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智能農業論文:山東農業大學圖書館RFID智能管理系統實施的基礎

摘 要：文章通過分析山東農業大學圖書館實施RFID智能管理系統，介紹了圖書館RFID智能管理系統的原理和特點，根據山東農業大學圖書館的實際情況對老舊圖書館館舍進行改造，以適應圖書館RFID智能管理系統要求，調整整個圖書館館藏結構，以及與圖書館RFID智能管理系統相匹配的芯片加工和轉換數據等一系列基礎工作，深刻解讀了圖書館實施RFID技術所需的圖書館基礎支持。

關鍵詞：山東農業大學圖書館 RFID技術 應用基礎

目前國內在圖書館管理系統中普遍采用的是“安全磁條+條形碼”的技術手段，以安全磁條作為圖書的安全保障，以條形碼作為圖書的身份證，雖然解決了圖書管理中的些許問題，但是圖書順架、排架困難，讀者查找圖書以及館員清點館藏數量繁瑣耗時，圖書館管理自動化程度低，缺乏人性化，而且磁條容易消磁、老化，防盜效果差，安全系數低等一系列問題需要解決；同時圖書館管理人員強烈意識到在新的形勢下，需要大幅度提高圖書館管理的信息化程度，現代圖書館需要做到圖書自動盤點、自助借還，圖書區域定位、自動分揀以適應圖書館當前發展的需要。因此，2012年山東農業大學圖書館成功實施了RFID智能管理系統，圍繞RFID項目的實施圖書館開展了許多基礎性的工作。

1 圖書館RFID智能管理系統的原理與特點

RFID是一種利用射頻通信實現的非接觸式識別技術，即無線射頻識別，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。它利用先進的RFID技術，將門禁、校園卡、圖書標簽、標簽轉換裝置、自助借還機、移動盤點平臺和館員工作站系統軟件融合為一體，實現了迄今最便捷的圖書管理自助功能。它具有以下特點。

（1）簡化讀者借還書手續，縮短了圖書流通周期，提高圖書借閱率，提升圖書館服務水平，充分發揮圖書館公共服務職能。

（2）利用移動盤點平臺為圖書館提供全新盤點模式，降低管理人員的勞動強度，大幅提高圖書盤點及錯架圖書整理效率。

（3）圖書定位使讀者方便快捷查找錯架圖書，挖掘出潛在圖書資源，提高圖書資料利用率。

（4）安全門禁系統支持離線與在線工作模式，未借出圖書通過門禁時，系統會自動發出聲光報警，防止圖書被帶出圖書館，防盜技術更強，系統更安全、可靠。（如表1所示）

2 圖書館實施RFID智能管理系統的基礎保障

隨著圖書館長期的文獻積累，無限增長的館藏文獻和有限的圖書館館舍面積成為制約圖書館發展的尖銳矛盾；同時也無法適應RFID圖書館管理系統要求的一門式管理模式。圖書館首先對原有圖書館館舍進行了大規模地改造工程，圖書館的原有建筑是框架結構，大開間、大跨度，改造工程只需要將原來各個獨立書庫、閱覽室的隔墻打開，將其合并形成開放式的借閱。

2.1 圖書館館舍的改造與利用

由于農大圖書館是20世紀90年代建成的老式圖書館，隨著學校大規模的擴招在校學生數量猛增，教師隊伍也隨之發展壯大，圖書館讀者群數量同時隨之增多，而圖書館館舍面積維持在原有的基礎上沒有大的改觀，使得圖書館借閱環境和閱覽空間緊張，同時對門廳進行改造，安裝了RFID項目的安全門禁系統及電子大屏幕，充分利用圖書館有限的館舍面積，提升了圖書館的整體形象，同時改善了圖書館愉悅的學習環境、溫馨的文化氛圍和濃厚的人文氣息，為RFID項目的實施提供基礎。

2.2 圖書館文獻資源結構的調整

2.2.1 首先對改造后的圖書館館藏文獻進行館藏結構調整

圖書館館員對各個時代的文獻資源進行甄別，部分脫離時展的舊觀念、舊知識、舊技術以及部分老化、破損、低借閱率的圖書文獻進行剔舊處理。調整初期遵循圖書館文獻剔舊工作的原則和規律，從該館整體館藏文獻的針對性、完整性、系統性、未來發展等方面綜合考慮，本著藏以致用，高效服務，發揮館藏功能，滿足讀者需求的原則，以及保持該館館藏文獻體系的完整性、科學性，館藏的專業性與任務相一致的原則，對原有館藏文獻保留了各個時期具有經典性、代表性的著作，摒棄過時、陳舊的內容和學術觀點，增強藏書活力和利用率，節約藏書空間，保證館藏文獻有效地反映最新知識和科技成果。

農大圖書館是學校教學、科研的信息服務中心，具有符合學校教學、科研發展的館藏文獻特色。在長期的圖書館館藏文獻建設中，突出與學校專業發展相適應的館藏文獻的收藏；有超前服務的藏書思想，對于一些與學校專業設置相關的領域以及專業拓展的書籍，圖書館館員要有能力做出判斷，在藏書剔舊過程中，對于非專業性圖書的剔除從寬處置，一般普及性圖書及發展較快的應用科學圖書，保存期可以短些，而對于專業性圖書的剔除要從嚴處置，避免造成文獻的流失。并在工作過程中按照該館文獻剔舊工作統一的標準執行，如，內容陳舊，不宜久藏的圖書；復本量過多，長期壓架無人利用的圖書；破損的、質量低劣的圖書；專業不對口的圖書，圖書館館員根據該館讀者需求、館藏特色對部分圖書進行剔舊，同時設置密集書庫。對尚有一定參考、利用價值的書刊，做下架處理，移至密集書庫，并在自動化系統中，標明此書在密集庫，以供少數讀者查閱。這樣既保留了館藏資源，又使得館藏資源不流失。優化了館藏結構。

2.2.2 對剔舊后的圖書文獻資源進行數據結構調整，以適應圖書館RFID技術的應用

對于原有圖書館館藏結構進行了全面調整，按照圖書館RFID智能管理系統的要求，圖書館將實行開放式、一門式服務，根據改造后圖書館館舍的實際情況，對原圖書館各書庫、閱覽室的圖書、期刊文獻資源進行調整、合并，按照大類分別放置，保存了原有工具書庫，將其與過期期刊合并存放成為綜合借閱室，而現刊則根據圖書按照大類歸屬于各個書庫，形成了以第一和第二自然科學借閱室，以及第一和第二社會科學借閱室和綜合借閱室為基礎的開放式服務模式，滿足了圖書館RFID智能管理系統借閱模式的需求。

山東農業大學選用的是遠望谷集團公司的圖書館RFID智能管理系統，必須通過標簽轉換系統將RFID唯一識別信息與圖書唯一條形碼信息實施綁定，并將RFID技術與現有圖書館管理系統（ILAS）掛接，實現對圖書、讀者詳細信息的訪問，從而將RFID技術集成到現有圖書館管理（ILAS）系統中，實現與現有圖書管理軟件（ILAS）的無縫鏈接。因此，圖書館需將調整合并后的圖書館文獻資源進行加工、整理，對缺失書標的圖書補貼書標，有利于順架工作的開展，將完成調整的圖書由原來的館藏地點轉換到新的館藏地點，即轉館藏，對每一本圖示進行夾芯片（RFID電子標簽）工作，并通過標簽轉換裝置將數據信息轉換到芯片（RFID電子標簽）上，就是轉數據，這些工作的順利完成使圖書館原有的條形碼借閱模式改為圖書芯片借閱模式，為RFID技術在圖書館的應用提供了基礎保障。

3 圖書館實施RFID智能管理系統的體會

山東農業大學校本部圖書館實施RFID圖書館智能管理系統，安裝聲光報警系統以及視頻監控系統，極大地提高了圖書館的安防能力，改變了借閱模式和管理模式，由獨立分散管理變為開放式統一管理，由各獨立個庫室變為藏借閱合一的借閱模式，增加閱覽桌椅，增加館藏面積，優化館藏結構，提高館藏質量，增強讀者的自由度，實現了圖書精確定位，便于讀者快速查找，自助借還模式方便讀者借閱，提高館員服務水平。為便于整個圖書館的統一管理，建議南校區圖書館可以實施RFID系統，實現圖書館統一借閱模式、統一管理模式，方便讀者利用圖書館，提高圖書利用率，節約圖書館館舍，提高館藏數量和質量，提升圖書館的服務水平。

4 結語

圖書館RFID智能管理系統的順利實施，簡化了讀者借還圖書的手續，改變了圖書借還流程，變手工借還為自助借還，改進了圖書館讀者服務質量，縮短了圖書流通周期，提高了圖書的流通率；為圖書館員提供了全新的盤點模式，即利用移動式或手提式盤點系統，對所需盤點圖書的書架進行掃描，通過無線網絡傳輸將數據錄入數據庫，快速地完成圖書盤點，極大地降低了圖書館館員的勞動強度；RFID安全門系統實現零誤報避免讀者與館員之間的矛盾，管理更加人性化，安全系數大大提高；同時RFID館員工作站打造一體化的圖書管理系統，極大地減輕了圖書館員在藏書管理和流通服務上的勞動強度，提高了圖書館的服務水平。

智能農業論文:農業機器人智能充電系統設計

摘 要： 針對農業機器人的充電現狀，設計了基于PIC16F887和UCC3895的農業機器人智能充電系統。該系統采用UCC3895對全橋變換器進行移相控制，在較寬范圍內實現了軟開關。采用單片機PIC16F887控制充電電路的啟停以及實現過壓、欠壓、過流保護，并對充電過程進行了實時管理，將充電數據進行實時顯示并向上位機傳輸保存。實驗證明，充電系統功能完善、性能穩定、充電快速、功耗低。

關鍵詞： 農業機器人； ZVS； UCC3895； PIC16F887； 充電控制

0 引 言

中國作為一個農業大國，農業生產的規模化和精準化是現代化農業水平的重要標志。農業機器人在改善農民勞動環境、降低農民勞動強度和提高勞動效率等方面具有重要意義，尤其在育苗、采摘、灌溉、收獲等方面得到了一定程度的應用 [1?2]。因此國家已把農業機器人技術及其應用列為農業工程領域的重點研發對象之一。但農業機器人技術在推廣過程中受到了時間和空間的限制，其主要原因就是機器人動力源問題。因此作為機器人動力源的蓄電池以及能量補給的充電系統就顯得尤為重要[3]。調查表明，現在的蓄電池由于充電設備落后、充電方法不當導致其使用壽命只有2～3年，遠低于其設計指標10～15年的要求，既增加了使用成本又造成了資源的極大浪費。

目前，一般的蓄電池充電系統完成一次充電需要8～12 h，顯然無法滿足機器人對充電系統的要求以及生產的需要。因此設計一種快速、高效和安全的智能充電系統是農業機器人技術得到大力發展的重要前提。本文以80 V機器人車載鉛酸蓄電池為研究對象，設計了基于UCC3895和PIC16F887的充電系統，此系統實現了充電過程的高效、快速、穩定并具有充電過程管理功能。

