基于物联网的智能农业系统设计

课程设计报告（物联网技术与应用）学院：电气工程与自动化学院题目：基于物联网的智能农业系统设计专业班级：自动化131班学号：2420132905学生姓名：吴亚敏指导老师：韩树人时间：2016年4月30日摘要由于现代农业管理中农田的种植范围大、监控点设置多、布线复杂等，为此我们基于物联网技术对于当前的农业管理系统进行优化，研究开发了基于物联网技术的职能农业系统，并能够实现对管理区域内的农作物的土壤、环境、灾情预报、灌溉控制、温度控制在内的多项职能化的农业管理系统。关键词：农业系统；物联网；系统设计目录摘要.....................................................2第1章物联网技术的研究现状和发展情景...................11.1研究现状.........................................11.2发展趋势.........................................2第2章智能农业概述.....................................3第3章系统的需求分析...................................4第4章系统的组成.......................................5第5章系统的开发平台设计...............................75.1无线传输协议选择.................................75.2硬件节点平台.....................................75.3系统的软件设计...................................8第6章系统调试.........................................9第7章心得体会........................................10参考文献................................................12江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告1第1章物联网技术的研究现状和发展情景1.1研究现状M2M技术、传感网技术及射频识别（RFID）技术、网络通信技术是物联网的关键技术。（一）M2M技术。M2M技术通过实现机器与机器、人与人、人与机器之间的通信，与操作者共享了使机器设备、应用处理过程与后天信息系统提供的信息。M2M技术提供了传输数据的优良手段，使设备能够实时地在系统之间、远程设备之间、或个人之间建立无线连接成为可能。（二）传感网技术。大规模无线传感网络技术、传感器及其智能处理技术的结合便是传感网技术。由于是一种检测装置，传感器能够感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定变换规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的存储、传输、显示、记录、处理等要求。实现自动控制与自动检测的首要环节是传感器，在实际应用中，传感器相当于人的“感觉器官。”新型技术的低能耗、小型化、可移动、低成本有点可以满足物联网的“物-物”相联需要，无线传感网能够在满足上述需要的前提下，提供具有自动修复功能和自动组网的网状网络，使无线网络具有初步的智慧功能。伴随着新技术革命的到来，全球已进入全新的信息化时代。在实际应用时，首先应解决的是如何获取准确可信的信息的问题，而在利用信息的过程中，传感器具有非常突出的地位，这是由于传感器是获取生产和自然领域中信息的手段和主要途径。（三）射频识别（RFID）技术。通常，当特定的信息读写器通过带有电子标签的物品时，读写器激活标签，并向读写器及信息处理系统传送标签中的信息，从而完成信息的自动采集工作。一个典型的RFID系统是由读写器、RFID电子标签及信息处理系统组成的。信息处理系统根据需求承担相应的信息处理及控制工作。由于每个RFID标签都有一个唯一的识别码，如果它的数据格式有很多是互不兼容的，在闭环情况下，对企业的影响不是很大。（四）网络通信技术。物联网数据是通过传感器的网络通信技术来提供传送江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告2通道的。目前，物联网研究的重点是如何在现有网络上进行增强，适应物联网业务需求。网络通信技术可以分为两类：广域网络通信技术及近距离通信技术。在广域网络通信上，卫星通信技术、2G/3G移动通信技术等实现了信息的远程传输，可以为每个传感器分配IP地址创造可能性，也可以为传感器的发展创造良好的基础网络条件。在近距离通信方面，802.15.4规范是IEEE制定的用于低速近距离通信的媒体介入控制层和物理层规范，以IEEE802.15.4为代表的近距离通信技术是目前的主流技术，工作在工业科学医疗频段，免许可证的2.4GhzISM频段全世界均可使用。1.2发展趋势物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式。首先，物联网的应用可以提高经济效益，节约成本；其次，物联网的发展可以带动很多相关行业的发展，可以为全球经济的可持续提供动力；还有，物联网的应用可以大大方便我们的生活。在物联网的世界里，每个物体都具有了一定的智能，可以自动完成一些以往需要人类干预才能完成的事情。物联网虽好，但是要建立一个真正高效实用的物联网，有两个因素必不可少。首先是规模性，就是说接入网络的物体必须达到一定的规模，只有具备了规模，智能作用才能真正发挥出来。例如，某个城市的道路上有上百万辆汽车，如果我们只把其中的一万辆汽车接入到网络中，就不能对整个城市的交通有全面的了解，也不可能建立一个智能交通系统；其次是流动性，物体通常处在运动中，要能保证物体在运动状态，甚至是高速运动状态下都能随时进行数据的交换，这就需要建立配套的信息高速公路，尤其是大容量移动互联通道。江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告3第2章智能农业概述在农业生产过程中，农作物的生长与自然界的多种因素息息相关，其中包括大气温度、大气湿度、土壤的温度湿度、光照强度条件、CO2浓度、水分及其他养分等等。