Design and Implementation of Robust Smart Agricultural Control System*

DAI Pinxuan，WANG Qingyun，LIANG Ruiyu

(1.School of Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210000，China; 2.School of Electronic Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Design and Implementation of Robust Smart Agricultural Control System*

DAI Pinxuan1，2，WANG Qingyun1*，LIANG Ruiyu1

(1.School of Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210000，China; 2.School of Electronic Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

According to the feature of hiding information and limiting processing capacity of the farmland environment monitoring WSN(Wireless Sensor Network)，a lightweight network management scheme was proposed from three aspects of the environment monitoring，data processing and system controlling．Moreover a monitoring network and management platform was developed，which consisted of a background database and a front-end monitoring software．In order to solve the problem of the layout of IOT(Internet of Thing))nodes，a kind of bacterial foraging algorithm was discussed．Experiment results showed that the model of client/server networking control scheme and the IOT node distribution strategy based on bacterial foraging algorithm have reached the target of accurate information collection，transmission，storage，display and automation of the agricultural control system．

Internet of things(IOT);agricultural environment;bacterial foraging algorithm;Agriculture control system

在推进农业现代化和信息化的进程中，准确实时的现场信息供给是必不可少的重要环节，但是农业所具有的地域分散、对象多样、远离都市、通信条件落后等特点，给农业环境信息的采集带来了困难。作为新一代信息技术，物联网IOT(Internet Of Things)为农作物信息的获取提供了一个崭新的思路［1］。无论是从农产品种植的培育阶段还是收获阶段，都可以用物联网的技术来提高工作效率和精细管理。种植准备阶段，可以在温室内布置传感器，分析土壤环境，以选择合适的农作物;种植和培育阶段，可以利用物联网技术采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境变化;农产品的收获阶段，也可以利用物联网的信息，采集农田环境的各种性能，反馈到前端，从而在收获阶段进行更精准的测算［3］。

文献［2］中设计的基于ZigBee的无线传感器监测网络，可以监测农业环境信息，但它是由许多信息隐蔽和处理能力有限的网络节点组成，缺少直观、有效的管理平台。农业物联网又是物联网中的一种特例，农田信息检测面积大，信息采集节点与节点之间的距离远，节点布局存在位置选取困难，覆盖率和可靠率都难以控制的问题，并且，节点与节点之间的通信容易受植物生长状态的影响，因此，必须通过布局优化来提供覆盖率和通信效率。

本文结合无线传感器网络在农田环境的实际应用，分别从环境监测、数据处理、系统控制等方面提出了一套轻量级的物联网控制系统方案，实现了用户对无线传感器网络信息的获取、分析、处理、存储和反馈控制。此外，本文提出的基于细菌觅食算法的农业物联网节点的布局策略，能够解决农业物联网节点布局的问题，很大程度上提高无线传感器网络的覆盖率，降低覆盖盲区，并且提供一定的通信效率。

1　物联网智能农业控制系统的设计

物联网智能农业控制系统由无线传感器网络(WSN)、监控管理平台、继电器网络、监控管理终端组成。其中，无线传感器网络采用无线射频CC2530技术进行数据传输，通过RS232与计算机进行数据通信。它用于采集空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等农田环境信息，并为邻居节点提供路由，使数据汇聚到与计算机相连的协调器上。监控管理平台解析、处理、存储协调器发送过来的数据，通过数据共享方式为监控管理终端提供服务，并根据用户操作指令进行系统控制。继电器网络中安放通风、遮阳、灌溉设备的开关，它时刻监听监控管理平台下发的控制指令。监控管理终端分为手机终端和计算机终端，它通过因特网与监控管理平台进行信息交互。系统架构如图1所示。