1 充電系統總體設計

為了做到高效快速的充電，又能實時掌握整個充電過程電池的狀態，充電系統由兩個模塊組成：上位機監控管理模塊和下位機充電模塊。系統的總體設計框圖如圖1所示。

本系統的核心是充電模塊，主要由充電主電路和控制電路組成。充電主電路由輸入整流濾波、DC/DC變換器、輸出整流濾波三部分組成；控制電路由UCC3895控制芯片、單片機PIC16F887、檢測電路和外圍電路組成。系統通過檢測充電電壓和充電電流實現電壓、電流的閉環控制；上位機監控管理模塊完成與單片機的通信，實現對充電電壓、電流以及電池溫度等數據的顯示保存，并為后期系統功能的改進提供數據支持。

2 硬件電路設計

2.1 充電主電路的設計

三相交流電經輸入濾波、整流后得到直流電壓，該直流電壓又作為DC/AC逆變器的母線輸入。經DC/AC逆變器變換后得到高頻脈沖電壓，再由高頻變壓器進行隔離變換，經過輸出整流濾波得到充電所需的直流電壓。

本文采用ZVS移相全橋變換器作為逆變器，其工作波形[4]如圖2所示。其主電路拓撲是利用開關管的輸出電容或外接并聯電容與變壓器自身的漏感或原邊串聯電感進行諧振，諧振電感儲存的能量向電容[C1～C4]釋放，使開關管兩端電壓下降到零并使反向并聯二極管導通，由此實現開關管零電壓開通和關斷。系統選用IGBT模塊作為開關器件，為了減小大電壓和大電流對IGBT的沖擊，設計了RC吸收電路[5]。

2.2 充電控制電路設計

2.2.1 檢測及信號處理電路設計

輸入檢測電路主要負責采集母線電壓與電流信號。信號處理電路1將此模擬信號進行變換送入UCC3895的CS端，實現對全橋變換器滯后臂驅動信號占空比的控制；并將其變換后送入PIC16F887的A/D輸入端，實現對充電主電路的過壓、欠壓和過流保護。輸出檢測電路[6]主要負責采集充電電壓、電流、溫度信號，信號處理電路2將得到的模擬信號進行變換后送入UCC3895，實現對IGBT驅動信號占空比和相位差的控制；并也將其送入PIC16F887的A/D輸入端，實現對充電主電路的啟停、顯示和報警控制。

2.2.2 UCC3895控制電路設計

本文選取UCC3895作為全橋變換器的移相控制芯片[7]。UCC3895芯片是Texas Instruments 公司生產的專用PWM移相全橋變換器新型控制芯片。該芯片在UCC3875的基礎上增加了PWM軟關斷能力與自適應死區設置功能，能夠適應負載變化時不同準諧振條件下的軟開關要求。UCC3895采用低功耗的BICMOS工藝，其工作頻率、效率、可靠性得到大幅度提高。通過連接不同的外圍電路，使其電壓工作模式和電流工作模式可以進行切換，并且軟啟動/軟停止可按要求進行調節。

UCC3895主要功能是實現閉環控制。母線電流經檢測和變換后送至UCC3895的CS端，如果母線電流增大，CS電壓升高形成斜波信號，該信號與UCC3895的CT引腳產生的鋸齒信號比較后送UCC3895進行計算，輸出可改變占空比的滯后臂驅動信號。如果母線電流瞬間增大，使CS引腳的電壓超過2.5 V，UCC3895就會關斷PWM輸出。從而防止過流燒毀IGBT器件。

UCC3895還內置了可以調節PWM輸出占空比的誤差放大器EA，它在UCC3895上有3個端口：EAP端pEAN端和EAOUT端。當EAOUT端輸出小于500 mV時，UCC3895停止PWM輸出，當EAOUT端輸出大于600 mV時，恢復PWM占空比調節功能。在本設計中，誤差放大器EAN和EAOUT接成跟隨電路，將充電電壓、電流信號經檢測和變換后送至UCC3895誤差放大器EAP端，當充電電壓或電流大于給定值時，EAP電壓減小，導致EAOUT電壓下降，UCC3895自動增加超前臂和滯后臂驅動信號的相位差。UCC3895控制框圖如圖3所示。

2.2.3 單片機控制電路設計

本文選用美國微芯科技公司生產的PIC16F887單片機作為充電系統控制芯片[8?9]。PIC16F887自帶A/D轉換功能，將檢測電路采集的充電電壓、電流和溫度轉換成數字量，通過程序控制IGBT驅動信號的占空比，并把數據進行顯示的同時傳給PC機進行存儲。將采集的母線電流、電壓信號變換成數字量，通過程序完成主電路的過壓、欠壓和過流保護。

2.3 通信接口電路設計

由于單片機與上位機的接口電平不同，因此通信電路采用RS 232總線技術和美信MAX232轉換芯片，既實現了20 m左右的異步通信，又實現了充電過程中蓄電池的充電電壓、電流和溫度等信息的保存。上位機與下位機通信RS 232接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 單片機控制程序設計

充電系統以硬件電路為基礎[10]，通過程序控制完成了預充電、大電流恒流充電、恒壓充電、小電流恒流充電和涓流充電五個充電階段，充電程序控制流程如圖5所示。

3.2 人機交互界面軟件設計

充電系統上位機人機交互界面以VC作為開發工具。通過模塊化劃分管理，設置了登陸、電池充電狀態、充電數據、打印記錄等菜單。用戶可以清晰地掌握蓄電池的充電狀態、充電電壓、充電電流、溫度等信息。

4 試驗結果分析

通過不斷的計算和調試，使電路參數設計達到了最優。圖6和圖7表明輕載時超前臂和滯后臂的IGBT都實現了ZVS，大大降低了充電電路的功率損耗，提高了充電效率。

5 結 論

本文設計了農業機器人充電系統的主電路和控制電路，編寫了相關控制程序，實現了五階段智能充電。系統硬件設計采用UCC3895和PIC16F887對全橋變換器進行移相控制，實現了IGBT模塊的ZVS，大大降低了功率損耗。實驗證明，此充電系統結構簡單，充電快速，充電效率高，功能完善，具有廣闊的應用前景。

智能農業論文:基于ZigBee與GPRS的智能農業傳感節點的設計

【摘要】 本文設計了一個可以遠程采集農業大棚中光照強度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度的智能農業傳感節點。本設計通過使用CC2530芯片和SIM600A芯片，將ZigBee協議與GPRS協議相結合，使得傳感節點同時兼具終端節點和中繼節點雙重功能。經過測試，本設計具有采樣精度高、組網快、組裝方便等特點。

【關鍵詞】 CC2530 ZigBee 智能農業 傳感節點 GPRS

一、引言

現代社會早已進入信息化的時代，物聯網技術正在逐漸向工業、商業、醫藥衛生、交通、農業等領域滲透。同時，具有無線傳感、遠程控制、自動組網及智能計算的傳感網絡極大地方便了人們的生產與生活。調查顯示，我國目前的農業智能化普及率只有不到1%，但是市場需求年增長接近50%，由此可見智能農業還有極大的發展空間。本文設計了一種基于CC2530芯片的智能農業傳感節點，通過使用低功耗、可靈活組網的ZigBee技術以及可以連接互聯網的GSM技術實現了遠程采集農業大棚里的光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度和土壤濕度的功能。傳感節點采用低功耗設計，成本低廉，可以輕松地推廣。

二、原理與結構

本文設計的智能農業傳感網絡節點需要實現環境傳感和無線傳輸兩大功能。環境傳感既采集農業大棚里的環境光照強度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度。無線傳輸上，本文設計的節點能夠實現終端節點和中繼節點兩種角色。終端節點只能采集數據并發送給中繼節點，而中繼節點不僅保留采集數據的功能，還可以匯集終端節點傳來的數據，并通過GSM模塊將數據傳送到互聯網服務器。此外，本設計的節點還可以通過顯示屏實時顯示采集的結果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整個系統由5V電源適配器通過DC005接口直接接入供電。圖1中給出了本設計無線智能農業節點的結構原理圖。

三、系統硬件設計

3.1環境物理量傳感器模塊

圖2 SHT11與主控制器通信電路示意圖

空氣溫濕度采用瑞士進口的SHT11芯片進行測量，該芯片溫濕度反應靈敏、誤差小、各項指標均高于國產DHT22等溫濕度模塊。資料給出，該芯片的濕度測量范圍在0～100%RH，溫度測量范圍為-40～+123.8℃，其中濕度測量精度為 ±3%RH，溫度測量精度只有±0.4℃。此外，該芯片還具有響應時間快及低功耗的優勢。圖2為該芯片與主控制器之間的通信電路示意圖。

由于其具有可完全浸沒的特點，故土壤傳感器我們也使用了SHT11作為主要芯片，并采用了銅粉燒結技術制作了外殼，用銅合金粉末高溫燒結而成，過濾精度高，透氣性好。

光照傳感器我們則采用了環境光傳感器BH1750，能夠直接通過光度計來測量環境光照強度，其量程為1～65535流明（注：光通量的單位）。圖3給出了BH1750芯片的電路原理圖。光照強度計算可以通過公式1表示：

L=COD/（1.2*ε*R） （1）

其中，L為實際值，CODE為測量值，ε為透光率，R為高精度模式2調整值。

3.2基于CC2530的無線傳感模塊

節點間通信采用TI的CC2530解決方案，它是一種集成了ZigBee協議棧與增強型8050內核的無線通信芯片。該芯片采用ZigBee通信協議，可以通過實際情況配制成路由節點或者廣播節點。本設計在主控MCU內部完成中繼節點和終端節點的區分，終端節點將CC2530無線通信模塊配置為廣播模式，做為一個節點，每一組約3-6個節點。其中包括一個中繼節點，配置成中繼節點的傳感節點，每個節點都有獨立的數據采集能力。不同的是，普通節點采集數據后將數據通過CC2530發送出去，而中繼節點則將收到的數據存入自己的內存之中，在適合的時機下通過GPRS協議將數據傳送到互聯網服務器。

3.3基于SIM900A的GPRS模塊

節點與遠程服務器的通信采用SIM900A模塊，內部集成了GPRS功能，芯片與主控制器之間采用AT指令進行通信。本設計通過使用SIM900A模塊的GPRS協議將數據傳送到指定服務器中。

四、系統軟件設計

本文設計的傳感節點將實現無線組網及中繼通信功能，此外還將采用低功耗設計。系統開機后將首先判斷自己的配置是終端節點還是中繼節點。如果是中繼節點則進入休眠模式，由時鐘定時1分鐘喚醒一次。當程序喚醒時將分別采集光照強度、空氣及土壤溫濕度存儲到部內部存儲器中，同時將數據發送給中繼節點。所有功能完成后再次進入休眠模式，等待下一次喚醒。此外，主控制器還可以通過外部按鍵喚醒，喚醒后可以在15s內持續顯示各項環境參數。作為中繼節點的設備將始終保持正常運行狀態，收到的終端節點的數據將保存在存儲器內，一旦收到服務器的查詢指令即可立刻將數據傳送到互聯網服務器。程序流程見圖4所示。

