安裝環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)連接、可用時(shí)間等眾多因素，設(shè)計(jì)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(jì)。具體監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括大氣條件、土壤情況、病蟲害和農(nóng)作物生長(zhǎng)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(cè)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(chǔ)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無(wú)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(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)。該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式的智能傳感器現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(kù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)的共享功能，用戶可遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取需要的信息，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)：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(gè)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(shí)，還能夠自組織構(gòu)成可自愈的高效無(wú)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(wú)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(kù)和 Web服務(wù)器，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程如下：智能感知節(jié)點(diǎn)主動(dòng)構(gòu)成自組織的無(wú)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(guò)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(jí)監(jiān)管部門的數(shù)據(jù)服務(wù)器；上級(jí)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(bào)告提供給農(nóng)業(yè)從員者；各類用戶可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)終端訪問(wèn)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(duì)部分可控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層的無(wú)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(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)或路由器相連，構(gòu)成一個(gè)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(wú)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(kāi)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(jì)

智能感知節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集源頭，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供完整和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)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(guò)集成多種傳感器，搭建一個(gè)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(gòu)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(jià)錢相對(duì)較貴，可以覆蓋較大范圍，一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)安放一個(gè)攝像頭就可以滿足應(yīng)用的要求。因此不必在同一監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上都采用同樣的設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(duì)于智能節(jié)點(diǎn)的可靠性可用性設(shè)計(jì)、冗余數(shù)據(jù)的融合處理和網(wǎng)絡(luò)的自組織問(wèn)題，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一次成功應(yīng)用。

智能農(nóng)業(yè)論文:淺析智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(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(guó)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(dòng)化中的應(yīng)用，無(wú)疑為新農(nóng)村建設(shè)提供了科技基礎(chǔ)。本文首先對(duì)智能儀表系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了介紹，其次對(duì)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?yàn)槲覈?guó)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(dòng)化；應(yīng)用

由于科技的發(fā)展進(jìn)步，儀表系統(tǒng)越來(lái)越向著智能化的方向發(fā)展，尤其是測(cè)量控制儀表系統(tǒng)發(fā)展十分突出?，F(xiàn)如今，智能化測(cè)量控制儀表種類已經(jīng)非常多，比如流量計(jì)、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(guó)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(duì)農(nóng)作物進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)化中達(dá)到徹底的應(yīng)用，有關(guān)人員必須對(duì)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(shuō)是該系統(tǒng)的心臟。傳感器拾取被測(cè)參量的信息，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開(kāi)關(guān)。由單片機(jī)逐路選通模擬開(kāi)關(guān)，將各輸入通道的信號(hào)逐一送入程控增益放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)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??；同時(shí)，單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)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(hào)。

2 智能儀表系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)

2.1 能夠進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)，農(nóng)戶可以從土地中解放出來(lái)，去從事其他方面的工作。農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(guó)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(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，都是微控制器進(jìn)行操作，因此每個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)都是自動(dòng)化。

2.2 能夠進(jìn)行自測(cè)。智能儀表系統(tǒng)的自測(cè)功能有比較多，比如能夠自動(dòng)凋零、自動(dòng)診斷、自動(dòng)檢驗(yàn)等。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，將故障部位查找出來(lái)，如果系統(tǒng)十分高級(jí)，甚至能夠診斷出故障原因。此種功能可以在儀表啟動(dòng)時(shí)就發(fā)揮作用，在儀表運(yùn)行過(guò)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(huì)發(fā)出警報(bào)，診斷出故障部位，這對(duì)檢查人員來(lái)說(shuō)，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?yàn)榻^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(wèn)題硬件邏輯難以解決，軟件系統(tǒng)可以解決。比如數(shù)字萬(wàn)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(cè)量，而智能儀表系統(tǒng)中的萬(wàn)能表，除了能夠測(cè)量數(shù)據(jù)外，還能夠?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比如取平均值、統(tǒng)計(jì)分等。這使得用戶不必為自己進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也確保儀器測(cè)量精度。

2.4 能夠進(jìn)行人際對(duì)話。智能儀表系統(tǒng)能夠進(jìn)行人機(jī)對(duì)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(shí)采取對(duì)策。智能儀表系統(tǒng)應(yīng)用的是鍵盤，其與傳統(tǒng)的切換開(kāi)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(cè)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(bào)告給操作人員，操作人員通過(guò)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?，F(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(lái)，構(gòu)成完整的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)儀是一種綜合性能較全、測(cè)量精度較高、操作較簡(jiǎn)單的一種智能化農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境實(shí)用的測(cè)量?jī)x器，可以對(duì)土壤、水和空氣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。該儀器內(nèi)設(shè)置了GPS全球衛(wèi)星定位裝置，可以對(duì)測(cè)試地點(diǎn)的方位（經(jīng)緯度）和海拔高度有較準(zhǔn)確的測(cè)定。在土壤方面，它能較精確地測(cè)試土壤內(nèi)的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量，可以對(duì)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(cè)量，對(duì)土壤的容積含水量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)速測(cè)，還可以對(duì)化肥進(jìn)行檢測(cè)。在水質(zhì)測(cè)試方面，可以測(cè)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(duì)測(cè)點(diǎn)空氣的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。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(chǔ)和打印，還可以與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，能最大限度滿足使用者對(duì)被測(cè)物數(shù)據(jù)的測(cè)試、記錄和存儲(chǔ)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(cè)部門首選的儀器之一。

