智能农业论文:山东农业大学图书馆RFID智能管理系统实施的基础

摘 要：文章通过分析山东农业大学图书馆实施RFID智能管理系统，介绍了图书馆RFID智能管理系统的原理和特点，根据山东农业大学图书馆的实际情况对老旧图书馆馆舍进行改造，以适应图书馆RFID智能管理系统要求，调整整个图书馆馆藏结构，以及与图书馆RFID智能管理系统相匹配的芯片加工和转换数据等一系列基础工作，深刻解读了图书馆实施RFID技术所需的图书馆基础支持。

关键词：山东农业大学图书馆 RFID技术 应用基础

目前国内在图书馆管理系统中普遍采用的是“安全磁条+条形码”的技术手段，以安全磁条作为图书的安全保障，以条形码作为图书的身份证，虽然解决了图书管理中的些许问题，但是图书顺架、排架困难，读者查找图书以及馆员清点馆藏数量繁琐耗时，图书馆管理自动化程度低，缺乏人性化，而且磁条容易消磁、老化，防盗效果差，安全系数低等一系列问题需要解决；同时图书馆管理人员强烈意识到在新的形势下，需要大幅度提高图书馆管理的信息化程度，现代图书馆需要做到图书自动盘点、自助借还，图书区域定位、自动分拣以适应图书馆当前发展的需要。因此，2012年山东农业大学图书馆成功实施了RFID智能管理系统，围绕RFID项目的实施图书馆开展了许多基础性的工作。

1 图书馆RFID智能管理系统的原理与特点

RFID是一种利用射频通信实现的非接触式识别技术，即无线射频识别，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它利用先进的RFID技术，将门禁、校园卡、图书标签、标签转换装置、自助借还机、移动盘点平台和馆员工作站系统软件融合为一体，实现了迄今最便捷的图书管理自助功能。它具有以下特点。

（1）简化读者借还书手续，缩短了图书流通周期，提高图书借阅率，提升图书馆服务水平，充分发挥图书馆公共服务职能。

（2）利用移动盘点平台为图书馆提供全新盘点模式，降低管理人员的劳动强度，大幅提高图书盘点及错架图书整理效率。

（3）图书定位使读者方便快捷查找错架图书，挖掘出潜在图书资源，提高图书资料利用率。

（4）安全门禁系统支持离线与在线工作模式，未借出图书通过门禁时，系统会自动发出声光报警，防止图书被带出图书馆，防盗技术更强，系统更安全、可靠。（如表1所示）

2 图书馆实施RFID智能管理系统的基础保障

随着图书馆长期的文献积累，无限增长的馆藏文献和有限的图书馆馆舍面积成为制约图书馆发展的尖锐矛盾；同时也无法适应RFID图书馆管理系统要求的一门式管理模式。图书馆首先对原有图书馆馆舍进行了大规模地改造工程，图书馆的原有建筑是框架结构，大开间、大跨度，改造工程只需要将原来各个独立书库、阅览室的隔墙打开，将其合并形成开放式的借阅。

2.1 图书馆馆舍的改造与利用

由于农大图书馆是20世纪90年代建成的老式图书馆，随着学校大规模的扩招在校学生数量猛增，教师队伍也随之发展壮大，图书馆读者群数量同时随之增多，而图书馆馆舍面积维持在原有的基础上没有大的改观，使得图书馆借阅环境和阅览空间紧张，同时对门厅进行改造，安装了RFID项目的安全门禁系统及电子大屏幕，充分利用图书馆有限的馆舍面积，提升了图书馆的整体形象，同时改善了图书馆愉悦的学习环境、温馨的文化氛围和浓厚的人文气息，为RFID项目的实施提供基础。

2.2 图书馆文献资源结构的调整

2.2.1 首先对改造后的图书馆馆藏文献进行馆藏结构调整

图书馆馆员对各个时代的文献资源进行甄别，部分脱离时展的旧观念、旧知识、旧技术以及部分老化、破损、低借阅率的图书文献进行剔旧处理。调整初期遵循图书馆文献剔旧工作的原则和规律，从该馆整体馆藏文献的针对性、完整性、系统性、未来发展等方面综合考虑，本着藏以致用，高效服务，发挥馆藏功能，满足读者需求的原则，以及保持该馆馆藏文献体系的完整性、科学性，馆藏的专业性与任务相一致的原则，对原有馆藏文献保留了各个时期具有经典性、代表性的著作，摒弃过时、陈旧的内容和学术观点，增强藏书活力和利用率，节约藏书空间，保证馆藏文献有效地反映最新知识和科技成果。

