基于zigbee的智能农场系统方案论文Word文档下载推荐.docx

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摘要

物联网作为信息产业的第三次浪潮,在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题,例如分布在广域空间的信息获取,高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等,将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。

农业生产过程中,温度、湿度、光照强度CO₂浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长,传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力管理上述环境参数,无法达到准确性要求,要实现现代农业的智能化管理,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。

因此,本文设计了基于物联网的智能农业监测系统,该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。

为了提高农业生产效率，降低人工劳动量，实现农业生产的智能化，设计了基于ZigBee无线传感器网络的智能农业管理系统。

系统实现了对设施农业的空气温度、土壤温湿度、光照度、CO₂浓度等数据信息的采集、传输和处理，并能对农作物生长环境进行自动调节，使农作物处于最佳生长环境，有效提高农作物产量，具有很高的实用推广价值。

关键词：

ZigBee；

监测系统；

智能农业；

农业物联网；

ABSTRACT

Asthethirdwaveintheinformationindustry,TheInternetofThingsapplicationsinagriculturewillbeaddressedinaseriesofscientificandtechnicalissues,suchasobtaininginformationfromwideareaspatialdistribution,realizingefficientandreliabletransmissionofinformationandmakingintelligentdecisionsfordifferentapplicationrequirementsandenvironments,anditwillbetheboosterandacceleratortoachievethetransitionfromtraditionaltomodernagriculture.Intheprocessofagriculturalproduction,avarietyofnaturalfactorssuchastemperature,humidity,illuminationintensity,theCO₂concentration,moisture,andotherelementsjointlyaffectthegrowthofcrops.Traditionalagriculturalmanagementisfarfromreachingthestandardsofmeticulousmanagement,whichcanonlyberegardedasextensivemanagement.Inthisway,managingtheenvironmentalparametersbyhumanperceptionisunabletomeettheaccuracyrequirements.Toachievetheintelligentmanagement,theestablishmentofapractical,reliable,long-termmonitoringagriculturalenvironmentalmonitoringsystemisverynecessary.Forthisreason,anintelligentagriculturemonitoringsystemisdesignedinthispaperbasedonTheInternetofThings.Thesystemcangetthecropgrowthenvironmentalinformationaccuratelyandinreal-time,itcanalsomonitortheseinformationremotely.

Inordertoimprovetheefficiencyofagriculturalproduction，reducetheamountoflabor，achievetheintelligentagriculture，asmartagriculturalmanagementsystembasedonZigBeewirelesssensornetworkswasdesigned．Thesystemcancompletethecollection，transmission，processingofthefacilityagriculturedataandinformation，suchasairtemperature，soiltemperatureandhumidity，lightintensity，carbondioxideconcentration，andcanautomaticallyadjustthecropgrowthenvironment，makethecropsinthebestgrowingenvironment．Therebythesystemcaneffectivelyincreasecropyieldsandhashighpracticalvaluetopopularize．

Keywords:

ZigBee；

intelligentagriculture；

AgricultureofThings

第一章绪论

1.1课题的研究背景

农业历来被认为是稳民心、安天下的产业,我国人口占世界总人口的22%,耕地面积却不足世界耕地面积的7%,一直创造着以不足世界7%的耕地养活世界近22%人口的奇迹。

随着经济的高速发展,资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾越来越突出,我国传统农业在走过了近30年的以资源换产量、以高投入换粮食增产的道路后不得不面对因基础薄弱、科技含量不足、生产技术落后而导致的农业产量增长缓慢、生产效益低下、农业不能得到很好的发展等诸多问题。

我国要发展现代化信息化农业,同样有诸多问题亟需解决,例如资源紧缺的问题,仅水资源紧缺就会严重影响我国农作物产量,还有生态环境恶化的问题,生态环境退化会带来非常严重的土壤退化,不利于我国农业长期发展,还有我国农产品安全问题将直接影响国民的正常生活。

为了保障我国农产品的产量供给,同时保证我国农产品食物安全和农业生态环境安全,提高农业生产经营精细化管理水平,实现农村经济可持续发展,我们必须根据农业发展的实际需求,掌握农业领域的关键技术,加快发展现代化、信息化、智能化农业,达到提高我国农产品质量和生产效率、降低生产成本、合理利用农业资源、改善生态环境的目的,从而推动农村经济迅速发展并推动中国经济高速增长。

作为信息产业的第三次浪潮,物联网技术可以在土壤和水资源的可持续利用、生态环境监测、农业生产过程精细化管理、农产品与食品安全可追溯系统和大型农业机械作业服务调度、远程工况监测与故障诊断等多个农业领域发展。

物联网技术通过信息感知技术可以获取更多的信息,包括作物信息、农业环境信息、农机作业信息等,为智能农业提供更加丰富的实时信息,通过全面互联共享可以获得更多的网络服务,提高智能农业科学决策水平和作业实施水平。