4 智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 測(cè)量精度的提高

在智能儀表設(shè)計(jì)時(shí)，以測(cè)量精度作為主要的參數(shù)之一，為了提高儀表的測(cè)量精度，一般除了選擇性能好和精度高的元器件外，同時(shí)也可以利用微處理器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工與處理，以減少測(cè)量過(guò)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(jì)

高效率，低耗能是每個(gè)儀器的最終目標(biāo)。智能儀表系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。在低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)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(lái)說(shuō)，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(yǔ)

綜上所述，可知對(duì)智能儀表系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究十分必要。農(nóng)業(yè)作為我國(guó)第一大產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展直接關(guān)系到我國(guó)國(guó)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(guó)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(dòng)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(huì)成為農(nóng)戶日常中不可缺少的設(shè)備，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)研究者重點(diǎn)研究的對(duì)象。

智能農(nóng)業(yè)論文:基于yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程控制

民以食為天，農(nóng)業(yè)的發(fā)展一直是社會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)周期的目的。而針對(duì)傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不能歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及需要固定外網(wǎng)IP地址的瓶頸，從而設(shè)計(jì)了基于yeelink云存儲(chǔ)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(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置組網(wǎng)簡(jiǎn)單，使用方便，結(jié)果精確。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè) 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 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(gè)虛擬按鍵（電燈控制器、電熱絲開(kāi)關(guān)、移動(dòng)天窗開(kāi)關(guān)、噴滴灌系統(tǒng)開(kāi)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(duì)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試并且通過(guò)W5100發(fā)送到y(tǒng)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；數(shù)據(jù)帶有臨界報(bào)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(duì)傳到y(tǒng)eelink云存儲(chǔ)上或下載到單片機(jī)上，方便用戶實(shí)時(shí)查看過(guò)去任何一段時(shí)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(tái)的數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)，它是以 arduino單片機(jī)為處理核心，通過(guò)各種傳感器探測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并且通過(guò)w5100網(wǎng)絡(luò)模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)循環(huán)排隊(duì)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(tái)上和把yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接受到單片機(jī)上面，方便用戶實(shí)時(shí)查看過(guò)去任何一段時(shí)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(jì)

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(guò)arduino單片機(jī)進(jìn)行處理，把數(shù)據(jù)通過(guò)W5100網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到y(tǒng)eelink云存儲(chǔ)平臺(tái)

5 軟件設(shè)計(jì)

到y(tǒng)eelink官網(wǎng)免費(fèi)申請(qǐng)帳號(hào)，通過(guò)帳號(hào)申請(qǐng)ID號(hào)碼，如果沒(méi)有外網(wǎng)IP，則把路由器設(shè)計(jì)成自動(dòng)獲取IP地址，并且在程序里面改成自動(dòng)獲取IP地址。

6 遠(yuǎn)程電腦網(wǎng)頁(yè)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(tái)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(guò)各種傳感器采集信息， 以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)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(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。一場(chǎng)農(nóng)業(yè)科技革命的浪潮正在席卷中國(guó)大地：越來(lái)越多的人放棄了傳統(tǒng)耕作模式，開(kāi)始用傳感器與農(nóng)作物進(jìn)行“交流”，成為智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代的“新農(nóng)人”。這就是設(shè)計(jì)基于yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程控制價(jià)值所在。

作者單位

邵陽(yáng)學(xué)院 湖南省邵陽(yáng)市 422000

智能農(nóng)業(yè)論文:農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

摘 要：我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，然而我國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對(duì)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(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，設(shè)計(jì)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(jiǎn)要分析了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)傳感器以及電路共同組成，主要包括：濕度傳感器、超限警報(bào)電路、數(shù)據(jù)處理電路和LED動(dòng)態(tài)顯示電路等。該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要是通過(guò)由濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤的濕度，然后將濕度值報(bào)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(duì)土壤輸送水分，待達(dá)到規(guī)定的濕度值后，系統(tǒng)則自動(dòng)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(zhǎng)。