五、系統測試

本設計經過測試，可以發現各項功能運行狀態良好，采集的光照強度，空氣溫濕度以及土壤溫濕度均保持在誤差較少的范圍之內。無線組網功能可靠性高，組網速度快。最終成果見圖5所示。

六、結論

本文根據現有的農業發展狀況以及智能農業發展現狀進行分析，提出了一種設備裝配簡單，可自主組網、遠程檢測農業大棚內光照、空氣溫濕度及土壤溫濕度的智能農業傳感節點產品。通過測試，本設計具有低功耗、傳感精度高、可快速組網并與互聯網服務器通信等優勢，系統運行可靠性高。

智能農業論文:用于農業生產環境監測系統的智能傳感器節點設計

摘 要 本文實現了一種低成本、多參數、分布式、自組織的三層農業物聯網架構，能夠實現高速率遠程接入和信息共享的農產品生產環境監測。本文描述了該系統的整體架構設計和智能節點設計方案，實現了對農業生產環境的無人值守監測功能。

【關鍵詞】農業物聯網 智能節點 環境監測系統

農業生產環境的監測由于農業生產的范圍大、氣候和環境多變，需要監測內容較多，一直是困擾農業物聯網技術廣泛應用的技術難題。

基于智能傳感器技術和物聯網技術的綜合農業生產環境監測技術是農業物聯網技術實施的技術基礎和重要應用。農業生產環境涉及到氣候、農作物及其生產環境的眾多方面，需要的觀測量眾多，各觀測量所采用的傳感器技術、變送器方法各不相同，而且在分布范圍廣和監測時間較長的情況下，智能傳感節點的設計需要綜合考慮安裝環境、網絡連接、可用時間等眾多因素，設計一種能夠適用于多種節點類型，分布式布局、自組織網絡的農業物聯網系統，首先需要在網絡架構上采用靈活部署和分布式的物聯網架構，然后是分布式的智能節點設計。具體監測的參數包括大氣條件、土壤情況、病蟲害和農作物生長形態等。

基于農業物聯網技術的農業生產環境監測系統網絡，可以實現農業生產的基礎數據采集和存儲，通過無線傳感器網絡構成的無人值守的自組網結構，可以準確感知農業生產環境信息和作物信息。

本文介紹了一種基于農業物聯網網絡架構的智能節點設計方案，可實現農產品生產環境監測。該環境監測系統采用分布式的智能傳感器現場布局，這些傳感器節點可以準確感知農業生產環境信息和作物信息，通過自組織的Zigbee網絡，連接到上層的智能網關，組建農業生產信息基礎數據庫，利用數據庫的共享功能，用戶可遠程訪問數據庫，獲取需要的信息，指導農業生產過程。

1 農業物聯網系統網絡架構設計

農產品生產環境監測系統將Zigbee傳感器網絡與3G/4G 網絡融合并接入互聯網，系統采用三層結構設計：感知節點層、網絡傳輸層和業務應用層。感知節點層由眾多分布式部署的感知節點組成，節點能夠搭載多個標量及多媒體傳感器節點，在讀取農業環境信息的同時，還能夠自組織構成可自愈的高效無線數據傳輸網絡，與上層的網關節點保持通信；網絡傳輸層的主要設備是智能農業網關，有能夠收集下層感知節點的ZigBee主節點模塊和向上與互聯網連接的3G /4G無線傳輸模塊；業務應用層的數據中心包括農業基礎信息數據庫和 Web服務器，農業基礎信息數據庫負責數據保存，Web服務器負責向互聯網信息。系統的工作過程如下：智能感知節點主動構成自組織的無線傳感器網絡，數據融合后與智能網關進行數據傳輸，智能網關在保存數據內容后，再通過3G/4G網絡向使用者提供互聯網服務，然后定期將數據上傳給上級監管部門的數據服務器；上級監管部門或農業指導部門可以根據數據內容形成報告提供給農業從員者；各類用戶可通過互聯網終端訪問該系統，查詢感興趣的農業環境參數，如有可能，還可對部分可控節點進行控制操作。

網絡傳輸層的無線傳感器網絡采用類似于ZigBee的協議，智能農業網關通過ZigBee網絡與多個節點或路由器相連，構成一個星形網絡。

在網絡接入協議的選擇上，系統可根據環境要求和應用需要，自主切換到無線WIFI或3G/4G網絡，并在節能需要的情況下關閉網絡開關，形成速率自適應和節能的網絡接入。

2 感知層的ZigBee智能感知節點設計

智能感知節點作為整個監測系統的信息采集源頭，能夠為整個系統提供完整和準確的數據。節點能實時采集農業生產相關的環境信息與作物信息，并且能夠通過集成多種傳感器，搭建一個自組織的ZigBee網絡。其中的傳感器種類，包括大氣條件、氣象信息、土壤濕度、水環境PH值等標量數據傳感器，以及為農業生產者提供直觀影像的圖像傳感器（攝像頭）。經由節點采集的數據首先在節點處進行數據處理，然后經由ZigBee網絡匯聚到網絡區域內的智能網關。

考慮到各類傳感器節點的能耗、購買成本、覆蓋范圍以及傳輸距離的限制，如攝像頭的能耗較大、價錢相對較貴，可以覆蓋較大范圍，一個監測區域內安放一個攝像頭就可以滿足應用的要求。因此不必在同一監測區域內的節點上都采用同樣的設計結構，可以分別連接不同的傳感器連接網關。

3 結論

本文設計實現了一種基于物聯網三層結構的農產品生產環境監測系統，該系統利用可靈活部署的智能節點實現了分布式的傳感網絡總局，實現了對農業生產現場的環境監測和基礎農業數據采集。具體采用了自組織的Zigbee網絡將廣泛分布在農業現場的各類農業生產數據組織在一起，利用網絡傳送到智能網關給農業從業人員使用。系統重點解決了在分布式環境下對于智能節點的可靠性可用性設計、冗余數據的融合處理和網絡的自組織問題，是農業物聯網技術的一次成功應用。

智能農業論文:淺析智能儀表系統在農業電氣自動化中的應用

摘 要：智能儀表系統現已經在農業中得到了應用，盡管目前應用并不廣泛，但卻足以證明智能儀表在農業中擁有著巨大的潛力。我國現階段正在進行著新農村建設，智能儀表系統在農業電氣自動化中的應用，無疑為新農村建設提供了科技基礎。本文首先對智能儀表系統的工作原理進行了介紹，其次對智能儀表系統的功能特點進行了概述，最后探討了其在農業中的應用，希望能夠為我國農業發展提供借鑒。

關鍵詞：智能儀表系統；農業；電氣自動化；應用

由于科技的發展進步，儀表系統越來越向著智能化的方向發展，尤其是測量控制儀表系統發展十分突出。現如今，智能化測量控制儀表種類已經非常多，比如流量計、溫度儀、調節器等都已經實現了智能化。這些智能化儀表系統的發展，為我國農業的發展起到了積極的作用。農戶借助智能儀表系統，可以對農作物進行自動化的控制，以此提高農作物的產量以及質量。

1 智能儀表系統的工作原理

智能儀表系統要想在農業電氣自動化中達到徹底的應用，有關人員必須對其工作原理完全了解，依據其工作原理，將其恰當好處的應用在農業中。傳感器是智能儀表系統中不可或缺的一部分，其可以說是該系統的心臟。傳感器拾取被測參量的信息，并轉換成電信號，經濾波去除干擾后送入多路模擬開關。由單片機逐路選通模擬開關，將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經A/D轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片機中。單片機根據儀器所設定的初值進行相應的數據運算和處理。運算的結果被轉換為相應的數據進行顯示和打印；同時，單片機把運算結果與存儲于片內或EEPROM（電可擦除存貯器）內的設定參數進行運算比較后，根據運算結果和控制要求，輸出相應的控制信號。

2 智能儀表系統的功能優勢

2.1 能夠進行自動化操作。智能儀表系統應用在農業中，使得農業生產逐漸的擺脫了人類勞動，農戶可以從土地中解放出來，去從事其他方面的工作。農業自動化是現代化的典型標志，因此智能儀表系統的應用是我國農業走向現代化的重要表現。智能儀表系統每一個測量環節，都是微控制器進行操作，因此每個測量環節都是自動化。

2.2 能夠進行自測。智能儀表系統的自測功能有比較多，比如能夠自動凋零、自動診斷、自動檢驗等。如果系統出現了異常情況，系統會進行自動檢測，將故障部位查找出來，如果系統十分高級，甚至能夠診斷出故障原因。此種功能可以在儀表啟動時就發揮作用，在儀表運行過程中也能夠發揮作用，因此不必再派專門的人員進行監控。系統運行期間發生故障，自會發出警報，診斷出故障部位，這對檢查人員來說，十分方便。

2.3 能夠進行數據處理。這是智能儀表系統最為顯著的特點。因為絕大多數智能儀表系統應用的是單片機或者是微控制器，這樣如果某些問題硬件邏輯難以解決，軟件系統可以解決。比如數字萬用表基本不具備處理數據功能，只能進行電流、電壓測量，而智能儀表系統中的萬能表，除了能夠測量數據外，還能夠對測量結果進行數據處理，比如取平均值、統計分等。這使得用戶不必為自己進行數據處理，同時也確保儀器測量精度。

2.4 能夠進行人際對話。智能儀表系統能夠進行人機對話，這使得人們只要輸入相關的數據信息，就能夠找到相應的信息，以便能夠及時采取對策。智能儀表系統應用的是鍵盤，其與傳統的切換開關相比，更加的方便靈活，工作人員只需要掌握鍵盤輸入命令，即可進行測量。另外，智能儀表系統還能夠將數據信息處理結果報告給操作人員，操作人員通過顯示屏即可了解數據信息，這樣儀表操作不僅方便，還具有直觀性。

2.5 能夠進行可程控操作。因其具備這一功能，所以才得到了廣大農業研究者的歡迎。現代智能儀表系統絕大多數都有通信接口，比如GPIB、RS485等，這樣系統能夠與PC機或者是其他儀器設備連接起來，構成完整的測量系統，該系統功能更加齊全，能夠對復雜任務進行測試。

3 智能儀表系統在農業中的應用

隨著智能儀器以及農業現代化的發展，智能儀表系統逐漸走入農業產業化中，更好的為農業產業化做貢獻，其中TFW-VIII型智能化農業環境監測儀得到了廣泛的應用。TFW-VIII型智能化農業環境監測儀是一種綜合性能較全、測量精度較高、操作較簡單的一種智能化農業及生態環境實用的測量儀器，可以對土壤、水和空氣進行現場監測。該儀器內設置了GPS全球衛星定位裝置，可以對測試地點的方位（經緯度）和海拔高度有較準確的測定。在土壤方面，它能較精確地測試土壤內的氮、磷、鉀和有機質的含量，可以對土壤中的酸堿度（pH）值、鹽分（電導）、其他微量元素和地層溫度進行測量，對土壤的容積含水量進行現場速測，還可以對化肥進行檢測。在水質測試方面，可以測試水中的溶解氧、水的濁度、溫度、pH值和水的電導率。除此以外，還能對測點空氣的溫度和濕度進行實時在線監測。該儀器是一部數字化的智能型儀器，不僅設制了操作菜單、數據存儲和打印，還可以與計算機實現聯網，能最大限度滿足使用者對被測物數據的測試、記錄和存儲的要求，是土肥站、農科所及相關農業環境監測部門首選的儀器之一。

