引言

以感知和智能為特征的物聯(lián)網技術的應用，使傳統(tǒng)農業(yè)模式轉變?yōu)橐跃W絡信息為中心的智能農業(yè)模式，讓農業(yè)生產實現(xiàn)自動化、網絡化、智能化。休閑農業(yè)園區(qū)更需要智能化，不僅是農業(yè)智能化的需要更是休閑游智能化的需要。其中,休閑園區(qū)農情信息采集是基礎，農情信息包括土壤溫濕度、光強、微量元素含量、CO2濃度、pH值、降水量、空氣濕度和氣壓、病菌發(fā)生動態(tài)、作物長勢等可以通過傳感器收集，經由ZigBee網絡傳送到網關，再由網關經過傳輸網傳到控制中心，通過網絡訪問實現(xiàn)對休閑園區(qū)的實時欣賞和在線管理?；谵r業(yè)物聯(lián)網技術的休閑農業(yè)環(huán)境監(jiān)控與培育系統(tǒng)的設計與實施，不僅能給農業(yè)生產帶來科學管理和高效益，更為休閑農業(yè)旅游增加樂趣，也為農業(yè)信息化和旅游信息化提供了可靠的技術基礎，將為中國休閑農業(yè)與世界提供同步的發(fā)展平臺,更對傳統(tǒng)農業(yè)升級起到巨大的推動作用。

1休閑農業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)結構

傳感網絡是物聯(lián)網的主要支撐技術之一。無線傳感器網絡(wirelesssensornetworks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者叫WSN應用極其廣泛，當前主要應用于智能農業(yè)、國防軍事、智能建筑、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面。目前最常用的搭建無線傳感器網絡的新興技術之一是ZigBee技術?；赯igBee無線傳感器網絡的休閑農業(yè)監(jiān)測與培育系統(tǒng)結構如圖1所示,系統(tǒng)由ZigBee網絡、培育控制設備、網關和控制中心組成間。其中，無線傳感網絡由部署在休閑園區(qū)內的ZigBee網絡節(jié)點組成，其網絡節(jié)點包括傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點，傳感器節(jié)點、路由節(jié)點以自組織的方式構成網絡，將采集到的農情信息以多跳的網絡方式傳送到匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點負責接收和處理這些數(shù)據信息后傳送給網關，通過網關接入傳輸網絡將信息傳到控制中心或是通過傳輸網絡中的蜂窩網傳到用戶手機。在休閑農業(yè)園區(qū)配備集成有嵌入式TCP/IP協(xié)議的培育設備并接入Internet,可以通過遠程控制執(zhí)行所制定的培育策略，遠程節(jié)點收到控制命令后會做出響應，例如調節(jié)光照強度、灌溉時間等。實現(xiàn)將物理世界的農田搬到網絡中，通過網絡進行實時在線管理。智能中心是實現(xiàn)信息匯集、分析、處理及決策等功能的數(shù)據中心，包括數(shù)據管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和網絡管理系統(tǒng)，由相應的軟硬件及網絡協(xié)議組成。

2傳感器節(jié)點設計

2.1傳感器節(jié)點的硬件結構

無線傳感器網絡節(jié)點是組成傳感網絡的基礎支撐平臺，此類應用系統(tǒng)實現(xiàn)的重要基礎是硬件設計，傳感器節(jié)點設計特別是硬件設計是整個ZigBee無線傳感器網絡系統(tǒng)設計的重要部分。進行硬件設計時首先根據項目需求確定主要的功能芯片和相應傳感器，芯片的選擇須考慮滿足該系統(tǒng)所要求的低成本、低功耗、體積小、穩(wěn)定性好的要求。本系統(tǒng)的節(jié)點在功能芯片選型時采用SoC(system-on-chip)解決方案，即把微控制處理器和射頻模塊都集成在一塊芯片上。本系統(tǒng)中的節(jié)點選用TI公司微功耗的CC2530芯片，該芯片是新一代真正的片上系統(tǒng)解決方案，集成了處理器模塊和無線通信模塊，體積小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式，支持IEEE802.15.4標準/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的應用，其節(jié)點的硬件結構如圖2所示[8]，該結構在CC2530芯片的基礎上搭建了功能外圍電路，配合系統(tǒng)底板進行聯(lián)合開發(fā)。

