基于物联网的农业生产过程智能控制系统研究

摘要:在农业生产的过程中,为了实现良好的自动控制,农业生产过程智能控制系统获得了一定的开发应用,该系统是在物联网的基础上设计的智能控制、可靠传输、全面感知于一体的三层架构,而该系统的智能控制节点、传输节点、感知节点等则是基于模块化结构开发而成,因此
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摘要:在农业生产的过程中,为了实现良好的自动控制,农业生产过程智能控制系统获得了一定的开发应用,该系统是在物联网的基础上设计的智能控制、可靠传输、全面感知于一体的三层架构,而该系统的智能控制节点、传输节点、感知节点等则是基于模块化结构开发而成,因此具有较强的通用性,且结构十分灵活。该系统中,通过标准的模拟量与数字量接口将感知节点连接传感器;采用适合距离不同的传输模块设计传输节点;采用分离操作终端与控制终端的方式设计控制节点,因而使得整个系统具有灵活的结构以及相对较强的可扩展性。因此对基于物联网的农业生产过程智能控制系统进行深入的研究以及详细的阐述。

关键词:物联网;农业生产过程;智能控制系统

1 农业生产过程智能控制系统结构设计

现目前,我国的农业面临相对复杂的生产环境,且作物不同,其生产过程也存在较大的差异,因而导致了自动控制农业生产过程中面临较大的困难。而世界信息产业继移动通信网络、互联网以及计算机之后,物联网是第三次浪潮,其主要实现了三项功能,即“感知全面、传输可靠、处理智能”,物联网技术与常规控制技术相比,主要具有以下优点:1)感知功能更加透彻,且能使人类对世界的感知能力大大提升。2)互联功能更加全面,且能使人类远程认知能力大大增强。3)智能化更加深入,且能使世界与人类更加和谐的相处。因此可以看出,在物联网基础上开发的农业生产智能控制系统,其对海量信息智能分析技术、全面感知技术、远程传输技术、近程通讯技术以及控制技术等进行了充分运用,并有机结合了农业生产过程相关的系统知识,因而能够智能控制整个农业生产过程。在农业生产过程智能控制系统中,感知层一般由RFID、GPS、作物生理监测传感器、环境检测传感器等构成,能够全面感知农业生产过程的所有信息,食品溯源以及过程自动控制的基础就是感知层。而传输层则能可靠的传输感知层采集的各种数据信息,即将这些数据信息传输到信息显示终端以及控制层。而智能控制层主要由操控终端、调控设备、控制器以及PDA等组成,其能够对物联网的结构特征以及基于物联网的农业生产过程智能控制加以分析。

2 农业生产过程智能控制系统感知层设计

在农业生产过程智能控制系统中,感知层的任务主要是快速、准确的采集和传输各项信息,并为智能决策的合理制定提供一定的参考依据。由于检测需求以及检测场合的差异,感知层所检测到的各种信息也存在较大的差异。一般在种植作物的农业环境中,感知层需要对环境因子加以检测,例如土壤酸碱度、空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照度、风速以及土壤养分含量等,并且还包括与作物生长有关的生理信息,例如光合速率、作物叶绿素含量以及作物叶面积等。在智能控制系统的感知层中,感知节点是最基本的功能单元,全面感知信息功能主要是由无缝感知网络来加以实现的,而该网络的构成主要是大量的感知节点,且在一定范围内,这些信息还能利用无线传输进行汇聚和传递。

在农业生产过程智能控制系统中,通过对感知节点的功能特征加以分析,可以看出,其主要通过模块化结构加以设计,设计出来的采集主板具有一定的通用性,同时还能利用标准接口连接辅助模块以及功能模块。通常辅助模块是按照具体的需要加以选择,即包括精准时钟模块以及GPS模块等。功能模块则主要包括两种类型的接口,即数字量接口以及模拟量接口等,分别连接对应的数字量以及模拟量输出模块,并以太阳能或者电池作为主要的供电形式。在感知层中,感知信息的主板主要采用的是MSP430F149,其具有一定的超低功耗特性,而传输信息的模块则主要采用的是无线传输模块CC2530,其具有相对较高的性价比。

3 农业生产过程智能控制系统传输层设计

在农业生产过程智能控制系统中,传输层的任务主要是可靠传输各项信息。通常而言,在农业生产的过程中,其面临着多样性、复杂性的生产环境,因而在设计传输层的过程中,需要结合农业生产现场实际情况,对传输层的结构形式进行灵活的选择。通常情况下降传输层设计为多路径传输形式,即具有多输出以及多输入的功能。而在设计传输层的过程中,传输节点是其结构中最基本的单元,其除了具备转发输出、输入各项信息的功能之外,还能暂时储存信息。因此,在设计传输层的传输节点的过程中,其组成主要包括GPRS、无线传输模块I、存储器、CPU主班以及无线传输模块II等(如图1)。传输节点中的CPU主板,主要是通过外围各模块与标准接口连接的方式进行设计,具有MSP430F149的超低功耗特点,同时还具有相对较高的性能。而无线传输模块I的设计则主要采用了通信模块CC2530即能够对感知节点所采集的各项信息进行直接接收。GPRS模块则能远距离的传输所采集的各项信息,且还能借助互联网的作用,向智能控制系统的终端传输这些信息。而无线传输模块II的设计则采用的是无线模块SRWF508A,其能够促使单对节点达到3.5km的传输Jude,针对感知层所采集的各项信息,该模块还能利用传输网络的构建来实现传输远距离信息。存储模块主要是通过多片互联,且选用的芯片主要为AT24C256,因此存储容量可便于扩展。