4 智能儀表系統的優化

4.1 測量精度的提高

在智能儀表設計時，以測量精度作為主要的參數之一，為了提高儀表的測量精度，一般除了選擇性能好和精度高的元器件外，同時也可以利用微處理器對測量數據進行加工與處理，以減少測量過程中產生的隨機誤差和系統誤差。

4.2 系統的低功耗設計

高效率，低耗能是每個儀器的最終目標。智能儀表系統的低功耗設計是系統優化設計的一個重要方面。在低功耗設計時，應重點考慮以下幾個方面：一是可選用CMOS集成電路，這是由于CMOS電路具有功耗低、抗干擾能力強和工作溫度范圍寬等特點；二是系統功耗和系統供電電壓存在著一定的關系，一般來說，供電電壓越高，系統功耗越大，因此低功耗單片微機系統應盡量采用低電壓供電，這樣既能減少系統功耗，又有利于電池供電。

結束語

綜上所述，可知對智能儀表系統在農業電氣自動化中的應用進行研究十分必要。農業作為我國第一大產業，其發展直接關系到我國國民經濟的發展，也關系到農民的生活水平。智能儀表系統在農業中的應用，能夠促進我國農業盡早的實現現代化，盡管目前，該系統并不完善，甚至有諸多不足之處，但是將其應用在農業電氣自動化中是農業發展的必然。隨著使得的發展，智能儀表系統會成為農戶日常中不可缺少的設備，也是我國農業研究者重點研究的對象。

智能農業論文:基于yeelink網絡平臺的智能農業遠程控制

民以食為天，農業的發展一直是社會發展與進步的基礎，利用現代傳感器技術可以使人們更有效地調整和控制大棚農作物生長的環境，從而達到提高農作物的產量，有效地利用資源，縮短農作物的生長周期的目的。而針對傳統遠程監控系統不能歷史數據存儲以及需要固定外網IP地址的瓶頸，從而設計了基于yeelink云存儲的遠程大棚監控器，文章詳細介紹了系統組成，工作原理，以及實驗結果。實驗結果表明，該裝置組網簡單，使用方便，結果精確。

【關鍵詞】農業 網絡平臺 智能控制 單片機

1 系統控制要求

遠程控制界面使用4個虛擬按鍵（電燈控制器、電熱絲開關、移動天窗開關、噴滴灌系統開關）用于遠程控制；使用光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤傳感器、煙霧傳感器對環境進行數據測試并且通過W5100發送到yeelink網絡平臺；數據帶有臨界報警功能。

2 系統方案

以arduino單片機為控制器，以W5100網絡模塊為核心，單片機的I/0直接與W5100網絡模塊通信，系統在程序的的控制下，按照網絡yeelink協議把數據循環排隊傳到yeelink云存儲上或下載到單片機上，方便用戶實時查看過去任何一段時間的數據和控制單片機進行相應的處理。

3 工作原理

遠程環境監控器是一款基于yeelink網絡平臺的數據云存儲，它是以 arduino單片機為處理核心，通過各種傳感器探測環境數據，并且通過w5100網絡模塊接入互聯網，通過循環排隊等候的方式源源不斷把數據發到yeelink網絡平臺上和把yeelink網絡平臺上的數據接受到單片機上面，方便用戶實時查看過去任何一段時間的數據和控制單片機進行相應的處理。

4 硬件設計

采用光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤傳感器、煙霧傳感器作為數據采集點，然后通過arduino單片機進行處理，把數據通過W5100網絡模塊發送到yeelink云存儲平臺

5 軟件設計

到yeelink官網免費申請帳號，通過帳號申請ID號碼，如果沒有外網IP，則把路由器設計成自動獲取IP地址，并且在程序里面改成自動獲取IP地址。

6 遠程電腦網頁監控

如圖1所示。

7 遠程手機監控

如圖2所示。

8 結論

采用yeelink網絡平臺實現農業現代化管理，有效提高農業生產效率和大大降低農民的工作量，將大量的傳感器節點構成監控網絡， 通過各種傳感器采集信息， 以幫助農民及時發現問題， 并且準確地確定發生問題的位置， 這樣農業將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。一場農業科技革命的浪潮正在席卷中國大地：越來越多的人放棄了傳統耕作模式，開始用傳感器與農作物進行“交流”，成為智慧農業時代的“新農人”。這就是設計基于yeelink網絡平臺的智能農業遠程控制價值所在。

作者單位

邵陽學院 湖南省邵陽市 422000

智能農業論文:農業智能節水灌溉系統的設計分析

摘 要：我國是一個農業大國，然而我國水資源非常缺乏，這就阻礙了農業的發展。農業灌溉所需要的水資源非常多，而現階段我國農業灌溉技術相對落后，這就造成了在農業灌溉中水資源得到了大量的浪費。隨著我國科學技術的發展，人們開始重視農業生產，將一系列的先進技術引入到農業生產中，其中在農業灌溉中充分利用計算機技術和信息技術，設計出了各種不同類型的智能化節水灌溉系統，這不但節約了大量的水資源，還使得農作物的灌溉更加科學合理，提高農作物的產率。文章簡要分析了農業智能節水灌溉系統的設計方案，希望能給讀者一些幫助。

關鍵詞：農業灌溉；智能節水；設計分析；單片機

目前，農業智能節水灌溉系統主要是把AT89C52單片機作為主控芯片，而外圍又是有多個傳感器以及電路共同組成，主要包括：濕度傳感器、超限警報電路、數據處理電路和LED動態顯示電路等。該智能節水灌溉系統主要是通過由濕度傳感器監測土壤的濕度，然后將濕度值報告給單片機，單片機再根據預先設定的濕度值控制其它系統對土壤輸送水分，待達到規定的濕度值后，系統則自動停止補充水分，讓土壤始終保持最合適的濕度，進而促進農作物的快速生長。

1 智能節水灌溉系統的整體設計

智能節水灌溉系統是把型號為AT89C52的單片機作為系統的主控芯片，在土壤中安裝多個濕度傳感器，由它來監測土壤中水分含量。當土壤中含量低于標準值時，濕度傳感器則將這個信息轉化成電流信號，再通過信號處理電路進行一系列的處理后就變成了可用的電壓模擬性信號，然后通過A/D轉換器將它轉化為數字信號，直接傳輸到主控芯片單片機中，單片機就對整個系統進行合理地調控，在數碼管上會顯示出濕度值。一旦濕度值發生了變化，該智能節水灌溉系統就會自動控制水泵開關。農業智能節水灌溉系統結構框圖如圖1所示：

圖1 智能節水灌溉系統結構圖

2 單片機的最小系統

AT89C52單片機具有功耗低、性能高的優點，在農業智能節水灌溉系統中得到較為普遍的應用。該單片機在工作時的額定電壓為5V，在單片機的內部存在一個256B的RAM和一個8kB的PEROM，這就保證單片機能夠與標準MCS-51指令系統共同控制運作，這主要是運用了由ATMEL公司研制出的高密度生產技術和非易失性存儲技術，在單片機內部還分布著Flash存儲單元和8位CPU，芯片為40個引腳，這就包括了32個外部雙向I/O口、2個全雙工串行通信口、2個外部中端口、2個16為可編程定時計數器。該芯片不僅能夠實現常規編程，還能夠實現在線編程，依靠可反復擦寫的Flash存儲器與MCU將其有機結合，這就直接使得芯片的靈活性得到大幅度提升，還減少了系統的制造成本。

3 時鐘電路

單片機的內部結構從根本上分析也即是同步時序邏輯電路，其核心就是時鐘電路，主要依賴于時鐘信號對時序邏輯系統進行有效控制，并且CPU具備的不同種指令功能即是在由時序單路生成的時鐘信號控制下逐一實現的。其中，MCS-51型號的單片機中所含有的時鐘信號可以分為兩種方式：通過外部電路生成；通過單片機內部的振蕩電路生成。

4 復位電路

為了確保CPU與其它相關的功能部件均可以從某個確定的狀態開始工作，因此，單片機在每一個開機時都必須重新復位，此時，復位電路就起到了關鍵作用。復位電路一般分為按鍵復位和上電復位等形式。在對MCS-51型號的單片機進行復位時，主要是由外部復位電路來完成，其工作原理為：當按下按鈕之后，就使得RC電路進行充電，且RESET端發生高電平，此時只要將高電平始終維持在10ms以上，即可完成單片機的復位工作。

5 數據采集處理電路

由傳感器監測到的模擬信號是非常微弱的，并且此時存在很多干擾信號，所以信號在傳輸到主控芯片之間就必須通過濾波、信號放大以及模數轉換等步驟。該智能節水灌溉系統通過運算放大器U2、U3把信號進一步放大，進而能適應之后A/D轉換器的工作要求。

ADC0809主要包括一個A/D轉換器、一個8通道模擬開關、一個三態輸出鎖存器和一個地址譯碼鎖存器等，該數據采集處理系統可以同時允許8個模擬信號傳輸，并實現A/D轉換器的轉換共享。

6 LED顯示系統電路

在采用單片機的系統中，一般所采用到的顯示器件包括數碼管和顯示器。這兩種器件具備的優勢十分明顯，包括價格便宜、配置容易、與主控芯片接口簡便等。可以在農業智能節水灌溉系統中采用共陰極數碼管，實現動態顯示。把數碼管的LED的引出端與單片機I/O口的8位線進行連接，調節共陰極數碼管的高電平使之有效，再選擇8位并行輸出端，則就可以在LED顯示器上實時顯示不同的數值。

7 超限警報電路

如果該智能節水灌溉系統的運行環境超出預置的范圍，就需要設置一個超限警報電路來提醒使用者，以便及時采取有效措施加以解決，現今普遍采用的報警電路主要包括：蜂鳴報警、閃光報警及語音報警等。例如，采用語音報警裝置，則一般選擇采用1SD1420型號的語音報警芯片，由A/D轉換器傳出的數字信號經過主控芯片的P0接口輸送到主控芯片內，然后由主控芯片對信號進行智能化處理并與配置值作對比。如果比預置值要小，那么P2.1口將會輸出低電平，單片機就會控制語音芯片發出報警信號；反之，那么P2.1口將會輸出高電平，系統不會出現語音報警信號，則系統運行正常。

8 結束語

本文簡要介紹了農業智能節水灌溉系統設計組成，這體現了自動化技術在我國農業灌溉中的有效應用，同時也體現了我國農業科技水平的顯著提高。而目前，我國農業灌溉的智能化水平在整體上看來偏低，這需要國家農業部門進一步加大農業智能化研發力度，在農田灌溉方面設計出高度智能化、自動化的供水系統，既能節約大量的水資源，還能促進農作物快速成長。