传统农业作业过程中，对这些影响农作物生长的参数进行管理，主要依靠人的感知能力，存在着极大的不准确性，农业生产也就成为一种粗放式管理，达不到精细化管理的要求。随着科学技术的发展，伴随着城镇化改革的进行，在农业生产过程中，越来越多的劳动力被解放出来，劳动力成本不断增加，传统农业无法进一步的发展，也逐渐滞后于社会的发展。因此，对传统农业的要求在不断提高，将先进技术应用于农业将得到广泛推广，智能农业随之产生。所谓的智能农业，指的是将人工智能技术应用于农业领域的一项高新技术。智能农业系统覆盖了从影响农业生产的自然参数的采集，到利用知识推理和计算机技术进行参数分析，最终通过农业专家系统指导农业生产的整个生产管理链。智能农业主要涉及的关键技术包括检测技术、嵌入式技术、通信技术等。智能农业系统本质上仍然是自动控制系统，也是闭环控制系统。它具有以下两大特性：（1）反馈控制：反馈控制是实现控制系统稳定、可靠及自动化的关键技术，智能农业系统在系统的架构上看，也必须是反馈控制系统，而且是负反馈控制系统，形成的是闭环控制。从农业参数的采集、处理到MCU调控，应该形成闭环负反馈系统，否则将失去智能化的特性，失去自动控制的特点。（2）自主控制：自主控制指的是系统的控制核心具备自适应的调整能力，包括自学习能力和自整定能力。农业系统本身是一个非线性系统，其外在扰动和内在扰动无规律可言，在建立对这些无规律的参数实现调控的系统时，就需要使得其具备自主控制的能力，以实时处理非线性数据。江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告4第3章系统的需求分析需求分析是系统开发的第一步，本系统的系统功能主要有以下几点：（1）环境检测系统，即该系统必须能够完成对于管理区域内农田的环境参数进行监督和反馈，其中包括了空气和土壤的温湿度、二氧化碳浓度、光照等，并且能够实现对农田现场的监控，保证农作物的安全，并能够实现对智能设备的远程操控。（2）智能报警和远程控制，系统能够实现对于农作物生长环境异常数据的报警功能，及时地通知农田管理人员，并可以适当的调节设定值。（3）历史数据分析，这也是职能农业最大的特点，能够实现过去一年或者几年内数据分析，从而改善农业生产的技术，实现丰产高产。（4）电脑客户端管理，即能够通过直观形象的操作界面，实现能够从电脑端进行控制。江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告5第4章系统的组成我们结合系统的需求分析将系统的组成分成了具体的四个层次，分别为：（1）感应平台设计，主要负责管辖区域内农田环境参数的监督和反馈，实时的检测农作物的生长环境的参数控制，并且能够通过互联网传输出来。（2）网络传输，即按照网络传输的协议使用LAN、WAN、PAN等网络标准。（3）管理平台，管理平台主要包括农田现状界面、灌溉远程控制、农田水利管理等。（4）应用平台，能够从电脑机房根据气象预测等，实现远程控制，全面的提高农业管理的智能化。图1系统总体结构图江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告6江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告7第5章系统的开发平台设计5.1无线传输协议选择为了保证职能管理系统的全面的智能化，本系统采用多种网络传输协议实现通信过程。例如3G网络、WAN局域网、GPRS定位协议等。由于本系统采用ZigBee无线短距离通信，因此详细的描述其实现过程，这种通信有着廉价、低能耗、结构简单等优点，相比于WIFI来说更加的简单可靠，对于处理器的芯片要求也不高，开发成本较低，而且该网络最多能够同时拥有65000个网络节点，这对于本系统的设计和实现来说是完全足够的。5.2硬件节点平台由于涉及到大量的传感器，这些传感器硬件节点也是开发平台设计的重要过程，一般来说一个传感器硬件节点包含了电源、传感器、处理器和无线接收几个重要的功能元件。这些硬件节点的平台设计，最基本的条件是能够支持ZigBee短距离通信网络，并且本身携带一定的处理功能，具有一定的储存能力，能够实现基本的网络节点中的功能需求。电源模块太阳能控制电路太阳能电池板各类传感器信号处理电路A/D转换处理器存储单元通信模块光照温度水量二氧化碳肥料各类执行器江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告8图2系统硬件结构图5.3系统的软件设计为了对农业生产起到指导作用，智能农业系统需要对主要的农业生产影响因素进行监测和控制。整套系统主要利用传感器技术、通信技术及计算机技术实现其功能。利用传感器对不同的影响因素进行信号的采集，并做初步的处理后，通过无线通信技术传输到上位计算机中，由计算机进行数据的分析和管理，并经过时间上的数据积累，与农业专家一起，构建具备初步完善的专家数据平台，给农业生产带来指导性作用。同时，为了调节不适合农业作物生长的因素，仍然需要一套完备的下位机控制系统，实现被监测参数的调节和完善。智能农业系统整体组成框图如图一所示。物联网智能农业系统所使用的传感器需要满足农业生产的要求，实现数据的实时采集。本系统采用的都是国外进口专业传感器，具有稳定性好、精度高等特点，在实际应用过程中，效果显著。通信部分则采用无线通信方式，农业基地的空旷性给无线通信的实现带来了便利，有线通信反而会对农业生产产生影响。M2M汇聚节点作为所有参数的集中点，采用了32位的ARM处理器来实现，采用了TINYOS操作系统进行资源的管理，性能更稳定。PC机上位机监测管理系统则利用目前较新的Silverlight组件来实现，.Net的应用更为完美。二氧化碳检测电路光照强度检测电路空气温度湿度检测电路土壤温度湿度检测电路水流量检测电路无线通讯模块M2M汇聚节点PC上位机监控系统数据采集显示系统数据管理系统农业专家指导系统图3系统软件架构图江西理工大学2013级自动化专业项目驱动设计报告9第6章系统调试通过硬件的铺设，以及软件的设计完成整个系统假设。通过现场检测到的数据和本系统检测的数据进行对比，分析和比对系统的功能需