精准农业领域传输层优选模型的设计与实现

王筱东 龚骏毅 韦光亮 李正

(广西慧云信息技术有限公司,广西南宁 530031)

精准农业领域传输层优选模型的设计与实现

王筱东 龚骏毅 韦光亮 李正

(广西慧云信息技术有限公司,广西南宁 530031)

精准农业作为当今世界农业发展的趋势,通过与“物联网、云计算、大数据”等信息技术的融合,实现农业生产标准化、规模化、智能化。本文基于我国农业现阶段特点和IT行业技术成熟情况,针对传输层模型进行探索和优化,提出了应用于精准农业的设计方案,设计对比多种组网传输方式,给出了系统体系结构和核心硬件架构等。

精准农业 传输层优选 网络架构

1 引言

精准农业是当今世界农业发展的趋势，通过将“物联网，云计算，大数据”等信息技术运用于传统农业生产，针对不同产区与作物，定位、定时、定量地实施一整套现代农业操作技术与管理，其主要目的在于根据农作物生长状况和生长环境，智能地调节各环节投入物，以最合理的投入达到最高效的收入，并改善环境，取得经济效益和环境效益。要搭建一套精准农业管理系统，在系统架构上应分为“感知层，传输层，应用层”三个层次，其中传输层是保障数据即时安全传递的关键，面对当前各种主流通信技术，如何根据精准农业的具体应用场景优化选择，有效搭配，是本文要论述的主要内容[1]。

2 传输模型

本文通过研究多种通信传输模式，针对我国农业生产环境与传输数据的具体需求，对精准农业管理系统中的传输层进行梳理归类，目的是为我国精准农业管理系统的研发与应用提供一套低成本、高效率、易推广的传输层优选模型。一套精准农业管理系统通常由传感器、网关、通信网络以及软件系统构成，在网络结构上多采用传感内部网络+外部传输网络的复合结构体系，增强系统的可用性与可扩展性。人们通过在农业生产现场部署大量传感器并组成传感网络，实时监测微小的气候变化，土地墒情及农机状况，并通过摄像机远程观测农作物生长情况；所有数据汇聚到网关并通过外部网络将数据传输到后台软件集中处理，最终实现农产品生产的全程精细监控，帮助提升土地单产(如图1)[2]。

图1

图2

3 组网传输方式

在上述模型中，我们列出了目前在“传感内部网络+外部传输网络”的复合结构体系中普遍使用的多种组网传输方式，接下来我们就其中最为主流的几种方式进一步深入论述：

3.1 Zigbee

ZigBee技术是一种新兴的低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要应用于近距离无线连接。ZigBee技术支持地理定位功能，它无需注册，传输距离可以从标准的75m到扩展后的几百米，超高频Zigbee模块的传输距离达2千米，传输速率根据不同频率也分为250kbit/s到40kbit/s。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和最低成本的技术，模块一般处于休眠模式，经过15MS转入发射模式后功耗也仅为1mW。同时，由于ZigBee技术的低数据速率和自组织网络的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务[3]。

3.2 Wi-Fi

WIFI中文译为“无线保真”，是一种可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。虽然由无线保真技术传输的无线通信质量有待改进，数据安全性也比蓝牙略差，但传输速度非常快，传输距离约为10M以内，非常符合个人和社会信息化的需求。无线保真最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。

图3

表1

3.3 Bluetooth

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在移动电话、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，其数据速率可以达到1Mbps。蓝牙技术的出现，为各种移动设备和外围设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接提供了有效途径。

3.4 RS-485

RS-485是工业设备中常用的通讯方式，RS-485采用差分信号负逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(2～6)V表示。RS-485抗共模干扰能力增强，抗噪声干扰性好，在100KbpS的传输速率下，可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。由于其特点实施简单方便，因此RS485被广泛用于工业现场的各类仪表

3.5 GPRS

GPRS是GSM移动通讯网络中的移动数据传输方式。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，而非整个频道，所以其使用成本较为低廉，且传输速率可达56Kbps甚至114Kbps。由于使用了“分组”的技术，采用GPRS传输移动数据可以免受断线的痛苦，保障了数据传输的实时性与稳定性，非常适合传感器这样单位时间内数据量较小、稳定性要求较高的传输通信[4-5]。

4 适用场合对比(表1)

5 传输层优选

根据多年的实践经验，我们发现在实现精准农业的道路上，传统农业生产的特点决定了现有的基于有线的农业管理系统存在着诸多问题，农业生产环境中往往会面临地域分布广、网络电力基础落后，防雷防鼠设施缺乏等因素，而如何利用现有的有线、无线技术进行综合组网则成为了目前解决数据传输的首要问题。综合利用有线和无线的物联网精准农业系统更具发展潜力，无线网络具有较高的适应性、抗干扰能力强、扩展能力好等特点，而且功率谱密度低，低功耗的模块非常适应各类生产现场；有线网络具有稳定性高、承载性较强、成本低等特点，但是对于偏远的农业生产基地布线则较为繁杂；利用上述特点，优化针对农田信息采集和管理为目的综合组网方式，实现农田信息的稳定、实时传输，同时给用户提供更多的决策信息和技术支持，实现整个系统的远程管理。

