基于光载无线交换技术的渭南智慧农业系统研究

阴国富

摘要：针对精细农业应用具有作物类型与地势多样、受干扰因素多等特点，以较好的环境适应性、低功耗、低成本、标准化为目标，对面向精细农业的无线传感器网络组织结构和组网方式进行研究，结合实施农业与大田的实际应用环境，设计无线多媒体传感器网络系统架构，进行仿真试验。结果表明，该系统能够较好地满足精细农业应用需求，均衡节点能耗，延长网络生命周期。

关键词：无线传感器网络；智慧农业；压缩传感；光载无线交换

中图分类号：S126 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0414-05

渭南市是陕西省的主要农业城市，是西安市的菜园子、果园子，该地地域辽阔、地形复杂、气候多变。如何在有限的农田资源基础上，借助先进的科技手段提高农田的生产效率、经济效益与环境效益已经成为亟待解决的问题。目前，以现代信息技术与农业技术融合为特点的农业技术成为解决以上问题的关键支撑技术之一，其核心是利用信息技术精确、及时地获取地块中每个小区土壤、环境与作物的信息，诊断作物长势和产量在空间上存在差异的原因，并对每个小区作出决策，准确地在每个小区上进行灌溉、施肥、喷药等，以达到最大限度地提高水、肥等的利用率，增加产量，减少环境污染的目的。

无线多媒体传感器网络（WMSNs）是20世纪发展起来的一种无线自组织网络，是物联网的关键组成部分，因此智慧农业解决方案集先进的物联网工程信息平台、新兴现代农业、移动互联网和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、智能控制等，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策平台^[1]。

1 基于光载无线交换技术的渭南智慧农业系统设计

智慧农业系统包括物联网工程信息平台、环境监测系统、智能控制系统、数据中心、生产追溯系统、远程农业监控系统等。基于物联网工程信息平台的智慧农业系统架构如图1所示。

在农业大棚部署各种用途的传感设备，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤水分传感器等，以采集农作物生长环境的各种参数^[2]。传感设备将采集到的数据通过无线传感网络（ZigBee）等传输给中间层Wi-Fi/无线传感网关，Wi-Fi/无线传感网关再将采集到的信息进行过滤、分组、关联、聚合等操作，形成TCP/IP数据包，通过物联网工程信息平台及有线计算机网络上传到数据中心；数据中心将数据进行整理、分类，保存在数据服务器上，并根据农业专家系统对各类控制设备实施控制，达到对温湿度、光照、土壤水分、土壤肥力、环境通风的智能控制；数据中心将各类数据和设备状态信息通过网路发布出去，提供本地、远程的数据访问及设备控制，达到远程监控农业生产过程；数据中心将农作物生长及生产过程中的各种数据进行分类保存，以实现对农产品的安全追溯及产品生产过程的追溯。

1.1 物联网工程信息平台

物联网信息平台由光载无线交换机及其配套设备远端射频单元构成，用于实现Wi-Fi无线射频信号的远距离、大范围的光纤分布，是物联网无线网络分布的主要方式。

光载无线交换机安装在物联网智慧农业系统中心机房的落地式网络机柜里面，与原来的有线布线网络连接，接入有线计算机网络；光载无线交换机内置Wi-Fi接入点（AP，所有网络协议处理、基带数据处理、射频信号处理都集中在光载无线交换机内），通过单模光纤链路将 Wi-Fi 射频信号分布至农业大棚内，完成大棚内Wi-Fi无线信号的全覆盖，将 Wi-Fi/无线传感网关、Wi-Fi无线控制网关、Wi-Fi摄像头、Wi-Fi手持扫描终端及其他Wi-Fi智能终端（手机、笔记本电脑等）接入统一的Wi-Fi无线局域网，构成整体的物联网平台。

1.2 数据中心

为实现物联网智慧农业系统的智能管理、智能控制，并开展功能复杂的综合设计和科研项目，智慧农业系统配置了1台高性能服务器，用于存储系统数据及运行系统程序。

该数据中心的服务器具备自动采集环境数据并分类处理和存储，能根据农业专家系统提供的设备控制指令或实现自动控制，提供本地或远程网络访问服务，实施对系统的本地或远程监控和设备管控。数据中心通过大屏幕实时显示环境参数、音视频信息的汇总及各种异常状态和生产信息提示（图2）。

1.3 环境监测及控制系统

1.3.1 环境监测系统

环境监测及控制系统由各类传感器节点、无线传感网络、无线传感网关构成，实现对农作物的生长过程进行全面监管和精准调控^[3]。系统主要感知气候参数、土壤参数以及视频图像数据。气候参数的感知主要包括风向、风速、空气温湿度、光照强度、空气二氧化碳含量等，土壤参数的感知主要包括土壤水分、营养液EC值、pH值等，感知土壤水分、肥力等参数，视频图像感知采用Wi-Fi摄像头实施对农作物及大棚周边的实时监控。环境监测系统中无线传感网采用ZigBee无线传感网，每个传感器连接1个ZigBee节点，无线传感网拓扑结构采用星形结构，将各个传感器的数据无线汇集到Wi-Fi/无线传感节点，经处理、封包，经物联网工程信息平台上传数据中心。