物联网技术必将为改造传统农业,改变农业增产方式,发展信息化、智能化、可持续发展的现代农业发挥重要作用,引领我国现代农业的未来发展。

我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中,明确将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”,“农业物联网技术”己经纳入“十二五”“863”计划发展纲要,作为物联网重要分支之一的农业物联网技术必将在我国具有广阔的应用前景。

1.2课题研究的目的与意义

1.2.1课题研究目的

在农业生产过程中,温度、湿度、光照强度、C02浓度、水分、以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物生长。

传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力来管理上述环境参数,是无法达到准确性要求的。

而智能农业,是通信、计算机和农学等若干学科和领域共同发展并相互结合所形成的产物,它将信息采集、传输、处理和控制集成在一起,使人们更容易获得农作物生长各个阶段的各类信息,也让人们更容易掌控这些信息,通过人工智能与农业生产的结合真正实现人与自然的交互。

智能农业的核心问题可以概括为以下四部分,即农业信息的获取、对所获取信息的管理、经信息分析做出的决策、由决策而决定的具体实施方针,在这四部分中,对农业信息的获取是智能农业的起点,也是非常关键的一点,做不到准确实时的获取农业信息,就无法建造真正的智能农业。

而实现智能农业,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。

随着通信、计算机、传感网等技术的迅猛发展,将物联网应用到农业监测系统中己经是目前的发展趋势,它将采集到的温度、湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度、植物生长状况等农业信息进行加工、传输和利用,为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持,追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出,使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变,使不可控的产业得以有效控制。

本文采用无线传感器网络技术,将物联网与农业信息的采集相结合,设计了基于zigbee的智能农场设计系统,目的是实现目标监测区域内,无线传感器网络节点的自动组网、影响农作物生长的环境参数的实时采集以及上位机监测软件的数据分析和远程监测,同时为了降低传感器节点的能耗、提高采集数据的准确度,提出了KDF算法用于数据处理。

1.2.2课题现实意义

与传统的农业系统相比,本文设计的智能农场设计系统有以下优点:

（1）无线传感器节点能够自动组网。

当网络中的某个节点因电池耗尽或者节点出现故障等原因停止工作时,传感器网络中的节点个数会动态的增加或者减少,整个传感器网络的拓扑结构会随之发生相应的变化。

本文设计的无线传感器节点,能够在无任何人工帮助的情况下,通过控制网络拓扑机制和遵守网络形成协议来自动形成具有转发大量监测数据功能的多跳自组织网络,并且能够保证网络形成后一直工作,具有很高的鲁棒性和可靠性。

（2）无线传感器节点能够实现低功耗并且获得高准确度的数据。

由于传感器节点尺寸小,只能采取电池供电,而电池能量有限,传感器节点均分布在田间,数量庞大且分布广泛,经常更换电池会带来非常繁琐且繁重的工作量。

如何减少节点的功耗,延长节点寿命,对于整个系统网络的稳定、高效运行是至关重要的,同时,由于采集和传输过程中周围环境的干扰,数据的准确性有待提高。

本文采用基于卡尔曼滤波的数据融合方法解决这两个问题。

在无线传感器网络中,处理器进行数据计算所消耗的能量,远远小于数据在通信过程中消耗的能量,本文的数据融合,是在节点采集数据之后到发送数据之前进行的数据冗余处理,有效减少了无线传输过程中的数据传输量,达到节能的目的,并且卡尔曼滤波可以有效消除感知数据的干扰及不确定性,从而获得更加准确可靠的环境参数数据。

（3）系统实现资源共享。

将Web协议移植到系统中,将系统通过Tomcat服务器在线发布,系统便可以接入到Internet中,实现“底层（传感器）一Internet网络一远程监控”的结构,能够将整个系统的信息发布到互联网上,既可以随时随地对影响农作物的环境参数进行监测,又实现了农业信息资源的共享,为今后物联网在农业环境监测领域中的进一步研究与探索奠定了重要的技术基础。

（4）网络部署方便。

传感器节点在监测区域要大量部署,为了对目标系统本身特性不构成影响并且方便部署,传感器节点体积要尽可能小。

本系统中的节点采用微型化设计,部署一次就可以长期稳定工作,不容易受到人为因素的影响。

（5）系统实现低成本。

系统中传感器节点数量庞大且功能简单,单个节点的造价能够极大的影响整个系统的成本。

所以,在保证节点性能的前提下应该尽可能降低单个节点的成本,本系统的传感器节点在保证电路正常、稳定工作的前提下,采用尽可能少的使用电子元器件的方式设计,有效降低整个系统的成本。

