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　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之溫室監(jiān)測(cè)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(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本特別注重對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。一方面，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)立法等政策性保護(hù)措施；另一方面，綜合運(yùn)用高科技手段構(gòu)建先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過先進(jìn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，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(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

　　1 溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

　　溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)：由智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成。實(shí)時(shí)采集土壤水分、土壤溫度等參數(shù)，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。智能節(jié)點(diǎn)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多方位監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和時(shí)空分析。數(shù)據(jù)中心對(duì)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(cè)系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)

　　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(jìn)行互聯(lián)，從而對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)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(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)，借鑒國(guó)內(nèi)外已有的先進(jìn)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(jìn)行感知層設(shè)計(jì)。傳感器感知網(wǎng)由分布在農(nóng)田中多個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)時(shí)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(diǎn)數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(cè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均為有源節(jié)點(diǎn)，可以采用太陽能供電模式，也可以采用外接蓄電池方式實(shí)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(chǔ)和時(shí)空分析。

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

　　第一，對(duì)于同一塊農(nóng)田，低功率節(jié)點(diǎn)模塊通信覆蓋范圍較小。如果提高節(jié)點(diǎn)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(cè)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(diǎn)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(diǎn)時(shí)需綜合分析通信和采樣這兩個(gè)因素。

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

　　第三，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能與最近兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)中，每個(gè)作為終端設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)至少能夠與兩個(gè)以上的作為路由器的傳感器節(jié)點(diǎn)通信，以保證一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

　　3 網(wǎng)絡(luò)層功能擴(kuò)展

　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要是指用于實(shí)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(jì)費(fèi)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(jìn)行傳送，需要傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)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(dòng)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峭ㄐ?、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(gè)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(gè)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(jì)費(fèi)：運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)需要提供對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層的接入鑒權(quán)、授權(quán)與計(jì)賬等功能。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)動(dòng)態(tài)變化和不斷演變，可能隨時(shí)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(huì)不斷變化。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制和映射能力對(duì)于整個(gè)通信與網(wǎng)絡(luò)的管理是至關(guān)重要的。