[ 導讀 ] 立足現代農業智能化發展和實際需求，合理選用ZigBee技術、無線組網枝術、傳感器技術、RFID技術、單片機智能控制技術、條碼識別技術、嵌入式TCP/IP技術、GSM通訊技術、GPRS通訊技術、GPS全球定位技術、DTU遠程傳送技術、TTS語音合成技術、自適應網關切換技術等物聯網關鍵

　　0 引言

 　　以感知和智能為特征的新技術的出現和相互融合，使得未來信息技術的發展由互聯網轉向物與物互聯信息主導的物聯網。物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用無線通信、傳感器、RFID等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，將催生一個巨大的新興產業。2009年，溫家寶總理到中科院無錫高新微納傳感網絡工程技術研發中心考察時，提出建立“感知中國”傳感信息中心，更加推動了我國在物聯網領域的技術研究和產業發展。2009年，物聯網技術發展已被列入中國國家級重大科技專項，與新能源、綠色制造等并列為國家五大新興戰略性產業。

 　　物聯網已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義。為抓住機遇，明確方向，突出重點，加快培育和壯大物聯網，根據我國《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》和《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，工業和信息化部制定了《物聯網“十二五”發展規劃》。

 　　目前，我國物聯網在安防、電力、交通、物流、醫療、環保等領域已經得到應用，且應用模式正日趨成熟。在安防領域，視頻監控、周界防入侵等應用已取得良好效果;在電力行業，遠程抄表、輸變電監測等應用正在逐步拓展;在交通領域，路網監測、車輛管理和調度等應用正在發揮積極作用;在物流領域，物品倉儲、運輸、監測應用廣泛推廣;在醫療領域，個人健康監護、遠程醫療等應用日趨成熟。除此之外，物聯網在環境監測、市政設施監控、樓字節能、食品藥品溯源等方面也開展了廣泛的應用。

　　1 物聯網的概念

 　　物聯網的英文名稱叫“The Internet of Things”，簡稱IOT。物聯網的定義是：通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。即物聯網就是“物物相連的互聯網”，這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入物聯網的范圍：

　　(1)要有相應信息的接收器;

　　(2)要有數據傳輸通路;

　　(3)要有一定的存儲功能;

　　(4)要有CPU;

　　(5)要有操作系統;

　　(6)要有專門的應用程序;

　　(7)要有數據發送器;

　　(8)遵循物聯網的通信協議;

　　(9)在世界網絡中有可被識別的唯一編號。

　　2 基于物聯網技術的智能農業應用系統

 　　隨著中國經濟近30年來的快速發展，農業生產資源緊缺和農業對資源消耗過大的問題對農業發展的制約愈發明顯。農業物聯網將先進的傳感、通信和數據處理等物聯網技術應用于農業領域，構建智能農業系統，是解決農業發展滯后問題的有效方法。

　　2.1 基于物聯網技術的智能農業應用系統架構

 　　針對農業的培育、運輸、分配等環節設計了基于物聯網技術的智能農業應用系統，其總體框架模型如表1所列。

 　　本文選用ZigBee、RFID、傳感器、單片機智能控制、Code39、QR解析、嵌入式TCP/IP、GPRS、GSM、GPS、DTU、TTS以及具有自適應切換的網關等技術搭建了智能監測與培育、運輸管理與控制、銷售與溯源這三個子系統組成的應用系統模型。系統模型中所有電路的PCB設計、程序接口、網關以及上位機交互均為自主設計，設計制作功能模塊總計有23種。每個子系統或是模塊都結合實際應用考慮，融合了不同的物聯網技術構架而成。三個組成子系統很好地體現了物聯網的層次結構，解決了農作物從培育到最后銷售各個環節的實際問題。雖然三個子系統功能目不同，但是技術層次上又都是密切關聯的，相互配合達到了智能農業應用系統的要求。

　　2.2 農業智能監測與培育系統

 　　由ZigBee無線傳感器監測網絡及培育控制設備所組成的農業智能監測與培育系統結構如圖1所示。系統由ZigBee網絡、培育控制設備、網關和控制中心組成。其中，ZigBee網絡由多個部署在監測區域內的簇網絡構成，ZigBee節點負責監測溫度、濕度、光強等農情信息采集并通過ZigBee網絡傳送給網關。各種衣情信息對農作物的影響不同，例如光照是農作物進行光合作用的基本條件，在農作物上方安放光照強度傳感器實時監測環境光照強度，能及時掌握農作物生長環境的光照強度;環境溫度的高低直接影響農作物生長速度與發育情況，空氣濕度也是影響農作物生長發育的重要因素，所以要在農作物周圍安放空氣溫濕度傳感器。通過具有自適應切換功能的網關將ZigBee網絡接入傳輸網絡，將數據傳送至控制中心。控制中心將接收到的數據經處理后存入數據庫，根據采集到的信息進行匯總分析，結合專家決策系統發出反饋控制指令，及時、準確地發現問題和解決問題，指導農業生產。通過Internet生產者和技術研究人員就可以隨時隨地監測所采集到的農情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤。負責農作物生產的技術人員將根據其作物的生長實況和實際需求制定合理的培育策略(比如增加溫度、增加濕度、澆灌)，通過將集成有嵌入式TCP/IP協議的培育設備連接到Internet網，通過遠程執行所制定的策略，遠程節點收到信息后會做出響應，例如調節光照強度、灌溉時間、除草劑濃度等等。