1 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是把型號(hào)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(gè)濕度傳感器，由它來(lái)監(jiān)測(cè)土壤中水分含量。當(dāng)土壤中含量低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，濕度傳感器則將這個(gè)信息轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)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(hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，直接傳輸?shù)街骺匦酒瑔纹瑱C(jī)中，單片機(jī)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理地調(diào)控，在數(shù)碼管上會(huì)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(huì)自動(dòng)控制水泵開(kāi)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(shí)的額定電壓為5V，在單片機(jī)的內(nèi)部存在一個(gè)256B的RAM和一個(gè)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(chǔ)技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部還分布著Flash存儲(chǔ)單元和8位CPU，芯片為40個(gè)引腳，這就包括了32個(gè)外部雙向I/O口、2個(gè)全雙工串行通信口、2個(gè)外部中端口、2個(gè)16為可編程定時(shí)計(jì)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(chǔ)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(shí)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(shí)序邏輯電路，其核心就是時(shí)鐘電路，主要依賴于時(shí)鐘信號(hào)對(duì)時(shí)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(shí)序單路生成的時(shí)鐘信號(hào)控制下逐一實(shí)現(xiàn)的。其中，MCS-51型號(hào)的單片機(jī)中所含有的時(shí)鐘信號(hào)可以分為兩種方式：通過(guò)外部電路生成；通過(guò)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(gè)確定的狀態(tài)開(kāi)始工作，因此，單片機(jī)在每一個(gè)開(kāi)機(jī)時(shí)都必須重新復(fù)位，此時(shí)，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(duì)MCS-51型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí)，主要是由外部復(fù)位電路來(lái)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(shí)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(cè)到的模擬信號(hào)是非常微弱的，并且此時(shí)存在很多干擾信號(hào)，所以信號(hào)在傳輸?shù)街骺匦酒g就必須通過(guò)濾波、信號(hào)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(guò)運(yùn)算放大器U2、U3把信號(hào)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(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)8通道模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器和一個(gè)地址譯碼鎖存器等，該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可以同時(shí)允許8個(gè)模擬信號(hào)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(shì)十分明顯，包括價(jià)格便宜、配置容易、與主控芯片接口簡(jiǎn)便等。可以在農(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(dòng)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(shí)顯示不同的數(shù)值。

7 超限警報(bào)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(gè)超限警報(bào)電路來(lái)提醒使用者，以便及時(shí)采取有效措施加以解決，現(xiàn)今普遍采用的報(bào)警電路主要包括：蜂鳴報(bào)警、閃光報(bào)警及語(yǔ)音報(bào)警等。例如，采用語(yǔ)音報(bào)警裝置，則一般選擇采用1SD1420型號(hào)的語(yǔ)音報(bào)警芯片，由A/D轉(zhuǎn)換器傳出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行智能化處理并與配置值作對(duì)比。如果比預(yù)置值要小，那么P2.1口將會(huì)輸出低電平，單片機(jī)就會(huì)控制語(yǔ)音芯片發(fā)出報(bào)警信號(hào)；反之，那么P2.1口將會(huì)輸出高電平，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，則系統(tǒng)運(yùn)行正常。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成，這體現(xiàn)了自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉中的有效應(yīng)用，同時(shí)也體現(xiàn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平的顯著提高。而目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化水平在整體上看來(lái)偏低，這需要國(guó)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(jì)出高度智能化、自動(dòng)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(zhǎng)。

智能農(nóng)業(yè)論文:農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉智能控制及信息化系統(tǒng)的研究與推廣

【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(cè)用電量就實(shí)現(xiàn)了對(duì)水量使用的有效控制，控制器內(nèi)存儲(chǔ)的灌溉記錄極大地便捷了各級(jí)管理部門的工作。結(jié)合北京市多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施及售后經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，通過(guò)對(duì)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(duì)該系統(tǒng)的推廣與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】節(jié)水灌溉；無(wú)線通信；信息化管理；水電計(jì)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(jì)算機(jī)控制與管理技術(shù)的運(yùn)用已廣泛深入到各個(gè)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(lái)的一款電子產(chǎn)品?？紤]中國(guó)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(jì)量和有效管理，廣大農(nóng)村可采取簡(jiǎn)單可行的節(jié)水灌溉控制措施。此舉不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景，而且具有不可估量的社會(huì)價(jià)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(duì)用水量沒(méi)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(shí)間，又不準(zhǔn)確，且不便于統(tǒng)計(jì)管理，尤其對(duì)于科學(xué)灌溉和信息化管理毫無(wú)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(shí)候，刷卡時(shí)候預(yù)付費(fèi)電表通過(guò)內(nèi)部控制電路發(fā)出開(kāi)泵指令，啟動(dòng)井泵開(kāi)始灌溉；當(dāng)用戶主動(dòng)刷卡停泵或是IC卡內(nèi)金額不足時(shí)，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(shí)，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(méi)有受到上級(jí)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(guò)程中，用戶通過(guò)IC卡識(shí)別出自己的資料，并選定地塊及作物后啟動(dòng)井泵開(kāi)始灌溉，同時(shí)開(kāi)始計(jì)量電量，當(dāng)用戶再次刷卡時(shí)結(jié)束灌溉，控制器存儲(chǔ)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(jiǎn)稱PDA），通過(guò)藍(lán)牙的無(wú)線通訊，將控制器內(nèi)存儲(chǔ)的所有記錄信息傳送到PDA內(nèi)。再通過(guò)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(jì)出每月的總用水量及每種作物的灌溉時(shí)間及用水量，經(jīng)由GPRS無(wú)線傳送給上級(jí)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(jì)存在一定問(wèn)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(jí)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(chǔ)的信息過(guò)多，設(shè)備老化快；（4）控制器與PDA之間是雙向操作，對(duì)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(jiǎn)單實(shí)用型信息化系統(tǒng)

