物联网的农田环境信息采集控制与预警系统

杨宇红　彭春富

摘要：随着科学技术的不断发展，信息技术不断深入到我国社会发展的各个领域，促进我国社会主义现代化的快速发展。为加强我国农业科学化、信息化、智能化、自动化与一体化建设，提高农民自主抗风险的能力，以物联网为基础，将信息技术运用到农田发展建设之中，运用农田环境信息采集控制系统与预警系统，为我国农业发展经营者提供农产品生长、培育的第一手资料，实现农田的自动化灌溉技术，做好基本风险预警工作，极大程度上降低了我国农业运行中的损失，提升农业发展质量，加快我国农业建设的发展。

关键词：物联网；农田环境；信息采集控制；预警系统

物联网技术在农业发展中利用信息感知设备，在达成某种约定协议的前提下，将农作物的发展情况与互联网有机的连接在一起，从而实现农作物与互联网之间的信息交换、信息传输与信息处理工作，对农作物种植地进行全面跟踪、控制、管理，实现农业管理的一体化。

1农田环境信息采集控制与预警系统设计

本研究设计一种物联网的农田环境信息采集控制与预警系统，将功能不同的传感器放置到待测区域内，对待测区域内部的气候变化进行检测，例如待测区域内部的水分、湿度、温度、光照度等信息进行监测与处理，根据农作物在生长过程中对阳光、水分、营养、湿度、温度的要求，及时对农作物种植地做出相应的处理，提升农作物抗灾性，提升农作物产量。

1.1系统硬件设计

农田环境信息采集控制与预警的硬件系统是由网络模块、控制采集模块、电源三部分构成。农田环境信息包含大气压信息、环境湿度信息、风速风向信息、土壤水分信息、光照度信息等，应选用数字大气压传感器模块测量农作物种植地的大气压，选用数字温湿度传感器模块测量环境中湿度信息，选用数字风速风传感器模块检测农作物种植地的风速与风向，选用数字土壤湿度传感器模块测量土壤中的含水量，选用光强度检测模块测量光照度。本文将选用Arduino信号的开放板作为整个系统的控制核心，利用该开发板对系统电源进行控制，从而达到节能、降耗的效果，充分解决农田种植过程中供电困难的问题；因该开发板的外部模块较为成熟，在确保插接正确的情况下就能正常、稳定的工作，功能性十分强大，其操作技术简单，能够为系统传感器提供5伏或者是303伏的运行电源，有效解决系统中传感器的供电问题，极大程度上节约了设备运行成本。

其中，网络模块是由Arduino Ethernet W5100和TP-LINKTL-WR720N、ECl22组成。在安装网络模块时需从以下两个步骤人手：第一步，需将路由器初始化，将路由器的DHCP的服务模式开启，就不同在初始化程序中设置IP地质，使软件能够在任何情况下均能够正常运行；第二步，将W2100安装到Ardu-ino上，将软件進行初始化，然后设置其物理地质，只有运行主程序对其进行控制时Yeelink平台才能够接收到环境信息。农田环境信息采集控制与预警的硬件系统的控制核心是ArduinoUNO R3，该程序选用型号为ATmega328的微处理器。因AT-mega328信号的微处理器内部安装有独立片形式的内震荡器，即“可编程看门狗定时器”，31KB Flash内存、6个模拟输入端口，14个数字I/0端口，能够对所监控的数据进行动态化处理，将所监控到的信息准确、直观地传递给农业管理人员。电源是由两部分组成，其一是9伏干电池，该电源主要为网络模块、Ar-duino开发板和传感器供电；其二是移动电源，该电源可以重复使用，主要是为路由器供电。