1.3.2 智能灌溉系统

智能灌溉系统根据土壤水分传感器和空气温湿度传感器数据，自动感测到什么时候需要灌溉、灌溉多长时间；自动开启灌溉系统，自动关闭灌溉系统；同时可以根据土壤的干湿度，实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量等。该系统包括硬件部分和软件系统，其中硬件部分包括土壤水分传感器、空气温湿度传感器、Wi-Fi无线控制网关、灌溉设备、水帘（弥雾）等；软件系统分为2个部分，第一部分数据采集、综合整理以及数据发布，提供远程数据查看，第二部分为远程控制系统，实现远程设备状态查询及设备控制（图3）。endprint

1.3.3 智能光照控制系统

智能光照控制系统根据大棚内光照传感器和光合有效辐射传感器，自动感测到大棚内光照是否合适，并通过控制卷帘的开闭及人工照明灯的亮灭，自动调节大棚的光照强度，以满足农作物生长需要。该系统包括硬件部分和软件系统，其中硬件部分包括光照传感器、Wi-Fi无线控制网关、自控卷帘、自控遮阳板（遮阳网）、自控内遮阳（幕布）、照明灯；软件系统分为2个部分，第一部分数据采集、综合整理以及数据发布，提供远程数据查看，第二部分为远程控制系统，实现远程设备状态查询及设备控制。

1.4 远程农业监控系统

远程农业监控系统主要依托数据中心的网络服务器，提供远程访问服务，采取B/S模式，远程智能终端（智能手机）

3 当前的应用情况及应用展望

渭南市智慧农业经过几年的建设已形成一定的规模，但通过一段时间的应用后发现以下几个方面的问题：网络对于数据较为密集的地区丢包率高；对于分布于较为偏远地区的网络在传输过程中带宽成本相对较高；由于建设过程中缺乏统一标准，不同地区多种网络数据格式不统一，给个别地区接入大网造成一定困难。针对以上几方面的问题，以良好的环境适应性、较低的成本、降低网络节点功率消耗、标准化设施建设为设计目标，对渭南市农业物联网信息平台进行了优化，采用光载无线交换技术、无线传感器网络压缩传感技术对现有的智慧农业工程平台进行进一步的优化设计，并且制定无线传感器网络QoS综合服务质量评价指标体系。

虽然通过以上优化设计解决该地区智慧农业信息平台中的一些问题，但随着我国智慧农业的不断发展以及农业物联网工程方面的研究不断深入，无线传感器网络技术也在不断发展，本研究拟在后续进行以下方面的研究与改进，以满足区域智慧农业工程的发展：改进无线传感器网络中的压缩传感算法，使节点能量消耗更低；进行智能服务平台的开发，以适应智慧农业对农情管理的需求；建立云平台智慧农业专家库信息系统为地区农业生产提供更多的技术服务。

参考文献：

[1]邢伟伟，白瑞林. IEEE 1588时间同步在ZigBee低功耗中的应用[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：27-30.

[2]韦 佳，何 磊，顾晓峰，等. ZigBee无线多区域监测系统设计[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：39-41.

[3]周益明. 基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2009：56-78.

[4]杜治高，王玉斌，冒亚明，等. 基于物联网的油库安全管理信息系统研究[J]. 微型机与应用，2012，31（22）：7-9.

[5]王 伟. 无线传感器网络若干关键技术研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011：87-99.

[6]李玉凯.无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2011：12-26.

[7]陶为戈，朱昳华，钱志文，等. 基于ZigBee有源电子标签和Internet的区域定位系统[J]. 制造业自动化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱创录. SNMP管理模型下的网络流量监视与控制[J]. 计算机技术与发展，2013，4（8）：223-226.endprint

1.3.3 智能光照控制系统

智能光照控制系统根据大棚内光照传感器和光合有效辐射传感器，自动感测到大棚内光照是否合适，并通过控制卷帘的开闭及人工照明灯的亮灭，自动调节大棚的光照强度，以满足农作物生长需要。该系统包括硬件部分和软件系统，其中硬件部分包括光照传感器、Wi-Fi无线控制网关、自控卷帘、自控遮阳板（遮阳网）、自控内遮阳（幕布）、照明灯；软件系统分为2个部分，第一部分数据采集、综合整理以及数据发布，提供远程数据查看，第二部分为远程控制系统，实现远程设备状态查询及设备控制。