农大图书馆是学校教学、科研的信息服务中心，具有符合学校教学、科研发展的馆藏文献特色。在长期的图书馆馆藏文献建设中，突出与学校专业发展相适应的馆藏文献的收藏；有超前服务的藏书思想，对于一些与学校专业设置相关的领域以及专业拓展的书籍，图书馆馆员要有能力做出判断，在藏书剔旧过程中，对于非专业性图书的剔除从宽处置，一般普及性图书及发展较快的应用科学图书，保存期可以短些，而对于专业性图书的剔除要从严处置，避免造成文献的流失。并在工作过程中按照该馆文献剔旧工作统一的标准执行，如，内容陈旧，不宜久藏的图书；复本量过多，长期压架无人利用的图书；破损的、质量低劣的图书；专业不对口的图书，图书馆馆员根据该馆读者需求、馆藏特色对部分图书进行剔旧，同时设置密集书库。对尚有一定参考、利用价值的书刊，做下架处理，移至密集书库，并在自动化系统中，标明此书在密集库，以供少数读者查阅。这样既保留了馆藏资源，又使得馆藏资源不流失。优化了馆藏结构。

2.2.2 对剔旧后的图书文献资源进行数据结构调整，以适应图书馆RFID技术的应用

对于原有图书馆馆藏结构进行了全面调整，按照图书馆RFID智能管理系统的要求，图书馆将实行开放式、一门式服务，根据改造后图书馆馆舍的实际情况，对原图书馆各书库、阅览室的图书、期刊文献资源进行调整、合并，按照大类分别放置，保存了原有工具书库，将其与过期期刊合并存放成为综合借阅室，而现刊则根据图书按照大类归属于各个书库，形成了以第一和第二自然科学借阅室，以及第一和第二社会科学借阅室和综合借阅室为基础的开放式服务模式，满足了图书馆RFID智能管理系统借阅模式的需求。

山东农业大学选用的是远望谷集团公司的图书馆RFID智能管理系统，必须通过标签转换系统将RFID唯一识别信息与图书唯一条形码信息实施绑定，并将RFID技术与现有图书馆管理系统（ILAS）挂接，实现对图书、读者详细信息的访问，从而将RFID技术集成到现有图书馆管理（ILAS）系统中，实现与现有图书管理软件（ILAS）的无缝链接。因此，图书馆需将调整合并后的图书馆文献资源进行加工、整理，对缺失书标的图书补贴书标，有利于顺架工作的开展，将完成调整的图书由原来的馆藏地点转换到新的馆藏地点，即转馆藏，对每一本图示进行夹芯片（RFID电子标签）工作，并通过标签转换装置将数据信息转换到芯片（RFID电子标签）上，就是转数据，这些工作的顺利完成使图书馆原有的条形码借阅模式改为图书芯片借阅模式，为RFID技术在图书馆的应用提供了基础保障。

3 图书馆实施RFID智能管理系统的体会

山东农业大学校本部图书馆实施RFID图书馆智能管理系统，安装声光报警系统以及视频监控系统，极大地提高了图书馆的安防能力，改变了借阅模式和管理模式，由独立分散管理变为开放式统一管理，由各独立个库室变为藏借阅合一的借阅模式，增加阅览桌椅，增加馆藏面积，优化馆藏结构，提高馆藏质量，增强读者的自由度，实现了图书精确定位，便于读者快速查找，自助借还模式方便读者借阅，提高馆员服务水平。为便于整个图书馆的统一管理，建议南校区图书馆可以实施RFID系统，实现图书馆统一借阅模式、统一管理模式，方便读者利用图书馆，提高图书利用率，节约图书馆馆舍，提高馆藏数量和质量，提升图书馆的服务水平。

4 结语

图书馆RFID智能管理系统的顺利实施，简化了读者借还图书的手续，改变了图书借还流程，变手工借还为自助借还，改进了图书馆读者服务质量，缩短了图书流通周期，提高了图书的流通率；为图书馆员提供了全新的盘点模式，即利用移动式或手提式盘点系统，对所需盘点图书的书架进行扫描，通过无线网络传输将数据录入数据库，快速地完成图书盘点，极大地降低了图书馆馆员的劳动强度；RFID安全门系统实现零误报避免读者与馆员之间的矛盾，管理更加人性化，安全系数大大提高；同时RFID馆员工作站打造一体化的图书管理系统，极大地减轻了图书馆员在藏书管理和流通服务上的劳动强度，提高了图书馆的服务水平。

智能农业论文:农业机器人智能充电系统设计

摘 要： 针对农业机器人的充电现状，设计了基于PIC16F887和UCC3895的农业机器人智能充电系统。该系统采用UCC3895对全桥变换器进行移相控制，在较宽范围内实现了软开关。采用单片机PIC16F887控制充电电路的启停以及实现过压、欠压、过流保护，并对充电过程进行了实时管理，将充电数据进行实时显示并向上位机传输保存。实验证明，充电系统功能完善、性能稳定、充电快速、功耗低。

关键词： 农业机器人； ZVS； UCC3895； PIC16F887； 充电控制

0 引 言

中国作为一个农业大国，农业生产的规模化和精准化是现代化农业水平的重要标志。农业机器人在改善农民劳动环境、降低农民劳动强度和提高劳动效率等方面具有重要意义，尤其在育苗、采摘、灌溉、收获等方面得到了一定程度的应用 [1?2]。因此国家已把农业机器人技术及其应用列为农业工程领域的重点研发对象之一。但农业机器人技术在推广过程中受到了时间和空间的限制，其主要原因就是机器人动力源问题。因此作为机器人动力源的蓄电池以及能量补给的充电系统就显得尤为重要[3]。调查表明，现在的蓄电池由于充电设备落后、充电方法不当导致其使用寿命只有2～3年，远低于其设计指标10～15年的要求，既增加了使用成本又造成了资源的极大浪费。