智能農業論文:農業節水灌溉智能控制及信息化系統的研究與推廣

【摘 要】介紹了一種適用于廣大農村推廣使用的節水灌溉信息化系統。只監測用電量就實現了對水量使用的有效控制，控制器內存儲的灌溉記錄極大地便捷了各級管理部門的工作。結合北京市多個實際項目的實施及售后經驗總結，通過對幾款不同特色信息化系統的優缺點分析，文章最后對該系統的推廣與發展趨勢進行了探討。

【關鍵詞】節水灌溉；無線通信；信息化管理；水電計量

1 技術背景

隨著電子技術及信息化的飛速發展，計算機控制與管理技術的運用已廣泛深入到各個領域。智能灌溉控制器，是為了提高灌溉效率并實現信息化智能管理而發展起來的一款電子產品。考慮中國土壤面積廣、人多、地形復雜以及人文特點，絕大部分的土地無法實現智能灌溉。為了實現準確計量和有效管理，廣大農村可采取簡單可行的節水灌溉控制措施。此舉不僅具有廣闊的市場前景，而且具有不可估量的社會價值。

2 農業灌溉智能控制的現狀

農業灌溉用水一直主要考慮收取電費，對用水量沒有概念。用戶灌溉前，需找電工記錄電表讀數，灌溉后再記錄一次，向村里繳納電費即可。這樣既浪費了人力資源及大量的時間，又不準確，且不便于統計管理，尤其對于科學灌溉和信息化管理毫無作用。鑒于此，市面上出現了各種IC卡預付費電表，當用戶IC卡內金額足夠的時候，刷卡時候預付費電表通過內部控制電路發出開泵指令，啟動井泵開始灌溉；當用戶主動刷卡停泵或是IC卡內金額不足時，電表發出停泵指令，停止井泵運行。雖然方便了電費的收取，一定程度起到了管理的目的，但是經筆者調查，用戶普遍反映設備故障率較高維護不及時，影響用戶使用；管理系統只記錄了售電情況，管理系統不完善，沒有受到上級管理者的認同和推廣。

3 農業節水灌溉信息化系統的研究與發展

3.1 精細型信息化系統

此系統需要提前收錄該村所有用戶的用戶名、所有地塊信息（包含地塊的位置、面積以及種植作物類型）和灌溉方式，并寫入智能控制器內。使用過程中，用戶通過IC卡識別出自己的資料，并選定地塊及作物后啟動井泵開始灌溉，同時開始計量電量，當用戶再次刷卡時結束灌溉，控制器存儲該用戶此次的記錄信息。由管理員定期利用智能掌上電腦（下文簡稱PDA），通過藍牙的無線通訊，將控制器內存儲的所有記錄信息傳送到PDA內。再通過USB數據線將PDA連接到PC機上，在管理軟件中導入所有的記錄信息，統計出每月的總用水量及每種作物的灌溉時間及用水量，經由GPRS無線傳送給上級管理部門。如下圖1所示。

圖1 節水灌溉信息化系統

此款設備操作明了，記錄信息詳盡，但也存在一些不足：（1）控制箱的設計存在一定問題；（2）前期所提供數據量太大，村里管理員用到的數據量很小，且上級管理部門目前也不具備全面管理所有地區灌溉資料的力量；（3）控制器內存儲的信息過多，設備老化快；（4）控制器與PDA之間是雙向操作，對設備的壽命及穩定性都造成不利影響；（5）藍牙傳輸不夠穩定且速度太慢，不夠人性化。

3.2 簡單實用型信息化系統

考慮精細型操作過于復雜，在第二代產品的研發過程中，將人性化設計和有效管理放在了第一位。用戶直接刷卡進行灌溉，控制器自動存儲灌溉的起始時間、終止時間、用戶信息、使用電量；管理員利用PDA通過紅外技術將控制器內的灌溉信息抄取到PDA內；再將PDA與村級管理平臺PC機連接，信息導入管理軟件中；由GPRS無線傳輸給上層管理平臺。

改進點：（1）控制器內部芯片也進行了升級，確保了設備的穩定性和壽命；（2）控制器只通過村莊編碼來識別用戶卡，簡化了操作方法，保證灌溉記錄的完整性和準確性；（3）在管理軟件上，針對機井錄入了相對的灌溉面積及作物種類，統計灌溉時間、用電量，通過水電轉換系數來變換成相對的用水量，滿足用戶需求；（4）將藍牙傳輸改為紅外傳輸，確保了數據傳輸的穩定性和完整性。（5）改進了控制箱的設計，將進線孔全部封閉。

經過一段時間的運行，設備返修率僅為5%，且滿足上級管理部門的基本需求。在定期維護時候，又發現了一些新問題：（1）灌溉記錄的抄取需要人為操作，且抄取時間不定，不能同時滿足各級管理者的不同需求；（2）通過估算水電轉換系數，來計算用水量，誤差太大。

3.3 實用拓展型信息化系統

在此基礎上，經過筆者公司相關專業人員的研究，應管理部門的新需求，在北京順義區又展開一個新項目，在簡單實用型的基礎上，又開發了控制器與超聲波水表之間的無線數據傳輸、控制器與村級管理PC機的無線傳輸兩種新功能，以及健全信息化系統。（1）設備的使用環境條件較好，配備了超聲波水表，可以將水表讀數直接無線數傳給灌溉控制器，在用戶使用過程中實時顯示灌溉的用水量以及用電量，保證了用水量及用電量數據的準確性，同時為水電系數計算提供了參考數據；（2）控制器可以直接將灌溉記錄定時通過無線組網方式無線傳輸給村級管理平臺的PC機，并由PC機通過GPRS傳輸到上級管理平臺。（3）在管理平臺上，細化了機井的各種信息，并關聯了用戶的地塊面積、作物類型，由管理員記錄到軟件管理平臺上。可以隨時按照用戶名、機井來統計總的用水量、用電量，使得管理更加智能化。

設備運行良好，維護率很低，且管理簡單，受到了用戶、村級管理員和上級管理部門的好評！

4 農業節水灌溉信息化系統的應用與推廣

目前在大興、順義多地大力推廣該系統的使用。電子化、信息化、智能化、網絡化是管理系統的發展必然趨勢，提高無線傳輸的穩定性、更人性化的處理用戶誤操作導致的設備故障，以及更恰當的迎合上級管理部門的需求，才能最終實現節水灌溉控制及信息化管理系統的全面推廣。

智能農業論文:基于ZigBee傳感網的農業智能照明系統

摘要：將LED技術和ZigBee技術相結合，設計了一種智能照明系統應用于農業照明。結果表明，系統能實時監測環境參數并報告故障，對LED燈進行實時控制，節約了電能。解決了農業照明不同光色、光照度及照射時間等需求，提高了管理水平。

關鍵詞：ZigBee;LED驅動;PWM控制

ZigBee網絡屬于短距離的無線通信網絡，能適應復雜的網絡環境并快速方便地添加或重新配置網絡節點，形成短距離無線通信子網。節點布網成本低、靈活性和可擴展性強，適合組建短距離的無線傳感網。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準，以星、樹、簇等拓撲方式實現了數千個微小的傳感器之間的協調溝通[1]。

隨著節能減排技術的發展，基于無線傳感器網絡的分布式LED智能照明系統的研究與設計具有重要的現實意義。不同的發光二級管P-N結構成的LED燈其發光顏色不同，此次介紹的農業LED燈則根據不同農作物的需要選取。LED燈的顏色由其本性決定，這里著重介紹LED燈驅動電源的設計及其驅動方式。

1 系統硬件選型及電路搭建

系統采用點對點控制方式、樹形組網[2]，以PC（Personnel Computer）基站式和手機移動式兩種方式控制WSN（Wireless Sensor Network）的各個節點，以PWM（Pulse Width Modulation）方式控制各個終端的發光亮度，通過光照度傳感器采集光照度信息以達到適應不同的外部光照環境來實時控制，有手動和自動控制兩種方式。系統硬件大致分為傳感網模塊和LED驅動電源模塊，軟件是上位機應用軟件。

1.1 節點設計方案

系統中各終端設備和路由設備采用相同設計，充當路由的設備完成信息轉發的中繼功能，由終端設備完成信息的采集和對LED驅動電源的控制。協調器設備完成網絡的發起和建立，并為各個節點分配LAN內的短地址，以RS232串口和計算機互聯通信，完成對節點的控制和信息顯示。

系統的硬件要求控制芯片應滿足工業環境監測要求的通信延遲、通信的可靠和能量損失小的要求[3]。通過ZigBee協議標準的編制，使用成本低、開放、低功率無線互連的國際標準的片上系統芯片CC2530為本系統的傳感節點。它能建立低功耗、大規模的傳感網絡[4]。CC2530采用F256版本，具有256 kB的閃存。

根據CC2530芯片的內部架構設計了射頻外圍組件，作為其信號收發前端，并將其安置到外圍電路上，組成一個能收集現場信息并能控制LED驅動芯片的終端節點。該節點上有溫濕度傳感器、光照度傳感器，節點將現場感知信息通過路由設備傳輸到協調器設備，協調器根據設定的光照度閥值和現場光照度發送PWM控制命令，再通過終端節點完成對LED驅動電源PWM_D腳的控制。圖1是系統的射頻前端電路，圖2是節點模塊電路，圖3是協調器電路。

1.2 LED驅動電源設計

系統提供的LED驅動電源能滿足LED日光燈、球泡燈等LED燈的恒流驅動，能滿足高可靠性、高效率、高功率因數、浪涌保護及電磁兼容的要求。智能調光方式為根據對高功率LED驅動芯片HV9910的PWM_D腳輸入PWM信號來對MOS管進行開關控制來調光，最高輸入為300 kHz，以滿足LED燈不同亮度的要求。

電流輸出方式是根據控制MOS管的斷開時間來控制輸出電壓，終端節點輸出的PWM信號最大為300 kHz。試驗中所使用的LED燈設定的正常工作電流ILED為350 mA，紋波電流正常取ILED的30%。振蕩器的工頻可以用外部電阻接在HV9910芯片的ROSC端將其控制在25 k～300 kHz，頻率值計算方式為FOSC=25 000/（ROSC[k？贅]）[kHZ]。根據HM9910數據手冊，電感的計算方式為：正常整流后的電壓為 ■VIN，因此開關占空比D=VLED/■VIN，則功率管的導通時間TON=D/FOSC，由這些必要的值求出電感大小為L=（VIN-VLED）TON/（0.3ILED）。

2 軟件設計流程

軟件設計部分分為協調器模塊（路由模塊）和終端模塊，協調器模塊負責網絡的發起和建立，并選擇優先信道，建立好網絡后便充當一個路由設備與PC互聯，將終端感知的溫度、濕度和光照度等信息通過UART方式傳輸至PC控制軟件，在控制軟件上可以對各終端選擇控制，圖4是協調器的工作流程。

終端模塊先申請加入網絡，穩定工作后實時將采集的現場信息傳輸給協調器，再根據協調器的命令對LED驅動電源發送PWM信號，以能夠實時控制LED燈的亮度。圖5是終端的工作流程。