4 农业生产过程智能控制系统控制层设计

在农业生产过程智能控制系统中,在对全面感知信息进行分析的前提下,设计了相应的控制层,因而实现了自动控制农业生产过程中的各种设备。在农业生产过程中,现场所需的设备不同,其自动控制功能存在较大的差异,而对应的设备控制也具有相对较大的差异,通常情况下,农业生产过程智能控制系统中所设计的控制层,主要包括加入手机、PDA、计算机终端、控制设备以及控制系统等。而目前所使用到的控制设备尽管具有相对较多的种类,但是在对其划分的过程中,结合控制方式的不同,可以将其划分为控制数字量的设备、控制模拟量的设备,以及兼有控制数字量以及模拟量的设备。一般来说控制系统能够对控制设备进行直接控制,也可利用计算机终端对设备控制实现远程控制,或者利用人工操控控制系统进行控制。另外还可以利用一些设备,例如PDA加以控制。而为了确保农业生产现场设备操作简便或者便于控制,在设计控制层的过程中,所采用的结构形式为操作终端与控制终端相分离的形式。

4.1 设计控制终端

在农业生产过程智能控制系统中,控制终端能够直接控制农业生产过程中的现场设备。控制终端利用现场设备与标准接口的连接,能够对农业生产现场的各种感知信息加以接收后进行前处理,然后按照预先设置的规则对相应的控制指令进行发布。所以在控制终端中,其不仅具备一定的自动控制功能,还能对农业生产现场的设备实现PC机以及操控器控制。在对控制终端进行设计的过程中,设计的CPU主板一般选用MSP430F149作为微处理器,且在控制终端的结构中,其通讯形式的种类相对较多,既包括了以太网通讯形式,还包括RS232通讯形式、GPRS模块通讯形式以及无线模块通讯形式等。而控制终端扩展的输出接口主要包括两种,即输出数字量接口以及输出模拟量接口等,因而能够对各种农业生产设备实现良好的控制。另外在设计控制终端的过程中,主要采用了SD2303A作为时钟芯片,因而能够定时控制农业生产的现场设备。

4.2 设计操作终端

在农业生产过程智能控制系统中,操作终端能够直接控制农业生产的现场设备。通常控制终端的具体工作模式,可以通过操作终端进行设定,且控制终端的设备启用和停止、相关参数的更改等,都是通过操作终端进行设定。控制终端与操作终端之间主要利用GPRS以及无线模块实现良好的通讯,且信息的交互也利用触摸屏加以完成。在设计操作终端的过程中,由于其具有易于操作、便于携带、体积相对较小等特点,因此在设计时为了增强该终端处理信息的能力,选用了CC2530的ZigBee。

5 农业生产过程智能控制系统的应用案例

随着现代化农业的不断发展,传统农业生产模式获得了极大的转变,且高产、优质、高效成为了当前农业发展的新目标。现目前,我国绝大多数温室大棚设施化环境,是通过以往的温室大棚种植蔬菜经验来实施监督和管理的,这就对温室大棚种植蔬菜的持续发展以及经济效益产生了一定程度的影响。已有大量生产实践以及科学实验证明,在实际种植温室大棚蔬菜的过程中,其生长发育会受到环境的影响,且只有适宜的种植环境,才能充分发挥出蔬菜的高产潜力。在农业生产过程智能控制系统的前提下,结合实际温室大棚种植蔬菜需求,通过开发和搭温室大棚环境智能控制系统,同时进行了该系统的实际应用检验。在开发与设计温室大棚环境智能控制系统的过程中,首先需要对环境中各个要素之间的关系加以详细的了解,且当其中某一要素发生巨大变化时,该智能控制系统能够自动调整和改变温室大棚环境中的要素,这样一来其所创造的环境才对种植温室大棚蔬菜有利。而在对该系统进行开发与设计的过程中,可以将其划分为几个子系统,即智能信息传感系统、自动传输信息系统、智能监控管理系统以及自动控制环境系统等。1)智能信息传感系统。该子系统能够对环境质量的情况进行感知,如有二氧化硫、二氧化碳等的浓度,温室内通风不畅、夏天降温、冬天保温、空气湿度、环境指标等。通过温室大棚环境信息的收集与转变,就能实现良好的处理、存储以及传输等。2)自动传输信息系统。该子系统主要结合了无线以及有线两种方式,能够上传前一系统采集的信息。3)智能监控管理系统。该子系统能够对检测温室大棚内的各种参数,例如二氧化硫、二氧化碳、湿度、空气温度等,以便对其进行合理的控制。4)自动控制环境系统。该子系统能够存储、分析以及监控各种环境信息,并且还能呢个提供权限管理、检索、智能分析等功能。

6 总结

综上所述,通过对基于物联网的农业生产过程智能控制系统的研究,可以看出,利用该系统的结构化以及功能分层设计,既能将其设计难度大大降低,还能有效的增强其可靠性以及稳定性,且还能便于维护,同时该系统的适应新以及可扩展性也能获得有效的增强。而通过应用试验可以看出,该系统具有操控方便、使用简单、稳定可靠等优点,因此具有极大的应用推广前景。

参考文献

[1] 柳平增,毕树生,薛新宇,等.基于物联网的农业生产过程智能控制系统研究[J].计算机测量与控制,2011,23(9):2154-2156.

[2] 郭理,秦怀斌,邵明文.基于物联网的农业生产过程智能控制架构研究[J].农机化研究,2014,22(8):193-195,201.

[3] 于合龙,刘杰,马丽,等.基于Web的设施农业物联网远程智能控制系统的设计与实现[J].中国农机化学报,2014,23(2):240-245.

[4] 战忠丽,王强,刘志刚.基于QoS智能控制系统的无线传感器农业物联网平台设计研究[J].中国农机化学报,2014,25(4):224-227.

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