（6）系统实现高精度采集。

无线传感器节点具有一定的存储和计算能力。

尽管无线传感器节点网络分布密度大且数据采集量大,每个节点均能将监测区域釆集到的大量环境信息高精度地传至上位机存储分析。

第二章智能农场开发基础

2.1物联网简介

2.1.1物联网内涵

物联网（TheInternetofThings,IOT）,既“物物相连的互联网”。

目前,关于物联网比较准确的定义是:

物联网是通过各种感知设备和系统、条码与二维码、全球定位系统,按照约定的通信协议,将物与物、人与物、人与人连接起来,通过各种接入网、互联网等网络进行信息交换,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络,在这种网络中,每一个物件都可以寻址,每一个物件都可以控制,每一个物件都可以通信。

物联网与传统的互联网是有着本质区别的,二者的区别在于:

首先,物联网是对具有全面感知能力的物体和人的互联集合,物联网全面感知的目的是随时随地对物体进行信息采集和获取,采用的技术手段主要有RFID技术、二维码技术、GPS技术、传感器技术、无线传感器网络等。

物联网作为各种感知技术的综合应用,其应用过程需要多种类型的传感器,这些能够捕获不同信息且具有不同信息格式的传感器都作为不同的信息源,按一定规律采集所需要的信息,并且传感器上传的数据具有实时性;

其次,物联网对数据具有可靠传送能力,物联网上的传感器数量极其庞大,形成了海量的采集信息,这就要求物联网必须适应各种异构网络和协议以确保传输过程中数据的正确性和及时性,物联网是一种建立在互联网上的网络,作为互联网的延伸,物联网能够遵循约定的通信协议,通过相应的软硬件实现规定的通信规则,将各种有线和无线网络与互联网融合,准确实时地将采集到的物体信息传递出去;

最后,物联网能够实现智能处理,智能处理可以说是物联网最为核心和关键的部分,也是物联网能够得到广泛应用的基础,它能够综合应用当前各个学科比较前沿的技术,对己经经过感知层全面感知和传输层可靠无误传输的数据进行全面的分析和处理,为人们当前从事的各种活动作出指导,这种指导具有前瞻性,且通常是智能化的,并且在物联网中,不仅仅提供了传感器与互联网等各种网络的连接,物联网自身也可以进行智能处理,具有对物体实施智能控制的能力。

物联网将传感器技术和智能处理技术相融合,结合云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。

2.1.2物联网体系结构

根据物联网的基本特征,物联网的体系结构被分为物联网的感知层、物联网的网络层、物联网的应用层三个层次。

物联网的感知层是物联网发展和应用的基础,这一层的功能是使用传感器进行物理世界信息的采集。

这一层最常用到的技术有射频识别技术、传感技术、远程操作技术以及ZigBee技术等。

物体本身不具备通信能力,感知层用传感器和RFID技术对各种物体进行标识,通过短距离无线通信技术等通信子层的通信模块与网关交互信息。

感知层设备具有多种延伸网,包括传感网、无线个域网（WPAN）、家庭网、工业总线等,也可以先组成延伸网再与网关交互。

物联网的网络层建立在现有的移动通信网和互联网基础上,网络层的主要作用之一是利用可以连入互联网的各种类型的网络,将数据和控制指令进行安全可靠、准确有效的传输,同时实现数据传输过程中的通信算法。

对感知层上传的数据进行存储分析也是物联网网络层的重要组成部分,是应用层众多应用的基础。

物联网的应用层实现了研究和开发物联网的目的和意义,这一层在前两层的基础上,结合相应的软、硬件幵发和智能控制技术,为人们呈现出一个无限互联、满意服务、随心控制的全新世界。

该层包括为物联网应用提供通用支撑服务和调用接口的应用支撑子层以及各种具体的物联网应用fioj,物联网的具体应用可以分为监控类型的应用,比如物联网在智能环保和智能司法方面的应用;

控制类型的应用,比如物联网在智能交通和智能家居方面的应用;

查询类型的应用,比如物联网在智能城市和智能交通方面的应用;

扫描类型的应用,比如物联网在手机钱包和高速公路不停车收费方面的应用。

总之,物联网可以应用到与人们生活息息相关的各个领域。

对物联网的研宄仍在继续,物联网的应用领域也正在不断拓宽,随着各项支持物联网的技术的发展,物联网一定能够带给人类更便捷、更贴心的应用。

2.2农业物联网

2.2.1农业物联网内涵

当前,我国正处在从传统农业向现代农业迅速推进的过程当中,现代农业的发展从生产、经营、管理到服务,各个环节都迫切呼唤信息技术的支持。

物联网浪潮的到来,为现代农业的发展创造了前所未有的机遇,改造传统农业并发展现代农业,迫切需要使用物联网技术对大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等农业行业领域的各种农业要素实施数字化设计、智能化控制、精准化运行和科学化管理,从而实现对各种农业要素的“全面感知、可靠传输和智能处理”,进而达到高产、高效、优质、生态、安全的目标。