在控制方式上有兩種，一種是在上位機上直接操作，有手動和自動兩種方式可選。另一種方式是通過手機發送短消息給終端節點，以完成點對點控制，不過這種方式要求知道終端節點的節點號，不便于操作。表1是終端控制參數設置方式。

3 實測效果

系統中各節點采用樹形組網方式，將各個終端節點分布在照明現場，各終端LED燈色根據不同應用進行選取。終端及時地將現場信息采集至管理處，在PC終端可查看現場的溫度、濕度、光照度信息，系統有手動和自動兩種控制方式，控制人員根據現場采集的信息發送控制命令給每個終端，進行點對點控制，節省了人力和電力。圖6是部分LED燈PC端的控制信息。

4 小結

將ZigBee技術和LED應用相結合，設計出了一種應用于農業大棚照明的智能系統，降低了能源消耗，提高了照明的可靠性，在照明方式和實時控制上能取得顯著的效果。ZigBee傳感網的建立在其節點的能耗上有一定的時限，并且在定位應用的精準度上有一定的困難，具體還有待進一步研究。

智能農業論文:芻議農業智能物聯網

摘 要

農業物聯網平臺適應于多種農業生產場景（植物種植、禽畜飼養、水產養殖等），覆蓋農業產業鏈的種養、檢驗、銷售采購、物流運輸和安全回溯等多個環節。農業物聯網平臺由傳感器系統和云控制服務平臺構成。農業物聯網傳感器系統是由大量的傳感器節點構成監控網絡，采集環境溫濕度、光照強度、土壤墑情、空氣狀態等信息，以幫助管理人員準確地發現定位問題，這樣農業將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

【關鍵詞】農業智能 物聯網

基于UHF抗擾加密技術的農業物聯網傳感器系統以先進的正交頻分復用（OFDM）和時分復用（TDM）通信同步綜合技術為核心，采用新一代軟件無線電平臺架構，創造性的使用射頻信號分集收發、發射器功率泄漏對消、跳頻通信抗干擾、時隙輪詢握手交互、基于密鑰分散和3DES算法的通信數據加密等領先技術，具備高速并行計算處理能力，能夠適用300-348 MHz、400-464 MHz和800-928MHz等ISM頻段及短距裝置（SRD）頻帶實時雙向通信。農業智能物聯網應具備如下功能：

1 發射器功率泄漏對消軟件自適應算法，有效提升通信傳輸距離

設備的泄漏對消機制是指從射頻發射器前向射頻信號中耦合獲得參考信號，并根據參考信號產生對消信號，用于利用所述對消信號對所述泄漏信號進行對消處理，經對消處理后的泄漏信號的幅度小于原泄漏信號的幅度，使得射頻反向通信干擾信號大幅降低。

2 軟件無線電技術，同步綜合使用OFDM和TDM技術，抗干擾能力大幅增強

系統基于軟件無線電技術的DSRC基帶信號處理引擎，獨創的信號糾錯、還原、再生處理算法，先進的分集接收技術和解碼算法，提升了對低質量弱信號的識別能力。

系統使用OFDM和TDM同步綜合技術。在物理層，實現多個設備集（以無線網關為核心）處于不同頻段，一旦發生通信碰撞，設備集將使用跳頻通信算法自動選擇新的頻段，避免不同頻段（多個設備集間）的通信干擾；在應用層，一個設備集是以無線網關為核心的星形拓撲結構，網關和各個采集設備使用基于時隙輪詢的握手算法，分時同各個設備單獨通信，避免同頻段設備（設備集內）的通信干擾。

在相同通信頻率和同一應用場景的情況下，針對多組通信距離，本系統設備通信成功率提高12.5%～75%。

3 通信數據使用3DES算法和密鑰分散的軟件加密機制，數據安全性顯著提升

為了保證無線網關和采集器及控制器之間傳輸通道安全，系統設計了基于3DES加密算法和密鑰分散的軟件加密機制。3DES又稱Triple DES，是DES加密算法的一種模式，它使用3條56位的密鑰對數據進行三次加密。系統具備智能休眠和喚醒算法，實現性能和功耗的最佳平衡狀態。

4 支持智能遠程監控功能，對接云服務平臺

完善的設備自檢功能，多參數綜合檢測，故障快速定位及告警功能，方便工作人員及時掌握設備運行狀態。支持智能化的遠程監控技術，通過遠程監視實現對設備系統的操作、升級、配置、查詢、維護等操作。支持腳本化功能配置，靈活對接云服務控制平臺。

智慧農業物聯網系統是在與現有農業設施的機械、電氣控制系統兼容的前提下，構建了一套功能完整、可裁剪、低成本農業生態信息遠程監測控制物聯網應用平臺。該平臺適應于多種農業生產場景（植物種植和禽畜養殖等），覆蓋農業產業鏈的種養、銷售采購、物流運輸、安全回溯等多個環節。

從功能角度，農業生態信息智能化物聯網應用系統由傳感控制器網絡系統和云服務控制中心構成。

傳感控制器網絡的核心部分是無線網關。該設備基于支持多天線超高頻無線通信和有線通信模式，支持10M/100M/1000M以太網通信，支持WLAN/GSM/GPRS/3G無線通信。采集器和控制器可以使用有線或無線的方式連接到網關上，形成完整的農業現場傳感器控制網絡系統。

5 UHF無線通信技術

常用的無線通信包括3G/GPRS、藍牙、WiFi、紅外傳輸（IrDA）、ZigBee、SRD UHF等。這些通信方式各有特點，或基于傳輸速度、距離、耗電量等的特殊要求，或著眼于功能的擴展性，或符合某些單一應用的特別要求，或建立競爭技術的差異化等。

6 正交頻分復用技術OFDM原理

正交頻分復用技術OFDM是多載波調制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道間相互干擾ISI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

7 跳頻通信技術原理

跳頻是最常用的擴頻方式之一，其工作原理是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。

近50年來，中國農業走過了一條高投入、高產出、高速度和高資源環境代價的道路。目前，我國農業水平和以生產效率高、經濟效益好、技術密集與可持續發展等為主要標志的現代農業相比，存在較大的差距。2013年4月，國家農業部余欣榮部長視察天津農業工作時曾提出：“黨的十八大提出了‘四化同步’發展戰略，其中工業化是引領，城鎮化是動力，農業現代化是基礎，信息化是靈魂。”

作者單位

天津機電職業技術學院 天津市 300131

智能農業論文:智能中文農業垂直搜索引擎體系的架構與實現

摘要：針對互聯網農業信息的多樣性、復雜性以及我國“三農”的特殊性，研究并實現了智能中文農業垂直搜索引擎AgriRoom，介紹了AgriRoom的體系架構和系統實現中涉及到的關鍵技術：基于網頁分類和多元線性回歸分析的信息過濾技術、物理存儲模式的分頁式倒排索引技術、基于隨機索引和潛在語義分析的語義檢索模型。該系統目前已投入使用，取得了較顯著的應用效果。

關鍵詞：農業信息;垂直搜索引擎;體系架構

20世紀90年代初，搜索引擎開始應用于農業領域，多由商業公司開發，也有一些是由組織機構和政府部門研發的。從搜索引擎的質量來看，組織機構、政府部門開發和維護的農業搜索引擎的質量高于商業公司，主要是因為政府部門和組織機構都是農業相關部門，擁有先天優勢。典型代表有美國農業網絡信息中心（AGNIC）與美國普林斯頓建立的Agriscape Search等[1]。2007年，中國首個農業垂直搜索引擎――“農搜”上線，是目前全球數據量最大的中文農業垂直搜索引擎，其實現了“全文檢索+語義檢索”的智能檢索功能[2]。同年上線的“華農在線”利用自然語言語義分析技術實現了信息處理的應用和在農業行業的垂直搜索。與此同時，我國還出現了一些提供農業信息搜索功能的網站。隨著搜索引擎技術的發展，面對我國“三農”的特殊性以及互聯網農業信息的多樣性和復雜性，許多問題需要探討，本研究構建了智能中文農業垂直搜索引擎AgriRoom，并從體系的架構、信息過濾、物理存儲模式以及語義檢索模型等方面進行了介紹，為構建智能中文農業垂直搜索引擎奠定了基礎。

1 智能中文農業垂直搜索引擎體系的架構

課題組基于前期研究成果設計并實現了一個功能完備的智能農業垂直搜索引擎AgriRoom，其體系架構如圖1所示。AgriRoom作為專注于互聯網農業信息的垂直搜索引擎，從初始的種子站點到主題詞庫等都體現了農業特性，同時系統還具有專門的信息過濾模塊篩選與農業相關性高的網頁，從而既可以節約存儲空間，又保證了信息的準確性。同時，為后期高效地檢索打下良好的基礎及保證系統的查準率和查全率，AgriRoom采用基于雙索引庫模式的潛在語義檢索方式。首先，系統利用索引模塊建立高效的分頁式倒排索引庫;然后，利用檢索模塊將其轉換為雙重語義空間，為后面的語義檢索作準備。體系的架構圖見圖1。

1）專業網絡蜘蛛[1]從農業種子站點列表中獲得網頁的URL，如果該地址不在舍棄URL隊列中，則對互聯網中相應的Web服務器進行網頁抓取，并解析抓取的網頁，提取該網頁中的超鏈接信息和網頁內容信息送信息過濾模塊。然后，網絡蜘蛛再繼續抓取下一個網頁進行同樣的處理。

2）信息過濾模塊接到專業網絡蜘蛛送來的已解析頁面后，根據農業主題詞庫中的主題詞及其權值，分析該頁面的內容是否與農業主題相關、是否是垃圾網頁或導航頁面。如果頁面與農業主題相關度比設定的閾值低或頁面為垃圾頁面，則將此頁面的URL送入舍棄URL隊列。否則，將頁面送入索引模塊準備建立索引，同時，還將該頁面存入農業網頁數據庫中。

3）索引模塊將獲得的頁面信息，進行相應處理后，建立分頁式倒排索引并存入索引庫[3]中。

4）當所有抓取的頁面都被索引后，檢索模塊讀取分頁式倒排索引庫中的索引，通過隨機索引[4]和潛在語義分析[5]建立較高效的雙重語義空間。

5）用戶輸入查詢條件后，檢索模塊對其進行解析和處理，轉換為標準的查詢語句;檢索模塊將查詢語句和語義空間中的信息進行語義分析后，獲得查詢結果。最后，形成結果頁面返回給用戶。

2 智能中文農業垂直搜索引擎體系的關鍵技術

AgriRoom的實現需要綜合應用多項技術，除了常規的網頁抓取[1]、中文分詞技術[6]外還涉及到了3項關鍵技術：信息過濾技術、分頁式倒排索引技術以及語義檢索技術。

2.1 信息過濾

為了有效地減小索引規模和提高系統效率，AgriRoom采用了一種基于網頁分類技術和多元回歸分析[7]的信息過濾模型如圖2所示。整個工作流程可以分為訓練過程和測試過程。在訓練過程中，訓練集實例經過預處理（文本抽取、中文分詞）、抽取特征項、向量表示后，構建多元線性回歸的數學模型，最后進行回歸分析獲得回歸方程;在信息過濾過程中，每一個待過濾的中文網頁經過預處理、向量表示后，代入多元回歸方程中，判定該網頁是否為農業網頁。