考慮精細(xì)型操作過(guò)于復(fù)雜，在第二代產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，將人性化設(shè)計(jì)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(dòng)存儲(chǔ)灌溉的起始時(shí)間、終止時(shí)間、用戶信息、使用電量；管理員利用PDA通過(guò)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(jí)管理平臺(tái)PC機(jī)連接，信息導(dǎo)入管理軟件中；由GPRS無(wú)線傳輸給上層管理平臺(tái)。

改進(jìn)點(diǎn)：（1）控制器內(nèi)部芯片也進(jìn)行了升級(jí)，確保了設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命；（2）控制器只通過(guò)村莊編碼來(lái)識(shí)別用戶卡，簡(jiǎn)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(duì)機(jī)井錄入了相對(duì)的灌溉面積及作物種類，統(tǒng)計(jì)灌溉時(shí)間、用電量，通過(guò)水電轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)變換成相對(duì)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(jì)，將進(jìn)線孔全部封閉。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，設(shè)備返修率僅為5%，且滿足上級(jí)管理部門的基本需求。在定期維護(hù)時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了一些新問(wèn)題：（1）灌溉記錄的抄取需要人為操作，且抄取時(shí)間不定，不能同時(shí)滿足各級(jí)管理者的不同需求；（2）通過(guò)估算水電轉(zhuǎn)換系數(shù)，來(lái)計(jì)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(guò)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(kāi)一個(gè)新項(xiàng)目，在簡(jiǎn)單實(shí)用型的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了控制器與超聲波水表之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、控制器與村級(jí)管理PC機(jī)的無(wú)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(wú)線數(shù)傳給灌溉控制器，在用戶使用過(guò)程中實(shí)時(shí)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(shí)為水電系數(shù)計(jì)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(shí)通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)方式無(wú)線傳輸給村級(jí)管理平臺(tái)的PC機(jī)，并由PC機(jī)通過(guò)GPRS傳輸?shù)缴霞?jí)管理平臺(tái)。（3）在管理平臺(tái)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(tái)上。可以隨時(shí)按照用戶名、機(jī)井來(lái)統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)單，受到了用戶、村級(jí)管理員和上級(jí)管理部門的好評(píng)！

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(shì)，提高無(wú)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?jí)管理部門的需求，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。

智能農(nóng)業(yè)論文:基于ZigBee傳感網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能照明系統(tǒng)

摘要：將LED技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)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(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)并報(bào)告故障，對(duì)LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)間等需求，提高了管理水平。

關(guān)鍵詞：ZigBee;LED驅(qū)動(dòng);PWM控制

ZigBee網(wǎng)絡(luò)屬于短距離的無(wú)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(wú)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(wú)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(gè)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(wú)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(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不同的發(fā)光二級(jí)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(dòng)電源的設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)方式。

1 系統(tǒng)硬件選型及電路搭建

系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)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(dòng)式兩種方式控制WSN（Wireless Sensor Network）的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以PWM（Pulse Width Modulation）方式控制各個(gè)終端的發(fā)光亮度，通過(guò)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(lái)實(shí)時(shí)控制，有手動(dòng)和自動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)，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(duì)LED驅(qū)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)分配LAN內(nèi)的短地址，以RS232串口和計(jì)算機(jī)互聯(lián)通信，完成對(duì)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(cè)要求的通信延遲、通信的可靠和能量損失小的要求[3]。通過(guò)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的編制，使用成本低、開(kāi)放、低功率無(wú)線互連的國(guó)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(jì)了射頻外圍組件，作為其信號(hào)收發(fā)前端，并將其安置到外圍電路上，組成一個(gè)能收集現(xiàn)場(chǎng)信息并能控制LED驅(qū)動(dòng)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(chǎng)感知信息通過(guò)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(chǎng)光照度發(fā)送PWM控制命令，再通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)完成對(duì)LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供的LED驅(qū)動(dòng)電源能滿足LED日光燈、球泡燈等LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)，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(duì)高功率LED驅(qū)動(dòng)芯片HV9910的PWM_D腳輸入PWM信號(hào)來(lái)對(duì)MOS管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制來(lái)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(kāi)時(shí)間來(lái)控制輸出電壓，終端節(jié)點(diǎn)輸出的PWM信號(hào)最大為300 kHz。試驗(yàn)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(jì)算方式為FOSC=25 000/（ROSC[k？贅]）[kHZ]。根據(jù)HM9910數(shù)據(jù)手冊(cè)，電感的計(jì)算方式為：正常整流后的電壓為 ■VIN，因此開(kāi)關(guān)占空比D=VLED/■VIN，則功率管的導(dǎo)通時(shí)間TON=D/FOSC，由這些必要的值求出電感大小為L(zhǎng)=（VIN-VLED）TON/（0.3ILED）。

2 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)UART方式傳輸至PC控制軟件，在控制軟件上可以對(duì)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(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定工作后實(shí)時(shí)將采集的現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸給協(xié)調(diào)器，再根據(jù)協(xié)調(diào)器的命令對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源發(fā)送PWM信號(hào)，以能夠?qū)崟r(shí)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(dòng)和自動(dòng)兩種方式可選。另一種方式是通過(guò)手機(jī)發(fā)送短消息給終端節(jié)點(diǎn)，以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，不過(guò)這種方式要求知道終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，不便于操作。表1是終端控制參數(shù)設(shè)置方式。