2.2傳感器節(jié)點軟件設計

節(jié)點的軟件設計直接影響其性能和網絡的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中的節(jié)點遵循“休眠一被喚醒一正常工作”的工作模式。

傳感器節(jié)點的軟件設計主要是在節(jié)點中移植與構建Zigbee-Z-Stack協(xié)議棧，并在此基礎上進行二次開發(fā)。ZStack-

CC2530-2.3.1-1.4.0軟件全面支持ZigBee與ZigBeePRO特性集并符合最新智能能源規(guī)范。ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0軟件可與TI的SmartRF05平臺協(xié)同工作，該平臺包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收發(fā)器以及CC2591

距離擴展器，通信連接距離可達數(shù)千米。

傳感器節(jié)點具有功耗低的特點，支持睡眠模式。節(jié)點通電后先進行初始化，進入低功耗模式，處于休眠狀態(tài)，處理器停止工作而無線通信模塊處于低功耗的接收狀態(tài)。當節(jié)點被查詢時則喚醒該節(jié)點，開始采集數(shù)據，對采集的數(shù)據進行簡單處理、儲存，延時等待發(fā)送命令，收到命令后將數(shù)據發(fā)送出去，發(fā)送成功后，又重新回到低功耗模式。如果延時結束時還沒有收到命令，則脇明是通信出現(xiàn)故障，應及時進行通信故障處理，如此循環(huán)。其傳感器節(jié)點的工作流程如圖3所示。為了避免節(jié)點經過若干次休眠喚醒循環(huán)后出現(xiàn)喚醒不同步的情況，設計方案中加入時間同步機制。節(jié)點根據網絡的同步信息調整自身的定時參數(shù)，有效抑制了時間誤差的疊加，避免了節(jié)點間喚醒的不同步，極大地提高了整個網絡的穩(wěn)定性。

3智能中心設計

智能中心是數(shù)據匯聚和決策中心的智能數(shù)據中心，由相應的軟硬件及網絡協(xié)議組成，其核心是三個管理系統(tǒng)：數(shù)據管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和網絡管理系統(tǒng)。

通過具有自適應切換功能的網關將休閑農業(yè)傳感器網絡接入傳輸網絡將監(jiān)測數(shù)據傳送到智能中心的數(shù)據管理應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)對數(shù)據進行接收、存儲、處理，結合決策系統(tǒng)發(fā)出反饋控制信息和指令。網絡管理系統(tǒng)負責對網絡及應用進行管理，該系統(tǒng)包括基于Web的數(shù)據管理與查詢的子系統(tǒng)，方便用戶進行瀏覽和提取等操作；同時，該系統(tǒng)可以顯示網絡信息，包括網絡拓撲信息、節(jié)點連接強度信息和電池電量信息等。

在決策系統(tǒng)中，設計農情信息和自動精準灌溉等多個決策模型。參照各個子模型，該系統(tǒng)可根據感知到的環(huán)境信息及作物生長信息，自動進行相應的遠程控制或是自動培育控制。

4結語

將物聯(lián)網技術應用于休閑農業(yè)是加快休閑農業(yè)信息服務體系建設的任務之一。本文設計了基于物聯(lián)網技術的的休閑農業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結構設計圖，詳細介紹傳感器網絡節(jié)點的軟硬件設計，概要說明智能中心的構建。這樣的系統(tǒng)以物聯(lián)網為基礎，將虛擬和現(xiàn)實相結合，實現(xiàn)了對休閑農業(yè)園區(qū)的智能監(jiān)測和遠程培育，滿足人們對綠色、有機、環(huán)保農作物的欣賞和需求，提升了休閑農業(yè)的趣味性。

20211121_619a0ea7c28f4__基于物聯(lián)網技術的休閑農業(yè)智能監(jiān)測與培育系統(tǒng)