物联网技术在经过十几年的在农业领域的实际应用和不断发展,已经与农业领域紧密结合,形成了农业物联网。

研究农业的著名学者、中国农业大学李道亮教授在经过十几年对信息化技术在农业领域应用的探索和研宄以后,给出如下结论:

“农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用,即运用各类传感器、RFID等感知设备,广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等农业相关信息;

通过建立数据传输和格式转换方法,充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道,实现农业信息的可靠传输;

最后将获取的海量农业信息进行融合处理,并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易,进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。

从该定义可以看出,农业物联网可以通过感知技术获取更多的数据信息,包括作物信息、农田环境信息、农机作业信息,通过传输技术为我们的农业提供更加丰富的实时信息,通过全面互联共享获得更多的网络服务,通过智能决策提高农业科学决策水平和作业实施水平。

2.1.2农业物联网体系结构

农业物联网属于交叉学科,是物联网技术在农业领域广泛应用的产物,农业物联网体系划分可以参照物联网体系划分的标准。

农业领域的信息要经过产生、传输、处理和应用四个过程农业物联网相应的被分成如图2-1所示的四层模型。

图2-1农业物联网的体系结构

感知层利用传感器、RFID、GPS、RS和条码技术等各种感知技术,借助各种设备和手段,对自然界中存在并且对农业生产有意义的各类数据信息进行获取,实现“物”的识别。

传输层具有完成大范围内信息传输与广泛互联功能,能够将现有的广域网技术与感知层的传感网技术相融合,把感知到的农业信息无障碍、快速、安全、可靠的传送到需要信息的地方,使物品在全球范围能实现远距离大范围通信。

处理层通过云计算、数据挖掘、模式识别、预测预警等信息处理技术,实现最终的信息技术与行业的深度融合,完成物品的信息汇总、共享、预测和分析决策等功能。

应用层是农业物联网体系结构的最高层,是面向终端用户的,可以根据用户的不同需求搭建不同的操作平台,农业物联网的应用主要实现了大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品交付过程中管理者的直接参与,通过农业物联网,管理者可以更快的获取各类信息,对于突发情况,管理者可以做出更及时的反应,通过远程控制,管理者可以实现对整个农业生产线更精细的管理,管理者可以从物联网多个应用角度出发对农业进行管理,达到农业生产高产、优质、高效、生态和安全的目标。

2.3农业物联网的关键技术

ZigBee技术是一种基于IEEE802．15．4协议标准新兴的短距离、低复杂度、低成本、低功耗、双向无线通信技术。

ZigBee可在2．4GHz、868MHz和915MHz等3个免费频段上工作，并且最高传输速率分别可达250、20和40kb/s，其各自信道的带宽也不同，分别设有16、1和10个信道。

ZigBee根据输出功率和信道环境的不同，可靠传输距离为10～75m，一般在30m左右。

耗电量在休眠状态下仅为1μW。

在短距离通信的情况下，其工作状态的耗电量为30mW。

为了避免发送数据时的竞争与冲突，ZigBee的介质接入控制子层（MAC）采用了载波监听多路访问\冲突防止（CSMA\CA）的碰撞避免机制。

ZigBee联盟在ZigBee的网络层（NWK）制定了星型、树型和网状网3种网络拓扑结构。

每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。

因此，Zig-Bee的技术特性决定了它是无线传感器网络的最佳选择。

2.3.1ZigBee技术特点

ZigBee是一种新兴的低成本、低功耗、近距离、低数据速率、低复杂度的无线网络通信技术。

主要用于近距离无线连接。

它依据802.15.4标准，在数千个节点之间相互通信。

这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线将数据从一个节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

低功耗：

ZigBee采用了多种节电模式，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的正常使用时间。

通信可靠：

采用了CSMA/CA的碰撞避免机制，每次发送数据都必须等待对方确认，避免了发送数据时的竞争和冲突；

网络容量大：

理论上可支持达65000个节点。

可以满足大部分网络组网。

自愈性强：

对于增加或删除节点，节点位置发生变动，节点发生故障等，ZigBee网络都能够自我修复，能够相应地调整网络拓扑结构，保证整个系统仍然能正常工作。

自组织性强：

ZigBee网络节点自己能够感知其他节点的存在，并确定连接关系并组成网络。

时延短：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128算法。

2.3.2ZigBee协议构架

ZigBee协议是在IEEE802.15.4标准基础上建立的。

完整的ZigBee协议应包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：

网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。

ZigBee协议的每一层负责完成所本层规定的任务，并且向上层提供服务。

ZigBee协议构架如图2-2所示。

图2-2ZigBee协议结构

ZigBee堆栈的不同层与802.15.4MAC通过服务接入点（SAP）进行通信。

SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。

ZigBee堆栈的大多数层有两个接口：

数据实体接口和管理实体接口。

数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。