 

　　2.3 農產品運輸管理與控制系統

 　　農產品運輸管理與控制系統如圖2所示，由圖1中的遠程控制中心下達控制命令，車輛群上配置有DTU(GPS+GPRS)單元。在車輛離開管理中心后，車輛上所安裝自行設計的DTU單元會將當前車輛的位置信息回饋到控制中心。

 　　通過在運輸車輛上的DTU單元，無線遠程發送回該車輛當前的經緯度、車速、海拔高度、衛星授時時間到遠程控制中心，控制中心再將遠程傳回的GPS數據與電子地圖建立函數對應關系，將運輸車輛擬化為地圖上的一個運動點，就可以對該點的行車路線、行車車速、行車狀況進行透明無誤地監控，從而實現智能控制和管理。通過裝載農作物產品箱體中的傳感器可以監測到農產品在運輸中的溫濕度等信息。控制中心有GSM、GPRS組成的即時語音通信平臺，可以通過中心計算機控制軟件與工作中的運輸車輛取得聯系，對于排除緊急事件和實際難題具有非常明顯的意義。

　　2.4 農產品銷售和分配管理系統

 　　圖3所示是農產品銷售和分配管理系統圖，其設計模型中使用了紙盒來模擬真實的箱體，紙盒的4面都貼有不同的電子標簽。

 
 　　在箱體上集成了4種技術用來識別和驗收貨物：125 kHz頻段下和13.56 MHz頻段下的RFID射頻識別、一維條碼識別、二維QR碼。農產品質量追溯物聯網由讀寫傳感器和電子標簽、讀寫器和查詢的網絡接入與控制數據中心組成。自主研發的模塊用于制作兩種125 kHz讀卡設備：一種適合在Windows下作為HID設備免驅動讀取卡號，卡號可以由上位機進行變更;一種是串口輸出ID號碼的模塊，適合嵌入式的應用。通過電子標簽記錄農產品在培育、運輸和銷售環節的所有信息，并通過Internet系統傳輸到數據中心保存。用戶可以在農產品溯源系統平臺或者超市商品溯源機上，通過查詢農產品的編號獲取該農產品的所有的銷售信息。

　　3 部分模塊設計

　　3.1 自適應切換的網關設計

 　　網關節點是整個智能農業應用系統的重要組成部分，是實現各個子系統網絡與控制中心連接的關鍵網絡設備，能夠根據子系統的網絡連接方式自適應切換，然后通過傳輸網絡發給遠程控制中心，同時對于控制中心所發的指令給予相應的處理。

 
 　　網關的設計包括硬件設計和軟件設計。硬件設計采用基于模塊化、核心板和接口底板分離的思想和嵌入式雙MCU結構設計網關硬件結構，提高了網關節點的抗電磁干擾能力。硬件系統結構如圖4所示，圖中虛線框中的是可選模塊。在底板上集成了多種接入傳輸網的功能模塊，包括以太網、Wi-Fi、GPRS、CDMA等，核心板和底板配合即可構成一個最小的完整應用系統，系統具有體積小、耗電低、處理能力強等特點。采用最小系統核心板加底板方案能夠滿足不同層次的應用，只要根據實際需求通過增刪底板上的功能就可實現，同時也可以方便硬件系統調試。

　　3.2 GPS硬件電路設計

 　　系統設計選用臺灣鼎天科技有限公司的REB3571—GPS芯片組，搭配以自主設計的外圍電路來完成系統硬件底層的構建，其最小電路設計結構如圖5所示。

　　3.3 自主研發的125 kHz免驅讀卡器

 　　自主研發的125 kHz頻段下的免驅USB RFID讀卡器如圖6所示，USB即插即用，免驅動，內置天線，更小巧，使用更靈活，讀卡速度快，可在任何編輯框讀入卡號，還可以定制卡號的格式;可用手持機(PDA)刷卡輸入設備、PC機讀入、POS機輸入設備以及外置讀卡器組件、RFID讀卡節點等。

 　　本設計采用低頻免驅讀頭改進傳統電路，并利用電荷泵原理構建H橋大幅提升線圈功率，同時利用LC配對諧振后，經包絡檢波至非門單元整形濾波去毛刺修波形，最后得到干凈的Manchester時序輸出，再通過低成本、低功耗的STC51MCU譯碼并以ps/2時序輸出至后級ps/2轉USB芯片輸出。

　　4 結語

 　　將物聯網技術應用于農業是農業信息化、智能化發展的趨勢。本文設計了一種基于物聯網技術的智能農業應用系統，并介紹了系統的總體結構部分的模塊設計方法，從而實現農作物生產過程、農產品流通及溯源之間的信息化與智能化管理。

 

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