6 传感内部网络

农业生产现场基本位于偏远、基础设施落后的地方，监测范围较大而且现场环境多变。传感器单次采集数据量较小，但是对于传输的稳定性、实时性要求较高。如果我们采用有线的RS-485方式进行传输，不仅花费成本巨大，而且建设、后期维护(防雷、防鼠等)都较为困难；蓝牙和WIFI虽然较为稳定，而且传输速率较高，但是传输距离较近，对于大面积的农田环境监测无能为力，ZigBee技术作为一种新兴的低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，很好地应对了农业生产现场的种种情况。

大量部署在农田信息采集区域的Zigbee节点组成的自组织传感器网络负责监测气象，土壤等农情信息。每个ZigBee监测网络有一个路由节点和若干的传感器采集节点，路由节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。由于Zigbee网络具有自动组网功能，路由节点一直处于监听状态，因此新添加的传感器采集节点会被网络自动发现，这时采集节点会把节点的信息送给路由节点，由路由节点进行编址并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等，十分适应大范围、多样性的农业生产现场。

7 外部传输网络

精准农业管理系统的外部数据传输主要依靠智能网关设备与后台应用系统建立连接，在移动通讯技术普遍应用以前，主要方式就是通过有线网络连接互联网，完成与应用系统的数据交互；但是随着移动通讯技术的普及，对于那些偏远的生产现场，无线GPRS传输往往是唯一和最优的选择，GPRS的传输速度为9.6K/s，非常适合传感器这样单位时间内数据量较小、稳定性要求较高的传输通信。应用系统和智能网关之间通过GPRS网络进行环境信息和控制信息的传递，智能网关同时连接ZigBee无线网络与GPRS网络，是精准农业管理系统传输层的核心设备。

8 大数据传输

除传感数据外，精准农业管理系统通常还会在生产现场部署高清监视器，通过运动导轨和变焦调节负责实时监测作物生长情况，高清监视器将产生大量数据并且需要实时查看，如果仍然采用Zigbee或者GPRS无线通信方式进行数据传输明显不切实际，必须采用网线或光纤等有线传输方式。而高清监视器通过NVR汇聚视频数据后将直接采用有线传输的方式接入互联网，使应用系统可以实时展示农田视频图像。（如图2）

9 智能网关设计

智能网关同时连接传感内部网络与外部传输网络，是精准农业管理系统传输层的核心设备。通常情况下，智能网关将ZigBee网络中汇聚到路由节点的数据信息转发到互联网进而传输至后台应用系统，同时也负责将应用系统的相关控制信号转发到对应的传感器节点。智能网关的数据处理工作任务繁重，资源需求较高，现场工作环境多变，需求多种成熟的网络通讯协议，外部接口较为复杂，所以我们采用专门为工业前端现场设备设计的STM32开发平台。专为工业现场设计的STM32平台采用CORTEX-M3核心，采用高性能核心板即可完成精准监测系统所需的计算要求。根据网络状况选配相应模块让系统满足不同层次的应用，同时也极大优化了硬件的测试，系统框图（如图3）

10 结语精准农业是当今世界农业发展的潮流，传输网络的合理组建与优化是支撑精准农业技术应用的关键。本文基于物联网技术，提出了适应于中国国情的精准农业管理系统传输模型，简述了该模型体系结构的优化设计，重点研究了传感内部网络—基于Zigbee自组网技术和外部传输网络—基于GPRS的移动通讯技术，并根据国内农业生产环境提出了相应优化组合方式及核心设备智能网关的硬件设计，对精准农业管理系统的研发具有指导与参考意义。同时，我们也应该认识到，物联网技术目前在精准农业方面的应用还受到成本，功耗等因素制约，随着信息技术的不断发展，未来精准农业管理系统的应用将越来越广泛，进一步提高农地单产，提升农民收入，造福于整个社会。

[1]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京理工大学出版社,2007.

[2]王钧.Zigbee技术在精准农业中的应用 [M].信息技术,2012.

[3]包长春,石瑞珍,马玉泉.基于Zigbee技术的农业设施测控系统的设计[J].农业工程学报,2007.

[4]潘明,刘海峰.基于Zigbee技术的精准农业的应用与研究[M].现代农业装备,2011.

[5]张军国,赖小龙,杨睿茜,吕静霞.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究 [M].湖南农业科学,2011.

广西科学研究与技术开发计划项目“特色种植监控传感网络云平台”项目合同编号：桂科转13109073