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　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之溫室監(jiān)測系統(tǒng)

　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要組成部分，建設(shè)高效、許多發(fā)達(dá)國家如美國、英國、日本特別注重對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與保護。一方面，加強農(nóng)業(yè)生態(tài)立法等政策性保護措施；另一方面，綜合運用高科技手段構(gòu)建先進的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過先進的傳感器感知技術(shù)、信息融合傳輸技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合其中，建立覆蓋大區(qū)域的農(nóng)業(yè)信息化平臺，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的自動監(jiān)測，保證農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文僅以溫室監(jiān)測系統(tǒng)為例進行分析。

　　1 溫室監(jiān)測系統(tǒng)組成

　　溫室監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成。

　　無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)：由智能傳感器節(jié)點組成。實時采集土壤水分、土壤溫度等參數(shù)，所有節(jié)點數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將全部數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。智能節(jié)點為濕度傳感器和溫度傳感器，安裝不同的傳感器可以做到對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多方位監(jiān)測。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析。數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用就在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層完成。

　　2 溫室監(jiān)測系統(tǒng)感知層設(shè)計

　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層由各種信息感知設(shè)備以及信息感知設(shè)備網(wǎng)關(guān)組成，信息感知設(shè)備采集并捕獲各種農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，信息感知設(shè)備網(wǎng)關(guān)把信息感知設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層進行互聯(lián)，從而對收集到的數(shù)據(jù)進行上傳。信息感知設(shè)備包括濕度 /溫度/氣體濃度等各種傳感器、RFID標(biāo)簽、GPS、攝像頭等感知終端；信息感知設(shè)備網(wǎng)關(guān)包括傳感器網(wǎng)關(guān)、RFID 讀寫器等。

　　感知層包含兩項技術(shù)：一是數(shù)據(jù)采集與感知技術(shù)，二是傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù)。一般來說，數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)接入（組網(wǎng)）即構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集與感知主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)志、視頻數(shù)據(jù)。

　　針對農(nóng)作物生長特點，借鑒國內(nèi)外已有的先進研究成果，我們把傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層組成要素來進行感知層設(shè)計。傳感器感知網(wǎng)由分布在農(nóng)田中多個智能傳感器節(jié)點組成，實時采集土壤水分、土壤溫度等參數(shù)。

　　感知網(wǎng)基于 ZigBee 無線通信協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將全部數(shù)據(jù)通過 3G 無線通信傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到溫室遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均為有源節(jié)點，可以采用太陽能供電模式，也可以采用外接蓄電池方式實現(xiàn)供電。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析。

　　部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，對于傳感器放置位置的選擇應(yīng)注意如下問題。

　　第一，對于同一塊農(nóng)田，低功率節(jié)點模塊通信覆蓋范圍較小。如果提高節(jié)點部署密度，必然增加投入成本，但是能較好地保證環(huán)境監(jiān)測變量的采樣密度。

　　選擇高功率模塊可以較好地保證網(wǎng)絡(luò)連通性，較少節(jié)點數(shù)量，從而降低成本，這樣可能導(dǎo)致所采集的數(shù)據(jù)失去該農(nóng)田空間相關(guān)性，因此在農(nóng)田部署傳感器節(jié)點時需綜合分析通信和采樣這兩個因素。

　　第二，根據(jù)農(nóng)作物高度來調(diào)節(jié)節(jié)點天線放置的高度。針對農(nóng)田具體覆蓋作物，設(shè)計適宜的節(jié)點天線放置高度，這樣有利于減少信號傳輸?shù)穆窂綋p耗。

　　第三，每個節(jié)點能與最近兩個節(jié)點進行通信，提高傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，每個作為終端設(shè)備的傳感器節(jié)點在有效通信范圍內(nèi)至少能夠與兩個以上的作為路由器的傳感器節(jié)點通信，以保證一條鏈路出現(xiàn)故障時不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

　　3 網(wǎng)絡(luò)層功能擴展

　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要是指用于實現(xiàn)更加廣泛的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息承載、接入認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)安全防范、用戶鑒權(quán)與計費等功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳送，需要傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已比較成熟，基本能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，但是通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還有較多有待完善的地方。

　　軟件和算法：構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)是缺乏一個通用的軟件構(gòu)建方法，如何將不同環(huán)境中的軟件組合成一個復(fù)合功能的系統(tǒng)，以及如何應(yīng)用大量不相關(guān)的軟件模塊來構(gòu)建我們需要的軟件是要解決的問題。

　　認(rèn)證、鑒權(quán)和計費：運營商網(wǎng)絡(luò)需要提供對物聯(lián)網(wǎng)感知層的接入鑒權(quán)、授權(quán)與計賬等功能。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)會動態(tài)變化和不斷演變，可能隨時添加新的“物體”到網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會不斷變化。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下，自動發(fā)現(xiàn)機制和映射能力對于整個通信與網(wǎng)絡(luò)的管理是至關(guān)重要的。