图1　物联网智能农业控制系统的系统架构

图2　物联网智能农业控制系统的调度流程

为了实现一个高效的物联网控制系统，设计了一个以监控管理平台为核心的多任务可同时执行的调度流程。如图2所示。监控管理平台与协调器正常通信后，从数据流中解析出环境参数数据，把可以用于直接描述农田环境参数的数据直接显示给用户;然后它进行阈值判断，针对不同的危险等级触发不同的报警方式;接着它把合法的数据存储到数据库中，以便检索和查询;它会根据用户设定的控制方式对超过阈值的环境参数进行调节，控制方式有多种，远程控制指监控管理平台通过数据共享方式与监控管理终端进行数据通信。用户可以在监控管理终端上执行控制操作，监控管理平台回收控制数据转发给继电器网络。

1．1无线传感器网络

物联网智能农业控制系统采用基于ZigBee的无线传感器网络。ZigBee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度的无线网络通信技术，非常适合在无线数据传输、无线传感器网络等方面的应用，特别是在分散的农业设施群以及在边缘山区和沿海滩涂的农业设施群的环境参数的采集应用中具有明显的优势［2］。

无线传感器网络的系统结构如图3所示，它包括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(Sink Node)和管理节点(Manager Node)。大量具有射频功能的传感器节点随机部署在监控区域，通过自组网的方式构成网络，节点对监测到的信息进行处理后，数据沿其他节点逐跳传输。在此过程中，监测数据可能被多个节点处理，经过多条路由汇聚到汇聚节点(协调器)，通过本地串口或者公共网络到达管理节点。

在传感器节点(Sensor Node)上，本文使用的传感器模块有:温湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、火焰传感器、烟雾传感器、红外传感器、雨滴传感器。传感器模块测得监视区域的信息后，由数据处理模块控制整个节点的处理操作，数据传输模块与其他节点或者Sink节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据。在汇聚节点上，运行Tiny OS操作系统，通过UART与管理节点通信。在管理节点上，运行监控管平台系统软件，使得无线传感器网络能够和用户进行信息交互。

1．2监控管理平台

在监控管理平台上运行自行开发的监控管理平台系统软件。系统软件使用Microsoft公司的．NET语言设计，选择Visual Studio 2010作为开发工具，使用Access 2007作为数据库存储工具，系统软件通过SQL与Access进行数据读取和存储［6］，通过Serial Port控件读取串口数据，通过Chart控件完成数据曲线图的绘制［7］，通过UDP网络通信与监控管理终端进行数据连接［8］。根据功能需求，监控管理平台系统软件主要分为数据采集、数据处理，系统控制、系统设置4个模块［9］，如图4所示。

数据采集，包括数据采集、解析和显示等功能。系统软件接收到汇聚节点(协调器)上报的数据包后，通过校验计算，验证数据包的合法性，如果通过验证，就根据通信协议完成数据解析，再对数据进行滤波和插值，去除明显有误的数据，使传感器数据能够直接用于描述农田参数，最后将其送到数据处理模块。

数据处理，包括数据报警、实时绘图、数据存储、历史分析等功能。系统软件分析得到环境数据后，根据判断温湿度、光照强度等是否超过阈值，并根据警戒的不同等级，采用颜色变化报警、声音播放报警、窗体弹出报警等不同的报警方式。系统软件实时绘制环境参数的变化曲线，并把采样数据存储到当前计算机的数据库中。同时，系统软件还可以读取数据库中存储的历史数据，绘制环境参数的当天的变化曲线，为用户决策控制提供了保障。

系统控制，包括手动控制、自动控制、远程控制和短信控制方式。手动控制指在监控管理平台上直接发送控制指令到继电器网络服务器。自动控制指用户设定阈值后，系统自动进行环境调节。远程控制指系统采用采用客户端/服务器的工作模式，使用基于异步Socket网络通信机制，实时监听本地IP绑定的端口，当有连接请求时，将接受请求并建立连接，接收到用户指令后，发送控制命令到继电器网络。短信控制指监控管理平台上专门设置一个短信接收端口，用于检测和执行用户发来的短信控制指令。