3 實(shí)測(cè)效果

系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)采用樹形組網(wǎng)方式，將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分布在照明現(xiàn)場(chǎng)，各終端LED燈色根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行選取。終端及時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)信息采集至管理處，在PC終端可查看現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照度信息，系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，控制人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的信息發(fā)送控制命令給每個(gè)終端，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)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(jì)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(shí)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(shí)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。

智能農(nóng)業(yè)論文:芻議農(nóng)業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)

摘 要

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)適應(yīng)于多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)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(yàn)、銷售采購(gòu)、物流運(yùn)輸和安全回溯等多個(gè)環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由傳感器系統(tǒng)和云控制服務(wù)平臺(tái)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(wèn)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(dòng)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(shí)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(wú)線電平臺(tái)架構(gòu)，創(chuàng)造性的使用射頻信號(hào)分集收發(fā)、發(fā)射器功率泄漏對(duì)消、跳頻通信抗干擾、時(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(duì)消機(jī)制是指從射頻發(fā)射器前向射頻信號(hào)中耦合獲得參考信號(hào)，并根據(jù)參考信號(hào)產(chǎn)生對(duì)消信號(hào)，用于利用所述對(duì)消信號(hào)對(duì)所述泄漏信號(hào)進(jìn)行對(duì)消處理，經(jīng)對(duì)消處理后的泄漏信號(hào)的幅度小于原泄漏信號(hào)的幅度，使得射頻反向通信干擾信號(hào)大幅降低。

2 軟件無(wú)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(wú)線電技術(shù)的DSRC基帶信號(hào)處理引擎，獨(dú)創(chuàng)的信號(hào)糾錯(cuò)、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(duì)低質(zhì)量弱信號(hào)的識(shí)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(gè)設(shè)備集（以無(wú)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(dòng)選擇新的頻段，避免不同頻段（多個(gè)設(shè)備集間）的通信干擾；在應(yīng)用層，一個(gè)設(shè)備集是以無(wú)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(gè)采集設(shè)備使用基于時(shí)隙輪詢的握手算法，分時(shí)同各個(gè)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(chǎng)景的情況下，針對(duì)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(wú)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(jì)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(duì)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(duì)接云服務(wù)平臺(tái)

完善的設(shè)備自檢功能，多參數(shù)綜合檢測(cè)，故障快速定位及告警功能，方便工作人員及時(shí)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(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)視實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的操作、升級(jí)、配置、查詢、維護(hù)等操作。支持腳本化功能配置，靈活對(duì)接云服務(wù)控制平臺(tái)。

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(cè)控制物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)適應(yīng)于多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)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(gòu)、物流運(yùn)輸、安全回溯等多個(gè)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(wú)線網(wǎng)關(guān)。該設(shè)備基于支持多天線超高頻無(wú)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(wú)線通信。采集器和控制器可以使用有線或無(wú)線的方式連接到網(wǎng)關(guān)上，形成完整的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

5 UHF無(wú)線通信技術(shù)

常用的無(wú)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(jìng)爭(zhēng)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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道間相互干擾ISI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)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(duì)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(hào)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(shuō)，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(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)走過(guò)了一條高投入、高產(chǎn)出、高速度和高資源環(huán)境代價(jià)的道路。目前，我國(guó)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(guó)家農(nóng)業(yè)部余欣榮部長(zhǎng)視察天津農(nóng)業(yè)工作時(shí)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(dòng)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

智能農(nóng)業(yè)論文:智能中文農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎體系的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息的多樣性、復(fù)雜性以及我國(guó)“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(yè)分類和多元線性回歸分析的信息過(guò)濾技術(shù)、物理存儲(chǔ)模式的分頁(yè)式倒排索引技術(shù)、基于隨機(jī)索引和潛在語(yǔ)義分析的語(yǔ)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(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，多由商業(yè)公司開(kāi)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(lái)看，組織機(jī)構(gòu)、政府部門開(kāi)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?yàn)檎块T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(shì)。典型代表有美國(guó)農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息中心（AGNIC）與美國(guó)普林斯頓建立的Agriscape Search等[1]。2007年，中國(guó)首個(gè)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(yǔ)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(yǔ)言語(yǔ)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(shí)，我國(guó)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(duì)我國(guó)“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(wèn)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(guò)濾、物理存儲(chǔ)模式以及語(yǔ)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(kù)等都體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)特性，同時(shí)系統(tǒng)還具有專門的信息過(guò)濾模塊篩選與農(nóng)業(yè)相關(guān)性高的網(wǎng)頁(yè)，從而既可以節(jié)約存儲(chǔ)空間，又保證了信息的準(zhǔn)確性。同時(shí)，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(kù)模式的潛在語(yǔ)義檢索方式。首先，系統(tǒng)利用索引模塊建立高效的分頁(yè)式倒排索引庫(kù);然后，利用檢索模塊將其轉(zhuǎn)換為雙重語(yǔ)義空間，為后面的語(yǔ)義檢索作準(zhǔn)備。體系的架構(gòu)圖見(jiàn)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(yè)的URL，如果該地址不在舍棄URL隊(duì)列中，則對(duì)互聯(lián)網(wǎng)中相應(yīng)的Web服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)抓取，并解析抓取的網(wǎng)頁(yè)，提取該網(wǎng)頁(yè)中的超鏈接信息和網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容信息送信息過(guò)濾模塊。然后，網(wǎng)絡(luò)蜘蛛再繼續(xù)抓取下一個(gè)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行同樣的處理。