從圖2可以看出，構建該信息過濾模型的關鍵因素包括：建立訓練集、網頁預處理、特征選擇算法、多元線性回歸分析：

1）建立訓練集。訓練集是研究的起點和基礎，但是與眾多的面向英文的標準網頁訓練集相比，標準的中文網頁訓練集的起步很晚。到目前為止，只有一些中文文本訓練集，還沒有出現標準的中文網頁訓練集。為了解決該問題，動員100個學生手工在互聯網上采集農業網頁50 000張，其中，35 000張作為訓練集，15 000張作為測試集;然后，以百度作為網絡蜘蛛的種子站點，在互聯網上隨機抓取 12 000張網頁，人工挑出7 000張非農業網頁，其中的4 000張作為訓練集，3 000張作為測試集。通過反復測試，最終確定訓練集實例用于信息過濾。

2）網頁預處理。網頁預處理過程主要包括網頁正文抽取;借助于中文分詞工具對抽取后的文本進行中文分詞;對分詞后的結果建立索引。

3）特征選擇算法。特征詞不但是用來建立回歸模型的因子，也是區分農業網頁和非農業網頁的最關鍵因素，特征詞選取方法將對模型的識別效果產生重大影響。文本在深入研究了中文網頁分類中典型的特征詞提取方法的基礎上，結合實際應用提出了一種新的特征詞選取方法，其步驟如下：

a.從農業訓練集索引文件中獲取農業訓練集分詞結果集合Term1（t1，t2，…，tn）和對應文檔頻率集合Df1（df1，df2，…，dfn）;

b.從非農業訓練集索引文件中獲取非農業訓練集分詞結果集合Term2（t1，t2，…，tm）和對應文檔頻率集合Df2（df1，df2，…，dfm）;

c.從集合Df1中查詢Term1中所有詞條ti的文檔頻率，記為ny_dfi，再從集合Df2中查詢詞ti的文檔頻率dfi，記為fny_dfi，計算詞條ti在農業訓練集和非農業訓練集中文檔頻率差值的絕對值C，即C=ABS（ny_dfi-fny_dfi）。對詞條ti按C值逆序排序，選取C值大于預先設定的閾值的詞條ti為區分農業網頁和非農業網頁的特征詞。通過分別比較不同分詞工具的特征詞選取結果，最終確定了前100個特征詞（表1）。

4）多元線性回歸分析。多元回歸分析[8]是一種處理自變量與因變量的統計相關關系的一種數理統計方法。雖然自變量和因變量之間沒有確定性的函數關系，但可以設法找出最能代表它們之間關系的數學表達形式。回歸分析有很廣泛的應用，例如經驗公式的求得、因素分析、產品質量的控制等。在進行中文農業網頁識別過程中，利用獲得的前40個特征詞和MATLAB進行多元線性回歸分析，最終獲得可用于分類的回歸方程，即分類器：y= -0.368 4+0.187 4x[0]+0.210 4x[1]+0.202 4x[2]+0.125 8x[3]+0.364 2x[4]+0.188 2x[5]+0.135 7x[6]+0.083 7x[7]+0.126 8x[8]+0.045 5x[9]+0.061 6x[10]+0.053 8x[11]+0.105 0x[12]+0.097 0x[13]+0.404 0x[14]+0.071 1x[15]-0.018 4x[16]+0.076 1x[17]-0.372 7x[18]+0.118 8x[19]-0.098 9x[20]+0.078 7x[21]+0.065 8x[22]-0.088 4x[23]-0.054 9x[24]-0.028 5x[25]+0.047 5x[26]-0.083 6x[27]+0.036 6x[28]-0.134 3x[29]+0.003 4x[30]+0.004 5x[31]+0.034 4x[32]+0.045 6x[33]+0.020 3x[34]+0.038 0x[35]-0.063 9x[36]-0.026 6x[37]+0.092 7x[38]-0.083 2x[39]。

式中的x[i]為第i個特征詞的對應值，若該詞在網頁中出現了，x[i]的值為1，否則為0;最終計算出的y值如果大于0，說明網頁為農業網頁，否則不是農業網頁。

2.2 分頁式倒排索引

為了解決常規倒排索引的檢索效率低、不易更新等缺點[9]，AgriRoom采用一種分頁式倒排索引結構（圖3）。該倒排索引的存儲模式采用數據庫與磁盤文件混合存儲，只將文檔集合D存入數據庫中而將詞條集合T和倒排索引集合IT存入磁盤文件中。為了提高檢索速度，AgriRoom將倒排索引散列為100份。每個文件夾下有3個文件，分別是IND、SITES和URLS，均為順序文件。其中，IND文件中存儲了每個詞條在SITES文件中的偏移量（SitesOffset），包含該詞條的站點個數（SiteCount）、該詞條的文檔個數（UrlCount）以及詞條在文檔集合D中出現的總次數（TotalCount）。SITES文件中存儲了詞條在各站點（Site_ID）倒排索引中的偏移量（UrlsOffset）。URLS文件存儲詞條的倒排索引并按照Site_ID聚合。

為了提高倒排索引的檢索和更新效率，倒排索引文件在磁盤中以分頁方式存儲[10]。為了減少文件頁內碎片，AgriRoom將倒排索引集合IT存入多個文件中，每個文件具有不同頁大小，并在配置文件中指定每個文件的路徑、文件名以及頁大小（頁大小是文件系統頁大小的整數倍）。每個倒排文件有一個頭頁（HeadPage）和若干個數據頁（DataPage）。在頭頁中存儲該文件的頁大小（PageSize）、頁個數（PageCount）以及下一個空閑頁的頁號（NextFreePageNo）。在數據頁中存儲該頁的頁號（PageNo），如果單個詞條的倒排索引數據長度大于數據頁的大小則存儲下一個數據頁的頁號（NextPageNo）、索引長度以及索引數據。一個數據頁中最多只能存一個詞條的倒排索引數據。由于HASH數據結構在內存中的等值查找性能最好，所以詞條集合T和倒排索引集合IT在內存中以HASH數據結構存儲以提高檢索效率。倒排文件和詞典文件在磁盤和內存中的結構如圖4所示。

2.3 基于雙重語義空間的語義檢索模型

檢索技術是智能中文農業垂直搜索引擎實現高效檢索的核心技術之一，針對語義檢索的現狀和存在的問題，AgriRoom采用了一種新型的基于雙重語義空間的語義檢索模型[11]。該檢索模型的基本思路是將檢索過程分解為兩個階段：①利用改進后的隨機索引技術[11]生成農業測試集的文檔空間和詞空間，然后獲得查詢句的語義向量，與文檔空間中的向量進行比較，獲得初選文檔列表;②利用潛在語義分析技術生成文檔空間的文檔相似度矩陣[12]，利用文檔間的相似度值，對初選文檔列表中大于指定閾值的文檔查找相關文檔，并更新文檔列表，最終獲得結果列表返回給用戶。AgriRoom的語義檢索模型見圖5。

3 系統的實現

基于系統的總體設計和相關研究成果，課題組構建了功能完備的智能中文農業垂直搜索引擎AgriRoom。從種子站點開始抓取互聯網中的相關網頁，并經過信息過濾后，建立農業網頁數據庫和分頁式倒排索引庫，再經過進一步的語義分析后，建立語義索引庫，最終能夠為用戶提供方便、準確的農業信息檢索服務。

3.1 開發環境與工具

系統開發的硬件環境為：64位曙光刀片服務器，其主要配置為4 GB內存，260 GB硬盤容量;軟件配置為：Redhat Linux操作系統，其內核為2.6.31.5-127.fc12.i686.PAE，編譯器為GCC 4.4.2，Web服務器為Apache 2.x。系統的后臺數據庫為：MySQL。

4 小結

面對海量的互聯網信息資源，如何快速而有效地獲取個性化的農業知識和信息資源成為數字農業迫切需要解決的問題。智能中文農業垂直搜索引擎的出現將有效解決農業信息“迷航”問題。因此研究構建了智能中文農業垂直搜索引擎的關鍵技術，提出了基于網頁分類和多元線性回歸分析的信息過濾技術、分頁式倒排索引技術以及基于隨機索引和潛在語義分析的語義檢索模型。最終，構建了功能完備的智能中文農業垂直搜索引擎AgriRoom。經過實際應用證明，該系統能夠為用戶提供方便、準確的農業信息檢索服務。

智能農業論文:基于NRF905的智能農業無線通信系統設計

摘 要：智能農業是農業領域推出的第一代擁有自主知識產權的遠程環境監測系統。它是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農作物溫室內的溫度、濕度信號以及光照、土壤含水量、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數進行實時采集，自動開啟或者關閉指定設備（如遠程控制澆灌，開關卷簾等）。同時在溫室現場布置攝像頭等監控設備，實時采集視頻信號。用戶通過電腦或智能手機終端，隨時隨地觀察現場情況，查看現場溫濕度等數據和遠程智能調節指定設備的運行狀態。現場采集的數據，為農業綜合生態信息檢測，對環境進行自動控制和智能化管理提供科學依據。前端設備支持多種傳感器的接口，同時支持音頻，視頻功能，可以有效的為農業專家提供第一手的現場專業數據。

關鍵詞： 智能農業；無線傳感器；遠程監控；實時采集

一、物聯網概述

（一）物聯網技術的背景

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，物聯網技術被譽為全球一個新的經濟增長點，國家和政府部門非常注重物聯網產業的發展，據新華社報道，在各省啟動的十二五規劃中，有23個省份將物聯網作為重要的發展目標。

物聯網（The Internet of things）是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統（GPS）、二維碼等信息感知設備，按約定的協議連接起來，通過有線或無線網絡的組織模式進行信息交換和通信，以實現智能化識別、數據采集、智能控制、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

物聯網技術在農業中的應用，既能改變粗放的農業經營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，引領現代農業發展。

農業物聯網是將大量的傳感器節點構成監控網絡，通過各種傳感器采集信息，以幫助農民及時發現問題，并且準確地確定發生問題的位置，這樣農業將逐漸地從以人力為重心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和技術為中心，大規模地使用各種自動化、智能化、遠程控制的設備的生產模式。

短距離無線數據通信系統一般情況下由終端節點、通信系統節點及管理器節點組成，其系統結構框圖如圖1所示。

（二）智能農業系統的功能介紹

物聯網智能農業平臺系統由前端數據采集系統、無線傳輸系統、遠程監控系統、數據處理系統和專家系統組成，其各部分系統功能介紹如下：

1.智能農業數據采集系統

數據采集管理系統主要負責溫室內部光照、溫度、濕度和土壤含水量等傳感器采集的數據以及視頻監控數據的采集和管理。可為用戶在電腦與手機終端上實時、直觀的展示采集到的數據。用戶可以在平臺上查看自己需要的數據，包括實時數據采集、歷史數據管理，以及為用戶提供自定義打印報表，提供各種匯總統計信息，對數據庫備份等服務，從而方便的得到數據信息，輔助決策等。