1．3继电器网络

继电器网络采用南京宇音力新电子科技有限公司开发的网络继电器输出模块，它具有IP网络和RS485总线通讯功能，可发送指令控制它打开或者闭合有一个或者多个继电器。它的输出可以设定常开或者常闭，输出方式为开关量。这里，继电器网络上连接有喷灌设备、通风设备、遮阳设备的开关，本文采用RS485总线将其连监控管理平台，这样，在监控管理平台上下发的控制指令，基本上都可以得到可靠的执行。

1．4监控管理终端

为了使农民对农田环境信息的快速掌握和便捷控制，使用VS2010开发了基于PC的智能农业客户端，使用Eclipse开发了基于Android的智能农业客户端。

客户端软件通过UDP协议与监控管理平台进行数据通信。用户数据报协议UDP是一种无连接的协议，客户端只要建立了套接字就可以向服务器发送信息，服务器端只要创建了套接字并将套接字绑定在本地IP地址上就可以接收客户端的信息［10］。相比于TCP这种面向连接的协议而言，UDP虽然不能保证信息传输的可靠性，但它的通信方式效率更高。

基于Android的智能农业客户端的系统结构如图5所示。它的数据源包括数据库、文件系统和网络数据［12－14］。其中，数据库和文件系统经过数据访问层的封装与业务逻辑层进行信息交互;网络数据通过UDP Server接收监控管理平台广播的环境数据。业务逻辑层由业务核心、后台服务(Service)组成。业务核心负责客户端业务逻辑数据的填充与转换和核心业务的实现，如绘制折线图;服务常驻于后台，主要进行网络访问或者数据处理的耗时操作。视图层由UDP Activity和Message Activity组成。用户在视图层进行操作，Activity监听到用户操作后，通过业务逻辑层和数据层传递控制消息到监控管理平台。

图5　基于Android的智能农业客户端的系统结构

2　无线网络节点布局优化算法设计

一般，无线传感器节点之间的通信距离在35 m～70 m范围内，节点之间能保持有效通信。如果要使100 m×100 m区域内的覆盖率达到98%以上，如果采用随机布置传感器节点的方式，大概需要80个传感器节点［11］。

为此，本文采用细菌觅食优化算法优化传感器节点分布，其具体思路如下:

(1)初始化算法参数及初始细菌参数。这里，每个细菌携带的参数为传感器节点的坐标，适应值为细菌携带坐标所产生的覆盖率;

(2)计算当前细菌群的覆盖率，并作为最佳布局;

(3)递归进行细菌趋向操作:计算每个细菌的适应值，并进行旋转、移动和游动操作;

(4)对细菌群进行复制操作:将细菌群中区域重合多的细菌淘汰，然后选择不拥挤的细菌进行复制。

(5)进行多次复制后，每个新复制的细菌按概率重新分布到空间中。

(6)若整体覆盖率达到要求，则退出寻优，否则返回步骤(3);

算法通过MATLAB软件进行30次布局仿真，并同粒子群算法、鱼群算法进行比较，仿真结果如图6所示。从图6可知，通过多次仿真的平均值进行比较，采用细菌觅食算法平均需迭代50次即可达到99%的覆盖率，而其他两种算法平均需要迭代80次才能达到98%的覆盖率。因此，基于细菌觅食算法的无线传感器网络的覆盖率最高，即在无线传感器网络的覆盖优化性能最好。

图6　算法布局性能比较

3　试验设计

为了验证提出的物联网智能农业控制系统的可行性和有效性，在南京宇音力新电子科技生产的物联网试验箱上建立了无线传感器监测网络。在友善之臂ARM开发板上移植了Tiny OS操作系统，在管理节点计算机上安装了监控管理平台系统软件，在用户计算机上安装了PC客户端，在用户智能手机上安装了Android客户端，进行了模拟实验。

无线传感器检监测网络成功建网，向监控管理中心汇报传节点网络地址、测量数据等信息，在监控管理平台上打开UART，监控管理平台系统软件界面即刻显示采集到的环境信息，图7所示。在子标签页，可以查看环境参数的实时变化曲线。