1.2系统软件设计

经相关人员对农田环境信息的USB串口上传和网络发布研究得知，上位机软件在串口上传和网络发布分别利用LabVIEW软件程序和Yeelink平台，能够利用物联网实现对曲线数据的储存与显示；系统下位机软件是由数据传送子程序、信号采集子程序、主程序、初始化程序组成。其一，上位机程序模块包含Arduino的显示储存模块和通信模块。显示储存模块作为Lab VIEW前面板的重要构件，能够将显示屏上所现实的一切数据储存到数据库中，并具备历史记录显示功能。通信模块组要由LabVIEW串口设备、取读串口数据、关闭串口组成。其二，Yeelink平台是物联网系统中具有开发性、服务型的供应商，能够管理传感器、储存海量数据，实现数据的可视化、自动化。其三，下位机软件的详细设计内容如下：（1）数据传送子程序，该程序包含两个方面，即串口数据和网络数据。串口数据是由传感器标志位、数据内容这两部分构成，Lab VIEW软件能够按照传感器标志所显示的位置，对信息进行手机与处理，保证信息的准确性与时效陛。网络数据是在获得HTTP请求方式后将数据信息传送到Yeelink平台。（2）限号采集子程序，当该程序发起采集信息的命令时，信号在即程序就能够按照相应的信息命令，对大气压信息、环境湿度信息、风速风向信息、土壤水分信息、光照度信息等进行采集。（3）主程序，即田环境信息采集控制与预警的硬件系统与电源接通后，初始化程序最先开启运行，当初始化程序运行结束后开始运行的程序是主程序。田环境信息采集控制与预警的硬件系统与互联网络成功连接之后，主程序能够对信号采集程序、数据传送子程序进行发起号令。（4）初始化程序，需要将Arduino D7引脚作为输出I/0的出口，并将串子波特率设置成9600bit/s，并将传感器传送子的数据传送间隔设置成20秒。

2农田环境信息采集控制与预警系统功能

农田生长环境信息采集控制与预警系统中传感器节点分别位于检测区域之内，以此构成了物联网基本单元，使传感器各个节点之间能够相互通信、交流，将相邻的两个节点形成簇，每个传感器节点信息收集功能均由簇首节点来完成，将所收集到的数据经后期融合后，对其进行压缩处理，然后将压缩好的数据传送到各个汇聚节点。因此，汇聚节点承担着任务管理与传感器之间通讯与交流的任务。任务管理节点作为WSN数据与质量管理中心，通常是由多台服务器构成，农业管理人员通过管理传感器网络和任务节点配置，实现对农作物种植环境的信息检测与收集。监测区域内部的各个传感器节点位置，均可利用节点的自身定位算法或者是GPS定位技术获取，依照任务管理借点所发出的信息收集质量，将采集信息的指令传送给各个簇首节点，由簇首节点将信息进行融合处理，将其依次分发给不同的汇聚节点，后经汇聚节点接受信息、整理信息、处理信息，利用通信卫星或者是互联网络将信息传送给相对应的管理节点。

3农田环境信息采集控制与预警系统工作流程

第一步，农业种植管理人员利用任务管理节点，对互联网系统下发环境信息查询指令，利用互联网将信息传送到相应的汇聚节点上。

第二步，汇聚节点遵循农业管理人员所下发的命令，对相应的簇首下发命令，簇首接受到命令后激活簇内节点，收集农业管理人员所需的信息。节点按照指令对数据进行及时的采集，然后对所采集的信息进行筛选、整合等处理，再将所整理好的信息传送给相应的簇首节点，由簇首节点将信息进行融合于压缩，并最终整理好的数据传送给汇聚节点。

第三步，汇聚节点将簇首节点所上传而来的数据进行再次筛选与整理，由外部网络将信息发送给任务节点，将最终信息反馈给农业种植管理人员。

4农田环境信息采集控制与预警系统节点定位控制

农田环境信息采集控制与预警系统其工作重点在于对系统中节点的定位与控制，如果节点设置错误，将直接影响到信息的收集与预警工作，物联网系统在农田种植中的应用将无法起到实质性的作用。因此，在对物联网节点进行定位时，一定要运用节点的自身定位算法或者是GPS定位技术获取节点的具体位置，确保节点位置的准确性。其中，节点的自身算法是利用传感器网络中每—个新表节点的冗余信息，并利用距离估算法，获取未知节点的位置；GPS定位技术获取节点是一种最点单且准确率最高的技术，具有良好的抗干扰能力，使用性良好，但是运行成本较高，对节的要求十分苛刻严格，适合被运用到大型、高成本的自动化传感器网络系统中。

5总结

综上所述，为实现农田种植环境管理与检测的智能化、一体化、信息化与自动化，将物联网技术运用其中，实现对农田环境信息采集控制系统与防御系统的应用与管理，本文从系统设计、系统功能、系统工作流程、系统节点定位控制四个方面人手，详细分析该系统在农田环境信息收集控制与预警中作中的实际应用与实践。