2）信息過(guò)濾模塊接到專業(yè)網(wǎng)絡(luò)蜘蛛送來(lái)的已解析頁(yè)面后，根據(jù)農(nóng)業(yè)主題詞庫(kù)中的主題詞及其權(quán)值，分析該頁(yè)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(yè)或?qū)Ш巾?yè)面。如果頁(yè)面與農(nóng)業(yè)主題相關(guān)度比設(shè)定的閾值低或頁(yè)面為垃圾頁(yè)面，則將此頁(yè)面的URL送入舍棄URL隊(duì)列。否則，將頁(yè)面送入索引模塊準(zhǔn)備建立索引，同時(shí)，還將該頁(yè)面存入農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3）索引模塊將獲得的頁(yè)面信息，進(jìn)行相應(yīng)處理后，建立分頁(yè)式倒排索引并存入索引庫(kù)[3]中。

4）當(dāng)所有抓取的頁(yè)面都被索引后，檢索模塊讀取分頁(yè)式倒排索引庫(kù)中的索引，通過(guò)隨機(jī)索引[4]和潛在語(yǔ)義分析[5]建立較高效的雙重語(yǔ)義空間。

5）用戶輸入查詢條件后，檢索模塊對(duì)其進(jìn)行解析和處理，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的查詢語(yǔ)句;檢索模塊將查詢語(yǔ)句和語(yǔ)義空間中的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析后，獲得查詢結(jié)果。最后，形成結(jié)果頁(yè)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(xiàng)技術(shù)，除了常規(guī)的網(wǎng)頁(yè)抓取[1]、中文分詞技術(shù)[6]外還涉及到了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：信息過(guò)濾技術(shù)、分頁(yè)式倒排索引技術(shù)以及語(yǔ)義檢索技術(shù)。

2.1 信息過(guò)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(yè)分類技術(shù)和多元回歸分析[7]的信息過(guò)濾模型如圖2所示。整個(gè)工作流程可以分為訓(xùn)練過(guò)程和測(cè)試過(guò)程。在訓(xùn)練過(guò)程中，訓(xùn)練集實(shí)例經(jīng)過(guò)預(yù)處理（文本抽取、中文分詞）、抽取特征項(xiàng)、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(guò)濾過(guò)程中，每一個(gè)待過(guò)濾的中文網(wǎng)頁(yè)經(jīng)過(guò)預(yù)處理、向量表示后，代入多元回歸方程中，判定該網(wǎng)頁(yè)是否為農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)。

從圖2可以看出，構(gòu)建該信息過(guò)濾模型的關(guān)鍵因素包括：建立訓(xùn)練集、網(wǎng)頁(yè)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(yè)訓(xùn)練集相比，標(biāo)準(zhǔn)的中文網(wǎng)頁(yè)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(méi)有出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的中文網(wǎng)頁(yè)訓(xùn)練集。為了解決該問(wèn)題，動(dòng)員100個(gè)學(xué)生手工在互聯(lián)網(wǎng)上采集農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)50 000張，其中，35 000張作為訓(xùn)練集，15 000張作為測(cè)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(yè)，人工挑出7 000張非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)，其中的4 000張作為訓(xùn)練集，3 000張作為測(cè)試集。通過(guò)反復(fù)測(cè)試，最終確定訓(xùn)練集實(shí)例用于信息過(guò)濾。

2）網(wǎng)頁(yè)預(yù)處理。網(wǎng)頁(yè)預(yù)處理過(guò)程主要包括網(wǎng)頁(yè)正文抽取;借助于中文分詞工具對(duì)抽取后的文本進(jìn)行中文分詞;對(duì)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(lái)建立回歸模型的因子，也是區(qū)分農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)和非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)的最關(guān)鍵因素，特征詞選取方法將對(duì)模型的識(shí)別效果產(chǎn)生重大影響。文本在深入研究了中文網(wǎng)頁(yè)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(duì)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(duì)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?gòu)募螪f2中查詢?cè)~ti的文檔頻率dfi，記為fny_dfi，計(jì)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(duì)值C，即C=ABS（ny_dfi-fny_dfi）。對(duì)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(yè)和非農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)的特征詞。通過(guò)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(gè)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(jì)相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。雖然自變量和因變量之間沒(méi)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(yàn)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(yè)識(shí)別過(guò)程中，利用獲得的前40個(gè)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(gè)特征詞的對(duì)應(yīng)值，若該詞在網(wǎng)頁(yè)中出現(xiàn)了，x[i]的值為1，否則為0;最終計(jì)算出的y值如果大于0，說(shuō)明網(wǎng)頁(yè)為農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)，否則不是農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)。