图7　监控管理平台系统软件的主界面。

当接收到环境参数超过阈值，监控管理平台以节点图标由绿变红报警，如果危险等级较高，比如火焰传感器、烟雾传感器触发，则同时以弹出报警窗体、播放声音方式报警，并记录消息到log文件中。在监控管理平台上使用历史分析功能，查询Access数据库后中，根据当天采集到的温度信息，生成了一张数据报表，并以时间为横轴，以温度值为纵轴绘制了当天温度的变化情况，如图8所示。在稳定工作的情况下，设定数据存储时间间隔为1 h，这样，绘制的当天的环境参数变化曲线更具有现实意义。

图8　传感器节点在某段时间内采集到的温度信息

在监控管理平台系统软件上，点击工具栏的以选择控制方式。当监控管理平台工作在自动控制模式下的时候，环境参数超过阈值便会打开相应继电器来调节环境;当其工作在手动控制模式下的时候，需要用户观察到环境变化才能手动控制继电器来调节环境;当其工作在远程控制或者短信控制模式下时候，用户可以在手机上打开智能农业安卓客户端，通过客户端连接到监控管理平台，观察到手机接收到的环境参数发生变化的时候，通过点击控制按键以网络方式或者短信方式控制继电器以调节环境。安卓客户端的交互界面如图9所示。

图9　基于Android的智能农业客户端的交互界面。

上述试验结果表明:本文设计的监控管理平台系统软件，能够实现无线传感器网络节点信息的显化，能够处理和存储农田环境参数信息，开发的基于Android的智能农业客户端，能够快捷地查看农田环境信息、控制农业自动化设备。

4　结论

本文针对农业环境监测无线传感器网络中网络节点信息隐蔽和处理能力有限等特点，提出的一套轻量级的物联网控制系统方案，能够实现对农田环境的有效监测，把农田环境信息以不同的方式快捷地呈现给用户，同时以不同的方式调节农田环境，在实际生产中减少了人力操作，降低了生产成本。此外，为解决农业物联网节点布局的问题，提出的一种基于细菌觅食算法的农业物联网节点的布局策略，具有较大的设计参考价值。

本文提出的物联网智能农业控制系统方案和开发的监控管理平台具有高度的通用性，完全可以应用在其他领域的信息监控中，为今后物联网在农业环境监测等领域中的进一步研究和应用奠定了很重要的技术基础。

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代品宣(1992－)，男，2014年本科毕业于南京工程学院，获学士学位，现为江苏科技大学电子信息学院硕士研究生，研究方向为通信技术及其应用工程;

王青云(1972－)，女，教授，1995年毕业于东南大学，获学士学位，2011年毕业于东南大学，获博士学位，现为南京工程学院教授，研究方向为信号与信息处理。

EEACC:6150P;6210C10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．038

鲁棒的物联网智能农业控制系统设计与实现*

代品宣1，2，王青云1*，梁瑞宇1
(1.南京工程学院通信工程学院，南京210000;2.江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)

针对农业环境监测无线传感器网络中网络节点信息隐蔽和处理能力有限等特点，分别从环境监测、数据处理、系统控制等方面提出了一套轻量级的物联网控制方案，开发了一款由后台数据库和前端管理软件组成的监控管理平台。同时，为了解决农业物联网节点的布局问题，提出了一种基于细菌算法的物联网节点布局策略。试验结果表明，基于客户端/服务器模式的物联网控制方案、基于细菌觅食算法的物联网节点布局策略，能够实现农田信息的精确采集、传输、存储、显示以及农业生产的自动化操作。

物联网;农业环境;细菌觅食算法;农业控制系统

TN926;S31

A文献标识码:1005－9490(2015)01－0178－06

2014－03－20修改日期:2014－04－12

项目来源:南京工程学院基金项目(ZKJ201202);南京工程学院人才培养工程专项项目