1.4 远程农业监控系统

远程农业监控系统主要依托数据中心的网络服务器，提供远程访问服务，采取B/S模式，远程智能终端（智能手机）

3 当前的应用情况及应用展望

渭南市智慧农业经过几年的建设已形成一定的规模，但通过一段时间的应用后发现以下几个方面的问题：网络对于数据较为密集的地区丢包率高；对于分布于较为偏远地区的网络在传输过程中带宽成本相对较高；由于建设过程中缺乏统一标准，不同地区多种网络数据格式不统一，给个别地区接入大网造成一定困难。针对以上几方面的问题，以良好的环境适应性、较低的成本、降低网络节点功率消耗、标准化设施建设为设计目标，对渭南市农业物联网信息平台进行了优化，采用光载无线交换技术、无线传感器网络压缩传感技术对现有的智慧农业工程平台进行进一步的优化设计，并且制定无线传感器网络QoS综合服务质量评价指标体系。

虽然通过以上优化设计解决该地区智慧农业信息平台中的一些问题，但随着我国智慧农业的不断发展以及农业物联网工程方面的研究不断深入，无线传感器网络技术也在不断发展，本研究拟在后续进行以下方面的研究与改进，以满足区域智慧农业工程的发展：改进无线传感器网络中的压缩传感算法，使节点能量消耗更低；进行智能服务平台的开发，以适应智慧农业对农情管理的需求；建立云平台智慧农业专家库信息系统为地区农业生产提供更多的技术服务。

参考文献：

[1]邢伟伟，白瑞林. IEEE 1588时间同步在ZigBee低功耗中的应用[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：27-30.

[2]韦 佳，何 磊，顾晓峰，等. ZigBee无线多区域监测系统设计[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：39-41.

[3]周益明. 基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2009：56-78.

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[6]李玉凯.无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2011：12-26.

[7]陶为戈，朱昳华，钱志文，等. 基于ZigBee有源电子标签和Internet的区域定位系统[J]. 制造业自动化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱创录. SNMP管理模型下的网络流量监视与控制[J]. 计算机技术与发展，2013，4（8）：223-226.endprint

1.3.3 智能光照控制系统

智能光照控制系统根据大棚内光照传感器和光合有效辐射传感器，自动感测到大棚内光照是否合适，并通过控制卷帘的开闭及人工照明灯的亮灭，自动调节大棚的光照强度，以满足农作物生长需要。该系统包括硬件部分和软件系统，其中硬件部分包括光照传感器、Wi-Fi无线控制网关、自控卷帘、自控遮阳板（遮阳网）、自控内遮阳（幕布）、照明灯；软件系统分为2个部分，第一部分数据采集、综合整理以及数据发布，提供远程数据查看，第二部分为远程控制系统，实现远程设备状态查询及设备控制。

1.4 远程农业监控系统

远程农业监控系统主要依托数据中心的网络服务器，提供远程访问服务，采取B/S模式，远程智能终端（智能手机）

3 当前的应用情况及应用展望

渭南市智慧农业经过几年的建设已形成一定的规模，但通过一段时间的应用后发现以下几个方面的问题：网络对于数据较为密集的地区丢包率高；对于分布于较为偏远地区的网络在传输过程中带宽成本相对较高；由于建设过程中缺乏统一标准，不同地区多种网络数据格式不统一，给个别地区接入大网造成一定困难。针对以上几方面的问题，以良好的环境适应性、较低的成本、降低网络节点功率消耗、标准化设施建设为设计目标，对渭南市农业物联网信息平台进行了优化，采用光载无线交换技术、无线传感器网络压缩传感技术对现有的智慧农业工程平台进行进一步的优化设计，并且制定无线传感器网络QoS综合服务质量评价指标体系。

虽然通过以上优化设计解决该地区智慧农业信息平台中的一些问题，但随着我国智慧农业的不断发展以及农业物联网工程方面的研究不断深入，无线传感器网络技术也在不断发展，本研究拟在后续进行以下方面的研究与改进，以满足区域智慧农业工程的发展：改进无线传感器网络中的压缩传感算法，使节点能量消耗更低；进行智能服务平台的开发，以适应智慧农业对农情管理的需求；建立云平台智慧农业专家库信息系统为地区农业生产提供更多的技术服务。

参考文献：

[1]邢伟伟，白瑞林. IEEE 1588时间同步在ZigBee低功耗中的应用[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：27-30.

[2]韦 佳，何 磊，顾晓峰，等. ZigBee无线多区域监测系统设计[J]. 自动化仪表，2012，33（11）：39-41.

[3]周益明. 基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2009：56-78.

[4]杜治高，王玉斌，冒亚明，等. 基于物联网的油库安全管理信息系统研究[J]. 微型机与应用，2012，31（22）：7-9.

[5]王 伟. 无线传感器网络若干关键技术研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011：87-99.

[6]李玉凯.无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2011：12-26.

[7]陶为戈，朱昳华，钱志文，等. 基于ZigBee有源电子标签和Internet的区域定位系统[J]. 制造业自动化，2012，34（23）：61-63.

[8]朱创录. SNMP管理模型下的网络流量监视与控制[J]. 计算机技术与发展，2013，4（8）：223-226.endprint