2.2 分頁(yè)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(yè)式倒排索引結(jié)構(gòu)（圖3）。該倒排索引的存儲(chǔ)模式采用數(shù)據(jù)庫(kù)與磁盤文件混合存儲(chǔ)，只將文檔集合D存入數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)文件夾下有3個(gè)文件，分別是IND、SITES和URLS，均為順序文件。其中，IND文件中存儲(chǔ)了每個(gè)詞條在SITES文件中的偏移量（SitesOffset），包含該詞條的站點(diǎn)個(gè)數(shù)（SiteCount）、該詞條的文檔個(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(yè)方式存儲(chǔ)[10]。為了減少文件頁(yè)內(nèi)碎片，AgriRoom將倒排索引集合IT存入多個(gè)文件中，每個(gè)文件具有不同頁(yè)大小，并在配置文件中指定每個(gè)文件的路徑、文件名以及頁(yè)大?。?yè)大小是文件系統(tǒng)頁(yè)大小的整數(shù)倍）。每個(gè)倒排文件有一個(gè)頭頁(yè)（HeadPage）和若干個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)（DataPage）。在頭頁(yè)中存儲(chǔ)該文件的頁(yè)大小（PageSize）、頁(yè)個(gè)數(shù)（PageCount）以及下一個(gè)空閑頁(yè)的頁(yè)號(hào)（NextFreePageNo）。在數(shù)據(jù)頁(yè)中存儲(chǔ)該頁(yè)的頁(yè)號(hào)（PageNo），如果單個(gè)詞條的倒排索引數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于數(shù)據(jù)頁(yè)的大小則存儲(chǔ)下一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)的頁(yè)號(hào)（NextPageNo）、索引長(zhǎng)度以及索引數(shù)據(jù)。一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)中最多只能存一個(gè)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(chǔ)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(yǔ)義空間的語(yǔ)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(duì)語(yǔ)義檢索的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，AgriRoom采用了一種新型的基于雙重語(yǔ)義空間的語(yǔ)義檢索模型[11]。該檢索模型的基本思路是將檢索過(guò)程分解為兩個(gè)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(cè)試集的文檔空間和詞空間，然后獲得查詢句的語(yǔ)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(yǔ)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(duì)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(yǔ)義檢索模型見(jiàn)圖5。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(kāi)始抓取互聯(lián)網(wǎng)中的相關(guān)網(wǎng)頁(yè)，并經(jīng)過(guò)信息過(guò)濾后，建立農(nóng)業(yè)網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和分頁(yè)式倒排索引庫(kù)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的語(yǔ)義分析后，建立語(yǔ)義索引庫(kù)，最終能夠?yàn)橛脩籼峁┓奖恪?zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息檢索服務(wù)。

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具

系統(tǒng)開(kāi)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為：MySQL。

4 小結(jié)

面對(duì)海量的互聯(lián)網(wǎng)信息資源，如何快速而有效地獲取個(gè)性化的農(nóng)業(yè)知識(shí)和信息資源成為數(shù)字農(nóng)業(yè)迫切需要解決的問(wèn)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(wèn)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(yè)分類和多元線性回歸分析的信息過(guò)濾技術(shù)、分頁(yè)式倒排索引技術(shù)以及基于隨機(jī)索引和潛在語(yǔ)義分析的語(yǔ)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(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┓奖?、?zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息檢索服務(wù)。

智能農(nóng)業(yè)論文:基于NRF905的智能農(nóng)業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)產(chǎn)權(quán)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它是通過(guò)光照、溫度、濕度等無(wú)線傳感器，對(duì)農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度、濕度信號(hào)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(shí)采集，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌，開(kāi)關(guān)卷簾等）。同時(shí)在溫室現(xiàn)場(chǎng)布置攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)。用戶通過(guò)電腦或智能手機(jī)終端，隨時(shí)隨地觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，查看現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息檢測(cè)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)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(shí)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(chǎng)專業(yè)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 智能農(nóng)業(yè)；無(wú)線傳感器；遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)時(shí)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(jì)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(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，國(guó)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(bào)道，在各省啟動(dòng)的十二五規(guī)劃中，有23個(gè)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(guò)射頻識(shí)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(lái)，通過(guò)有線或無(wú)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(shí)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(yíng)管理方式，也能提高動(dòng)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(guò)各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)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(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的設(shè)備的生產(chǎn)模式。