實時采集的數據主要為各類傳感器采集的數據和視頻監控采集的現場視頻數據。溫度包括空氣溫度、淺層土壤溫度（土下2cm）、深層土壤溫度（土下5cm）；濕度主要包括空氣的濕度、淺層土壤含水量（土下2cm）、深層土壤含水量（土下5cm）。傳感器采集數據的上傳采用ZigBee無線傳輸模式，ZigBee發送模塊將傳感器的采集數據傳送到ZigBee節點上。

用戶可以在農業物聯網平臺上或通過手機終端等查看現場的實時采集的數據，并且在界面上可顯示實時采集數據的曲線圖。

2.智能農業視頻監控系統

視頻監控系統采用高精度攝像機對農田或大棚等進行視頻監控，系統清晰度和穩定性等參數均符合國內相關標準。

在大棚內安裝視頻監控系統，平臺將視頻監控文件進行處理傳給后臺管理子系統，可在微機終端進行查看，后臺管理系統將視頻監控文件進行處理通過WAP方式利用手機終端進行查看。企業管理層或相關管理結構負責人可通過手機視頻來了解農業示范區現場動態情況。系統可以通過視頻監控植物的成長過程（實時、錄像）供遠程學習。

3.智能農業預警系統

當采集數據超過系統預先設置的限制是，將開啟系統報警功能，并發送短信告知相關管理人員，便于對農作物生產的管理。

4.智能農業設備遠程控制系統

設備遠程控制系統主要有控制設備和相應的繼電器控制器控制電路組成，通過繼電器可以自由控制各種農業生產設備，包括噴淋、滴灌等噴水系統和卷簾、風機等空氣調節系統等。用戶可通過電腦或手機終端對設備直接操控，完成日常工作。

二、NRF905的概述

（一）NRF905概述

NRF905單片無線收發器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道，頻道之間的轉換時間小于650us.自動產生前導碼和CRC校驗碼，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。[8] 外圍器件連接簡單，無需外部SAW濾波器。芯片內部本身附帶功率放大器、頻率合成器、調制器和晶體振蕩器等部分，其中輸出功率以及通信頻道可通過編寫程序進行配置。從NRF905的芯片手冊中查到，其功耗十分小，當以10dBm 的功率發射時，工作電流僅有 30mA，同時支持多種低功率工作模式，待機模式下電流僅為12.5μA，節能設計更加方便。

（二）工作原理

該系統主要是實現的是點對點無線收發數據的過程，單片機將地址和數據寫完后，就要控制NRF905無線收發模塊將接收到的數據發送出去，NRF905發送模式會自動產生字頭和CRC校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳（即DR）通知單片機數據發送完畢。下面是NRF905發送數據的流程：（1）當單片機發送數據的時候，根據時序圖將要發送的數據以及接收機的地址通過SPI接口傳送給NRF905，SPI接口的速率在通信協議和期器件配置時已經確定；（2）通過單片機置高TRX_CE和TX_EN，激發NRF905的射頻發送（ShockBurstTM）模式；（3）NRF905的ShockBurstTM發送；（4）若單片機將AUTO_RETRAN寄存器設置為高電平時，此指令表明需要再次發送數據，NRF905無線模塊將實施重發，持續到STC89C516RD+單片機將TRX_CE變為低電平為止；（5）當TRX_CE被置低時，表示NRF905發送數據過程完成，芯片將自動進入空閑模式。[14]

三、系統硬件設計

節點硬件結構。本系統的通信底板以STC89C516RD+單片機為核心，通過Altium Designer軟件自行設計通信子系統的PCB板，將NRF905無線收發模塊安放在預先設計好的的系統板上。串口電路部分采用MAX232芯片，外圍搭建光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，硬件結構簡單，性能穩定，同時有效的節約了成本。

四、系統運行流程

軟件構架。本系統工作時首先節點1先設定為發送模式，通過外接各種傳感器將采集到的數據傳送數據給節點2，然后等待節點2接收，當節點2得到正確的數據之后，又將反饋信息發送給節點1，當節點1得收正確的反饋信息之后，系統板上的LED燈將會點亮，則說明發送接收成功。

五、運行結果

系統硬件連接實物圖如圖2所示。

數據收發完全正確，其結果顯示如圖3所示。

短距離無線數據業務以其低功耗、數據傳輸可靠、信息容量大等特點正被應用到廣闊的應用領域。本文首先對其發展前景和應用現狀及無線通信系統的廣泛應用進行了概述，重點是對本課題所采用的STC89C516RD+型單片機與無線收發模塊NRF905，再使用LCD液晶顯示器進行實時顯示來完成NRF905的無線通信系統設計，同時對短距離無線通信技術的結構特點進行了較為詳細的論述，對其發展前景也進行了深入的研究。

無線通信技術，正在迅猛發展并廣泛應用于各個領域。本文對其在盲區無線智能通信系統中的應用作了一些有益的研究并取得了一些成果，但仍有許多問題可待進一步的研究解決。（1）提高節點集成化，縮小體積。本文制作完成的節點是由微控制系統板和射頻通信板組成的，體積較大。在以后的電子技術發展中可以同時將射頻通信系統和微控制系統以及一些相關應用集成到同一芯片上，將會極大縮小節點體積。（2）能耗管理智能化研究，進一步降低能耗。本文所作研究對能耗管理方面通過采用系統定時休眠來達到節能的目的。進行能耗管理提高系統自身運行的穩定性，延長系統的使用時間，最終提高了系統自身的應用效益。

利用無線傳感器網絡實現數據傳輸是農業環境測控系統通信問題的有效方法。將無線傳感器網絡技術的農業系統環境信息采集與監測控制系統用于農業環境數據的接收、實時顯示和存儲，并通過無線方式實現與遠程管理中心的通信，成功地解決了傳統農業下的各種問題，無線傳感器網絡技術必將更大更廣闊的農業領域中發揮越來越重要的作用。

[作者簡介]葛付偉，南開大學濱海學院電子科學系，教師；毛建新，南開大學濱海學院電子科學系，本科在讀。

智能農業論文:基于ZigBee技術的智能農業大棚的研究

【摘要】智能農業控制通過實時采集農業大棚內溫度、濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤水分等環境參數，自動開啟或者關閉指定設備;可以根據用戶需求，隨時進行處理。本文提出了利用ZigBee技術進行無線傳感的智能農業大棚設計，為農業生態信息自動監測、對設施進行自動控制和智能化管理提供科學依據。

【關鍵詞】ZigBee;智能;農業大棚;物聯網

一、概述

“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。業內專家認為，物聯網一方面可以提高經濟效益，大大節約成本;另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。

智能控制是為了達到節能、舒適、便利的目的，要求對市政、家庭、農業等的智能控制和監視制定細致的策略和方案。但是，傳統的智能控制系統由于很多因素的制約，很難達到要求。為了解決這些問題，業界嘗試了很多辦法，但基本上都屬于封閉式的，多采用私有協議，彼此間難以互通，導致結構不透明，靈活性、擴充性不佳。從長遠看，智能控制系統的發展趨勢是走向開放，尤其是智能控制與互聯網的融合是其中一個重要發展趨勢。

二、智能農業大棚的應用分析

通過對農業大棚內的溫濕度信號、光照度以及土壤的水分等參數的采集，能夠根據用戶設定的參數，自動開啟或關閉設備，來達到大棚內的參數平衡。這樣，可以實現農業生態信息的自動監測，對大棚內設施進行自動控制和智能化管理。

大棚監控及智能控制解決方案是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農作物溫室內的溫度，濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤含水量、CO濃度等環境參數進行實時采集，自動開啟或者關閉指定設備（如遠程控制澆灌、開關卷簾等）。在每個智能農業大棚內部署空氣溫濕度傳感器2只，用來監測大棚內空氣溫度、空氣濕度參數;每個農業大棚內部署土壤溫度傳感器2只、土壤濕度傳感器2只、光照度傳感器2只，用來監測大棚內土壤溫度、土壤水分、光照度等參數。所有傳感器一律采用直流24V電源供電，大棚內僅需提供交流220V市電即可。 每個農業大棚園區部署1套采集傳輸設備（包含中心節點、無線3G路由器、無線3G網卡等），用來傳輸各農業大棚的傳感器數據、設備控制指令數據等到internet上與平臺服務器交互。 在每個需要智能控制功能的大棚內安裝智能控制設備1套（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉換適配設備等），用來傳遞控制指令、響應控制執行設備。實現對大棚內的電動卷簾、智能噴水、智能通風等行為的實現。

三、系統架構研究

1、總體架構

系統的總體架構分為傳感信息采集、視頻監控、智能分析和遠程控制四部分。

2、傳感信息采集分析：

數據采集系統，主要負責溫室內部光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數據的采集和控制。數據傳感器的上傳采用ZigBee無線傳感模式。 傳感器的數據上具有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數據信號通過有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。而在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過Zigbee發送模塊傳送到Zigbee中心節點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發送模塊傳送到中心節點上，省去了通訊線纜的部署工作。中心節點再經過邊緣網關將傳感器數據、控制指令發送到上位機的業務平臺。用戶可以通過有線網絡/無線網絡訪問上位機系統業務平臺，實時監測大棚現場的傳感器參數，控制大棚現場的相關設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優點。所以，在這里我們采用的是Zigbee模式。

3、控制系統分析：

控制系統主要由一體化控制器、執行設備和相關線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農業生產執行設備，包括噴水系統和空氣調節系統等，噴水系統可支持噴淋、滴灌等多種設備，空氣調節系統可支持卷簾、風機等設備。 采集傳輸部分主要將設備采集到的數值傳送到服務器上，現有大棚設備支持3G、有線等多種數據傳輸方式，在傳輸協議上支持IPv4現網協議及下一代互聯網IPv6協議。 業務平臺負責對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環境數據監測、數據空間/時間分布、歷史數據、超閾值告警和遠程控制五個方面。用戶還可以根據需要添加視頻設備實現遠程視頻監控功能。數據空間/時間分布將系統采集到的數值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場圖）、歷史數據可以向用戶提供歷史一段時間的數值展示;超閾值告警則允許用戶制定自定義的數據范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶。

四、智能農業大棚主要功能

1、數據采集

能夠對智能農業大棚內的數據進行無線采集，可以采集內部的溫濕度、光照、以及土壤的水分等參數。

2、視頻監控

用戶能夠實時地通過電腦或手機進行監控，觀察大棚內作物生長狀況。

3、數據存儲

系統能夠對歷史數據進行保存，以便日后對這些數據進行分析，方便日后查詢。

4、數據分析

系統將采集到的數據進行曲線圖或柱狀圖分析，生成報表，根據分析后的數據，可以由此判斷出在什么條件下更適宜農作物的生長，為以后種植的提供依據。

5、遠程控制

只要能夠聯網，在任何時刻都可以對大棚內的設備進行遠程控制，以調節內部的參數。

6、超限報警

用戶可以自行設置超限值，當參數越過超限值時，可以通過監控器或手機進行實時報警，以便及時提醒用戶。

五、結束語

隨著物聯網的普及，智能農業大棚將會在以后扮演越來越重要的角色。對農業生產起著非常重要的作用，同時也會推動農業經濟的發展以及農業信息化的發展。