短距離無(wú)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(tái)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)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?cái)?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(shí)、直觀的展示采集到的數(shù)據(jù)。用戶可以在平臺(tái)上查看自己需要的數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)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(bào)表，提供各種匯總統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)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(chǎng)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(wú)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(tái)上或通過(guò)手機(jī)終端等查看現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，并且在界面上可顯示實(shí)時(shí)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(duì)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(guó)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(tái)將視頻監(jiān)控文件進(jìn)行處理傳給后臺(tái)管理子系統(tǒng)，可在微機(jī)終端進(jìn)行查看，后臺(tái)管理系統(tǒng)將視頻監(jiān)控文件進(jìn)行處理通過(guò)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(guò)手機(jī)視頻來(lái)了解農(nóng)業(yè)示范區(qū)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)情況。系統(tǒng)可以通過(guò)視頻監(jiān)控植物的成長(zhǎng)過(guò)程（實(shí)時(shí)、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(guò)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的限制是，將開(kāi)啟系統(tǒng)報(bào)警功能，并發(fā)送短信告知相關(guān)管理人員，便于對(duì)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(guò)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(guò)電腦或手機(jī)終端對(duì)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(wú)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(gè)ISM頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650us.自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，可以很容易通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。[8] 外圍器件連接簡(jiǎn)單，無(wú)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(guò)編寫程序進(jìn)行配置。從NRF905的芯片手冊(cè)中查到，其功耗十分小，當(dāng)以10dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有 30mA，同時(shí)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(jì)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(duì)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程，單片機(jī)將地址和數(shù)據(jù)寫完后，就要控制NRF905無(wú)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(huì)自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)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(shí)候，根據(jù)時(shí)序圖將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以及接收機(jī)的地址通過(guò)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(shí)已經(jīng)確定；（2）通過(guò)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(shí)，此指令表明需要再次發(fā)送數(shù)據(jù)，NRF905無(wú)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(shí)，表示NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程完成，芯片將自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。[14]

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(guò)Altium Designer軟件自行設(shè)計(jì)通信子系統(tǒng)的PCB板，將NRF905無(wú)線收發(fā)模塊安放在預(yù)先設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，同時(shí)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(shí)首先節(jié)點(diǎn)1先設(shè)定為發(fā)送模式，通過(guò)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(huì)點(diǎn)亮，則說(shuō)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(wú)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(duì)其發(fā)展前景和應(yīng)用現(xiàn)狀及無(wú)線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了概述，重點(diǎn)是對(duì)本課題所采用的STC89C516RD+型單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)模塊NRF905，再使用LCD液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示來(lái)完成NRF905的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)短距離無(wú)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(duì)其發(fā)展前景也進(jìn)行了深入的研究。

無(wú)線通信技術(shù)，正在迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文對(duì)其在盲區(qū)無(wú)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(wèn)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(shí)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(huì)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(duì)能耗管理方面通過(guò)采用系統(tǒng)定時(shí)休眠來(lái)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(zhǎng)系統(tǒng)的使用時(shí)間，最終提高了系統(tǒng)自身的應(yīng)用效益。

利用無(wú)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(cè)控系統(tǒng)通信問(wèn)題的有效方法。將無(wú)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(cè)控制系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)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(wèn)題，無(wú)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(lái)越重要的作用。

[作者簡(jiǎn)介]葛付偉，南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院電子科學(xué)系，教師；毛建新，南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院電子科學(xué)系，本科在讀。

智能農(nóng)業(yè)論文:基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚的研究

【摘要】智能農(nóng)業(yè)控制通過(guò)實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫度、濕度信號(hào)以及光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備;可以根據(jù)用戶需求，隨時(shí)進(jìn)行處理。本文提出了利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳感的智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)、對(duì)設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)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(jì)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(dòng)力。

智能控制是為了達(dá)到節(jié)能、舒適、便利的目的，要求對(duì)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(wèn)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(zhǎng)遠(yuǎn)看，智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是走向開(kāi)放，尤其是智能控制與互聯(lián)網(wǎng)的融合是其中一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

二、智能農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度信號(hào)、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(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉設(shè)備，來(lái)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(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)大棚內(nèi)設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)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(guò)光照、溫度、濕度等無(wú)線傳感器，對(duì)農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度，濕度信號(hào)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(shí)采集，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌、開(kāi)關(guān)卷簾等）。在每個(gè)智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署空氣溫濕度傳感器2只，用來(lái)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)空氣溫度、空氣濕度參數(shù);每個(gè)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(lái)監(jiān)測(cè)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(gè)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(wú)線3G路由器、無(wú)線3G網(wǎng)卡等），用來(lái)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(tái)服務(wù)器交互。 在每個(gè)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(lái)傳遞控制指令、響應(yīng)控制執(zhí)行設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)的電動(dòng)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(wú)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(hào)通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(tái)。用戶可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)上位機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(tái)負(fù)責(zé)對(duì)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(cè)、數(shù)據(jù)空間/時(shí)間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制五個(gè)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(shí)間分布將系統(tǒng)采集到的數(shù)值通過(guò)直觀的形式向用戶展示時(shí)間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場(chǎng)圖）、歷史數(shù)據(jù)可以向用戶提供歷史一段時(shí)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(wú)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(shí)地通過(guò)電腦或手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，觀察大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)狀況。

3、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便日后對(duì)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(bào)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(zhǎng)，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(shí)刻都可以對(duì)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(bào)警

用戶可以自行設(shè)置超限值，當(dāng)參數(shù)越過(guò)超限值時(shí)，可以通過(guò)監(jiān)控器或手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，以便及時(shí)提醒用戶。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，智能農(nóng)業(yè)大棚將會(huì)在以后扮演越來(lái)越重要的角色。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著非常重要的作用，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)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。