目前，一般的蓄电池充电系统完成一次充电需要8～12 h，显然无法满足机器人对充电系统的要求以及生产的需要。因此设计一种快速、高效和安全的智能充电系统是农业机器人技术得到大力发展的重要前提。本文以80 V机器人车载铅酸蓄电池为研究对象，设计了基于UCC3895和PIC16F887的充电系统，此系统实现了充电过程的高效、快速、稳定并具有充电过程管理功能。

1 充电系统总体设计

为了做到高效快速的充电，又能实时掌握整个充电过程电池的状态，充电系统由两个模块组成：上位机监控管理模块和下位机充电模块。系统的总体设计框图如图1所示。

本系统的核心是充电模块，主要由充电主电路和控制电路组成。充电主电路由输入整流滤波、DC/DC变换器、输出整流滤波三部分组成；控制电路由UCC3895控制芯片、单片机PIC16F887、检测电路和电路组成。系统通过检测充电电压和充电电流实现电压、电流的闭环控制；上位机监控管理模块完成与单片机的通信，实现对充电电压、电流以及电池温度等数据的显示保存，并为后期系统功能的改进提供数据支持。

2 硬件电路设计

2.1 充电主电路的设计

三相交流电经输入滤波、整流后得到直流电压，该直流电压又作为DC/AC逆变器的母线输入。经DC/AC逆变器变换后得到高频脉冲电压，再由高频变压器进行隔离变换，经过输出整流滤波得到充电所需的直流电压。

本文采用ZVS移相全桥变换器作为逆变器，其工作波形[4]如图2所示。其主电路拓扑是利用开关管的输出电容或外接并联电容与变压器自身的漏感或原边串联电感进行谐振，谐振电感储存的能量向电容[C1～C4]释放，使开关管两端电压下降到零并使反向并联二极管导通，由此实现开关管零电压开通和关断。系统选用IGBT模块作为开关器件，为了减小大电压和大电流对IGBT的冲击，设计了RC吸收电路[5]。

2.2 充电控制电路设计

2.2.1 检测及信号处理电路设计

输入检测电路主要负责采集母线电压与电流信号。信号处理电路1将此模拟信号进行变换送入UCC3895的CS端，实现对全桥变换器滞后臂驱动信号占空比的控制；并将其变换后送入PIC16F887的A/D输入端，实现对充电主电路的过压、欠压和过流保护。输出检测电路[6]主要负责采集充电电压、电流、温度信号，信号处理电路2将得到的模拟信号进行变换后送入UCC3895，实现对IGBT驱动信号占空比和相位差的控制；并也将其送入PIC16F887的A/D输入端，实现对充电主电路的启停、显示和报警控制。

2.2.2 UCC3895控制电路设计

本文选取UCC3895作为全桥变换器的移相控制芯片[7]。UCC3895芯片是Texas Instruments 公司生产的专用PWM移相全桥变换器新型控制芯片。该芯片在UCC3875的基础上增加了PWM软关断能力与自适应死区设置功能，能够适应负载变化时不同准谐振条件下的软开关要求。UCC3895采用低功耗的BICMOS工艺，其工作频率、效率、可靠性得到大幅度提高。通过连接不同的电路，使其电压工作模式和电流工作模式可以进行切换，并且软启动/软停止可按要求进行调节。

UCC3895主要功能是实现闭环控制。母线电流经检测和变换后送至UCC3895的CS端，如果母线电流增大，CS电压升高形成斜波信号，该信号与UCC3895的CT引脚产生的锯齿信号比较后送UCC3895进行计算，输出可改变占空比的滞后臂驱动信号。如果母线电流瞬间增大，使CS引脚的电压超过2.5 V，UCC3895就会关断PWM输出。从而防止过流烧毁IGBT器件。

UCC3895还内置了可以调节PWM输出占空比的误差放大器EA，它在UCC3895上有3个端口：EAP端pEAN端和EAOUT端。当EAOUT端输出小于500 mV时，UCC3895停止PWM输出，当EAOUT端输出大于600 mV时，恢复PWM占空比调节功能。在本设计中，误差放大器EAN和EAOUT接成跟随电路，将充电电压、电流信号经检测和变换后送至UCC3895误差放大器EAP端，当充电电压或电流大于给定值时，EAP电压减小，导致EAOUT电压下降，UCC3895自动增加超前臂和滞后臂驱动信号的相位差。UCC3895控制框图如图3所示。

2.2.3 单片机控制电路设计

本文选用美国微芯科技公司生产的PIC16F887单片机作为充电系统控制芯片[8?9]。PIC16F887自带A/D转换功能，将检测电路采集的充电电压、电流和温度转换成数字量，通过程序控制IGBT驱动信号的占空比，并把数据进行显示的同时传给PC机进行存储。将采集的母线电流、电压信号变换成数字量，通过程序完成主电路的过压、欠压和过流保护。

2.3 通信接口电路设计

由于单片机与上位机的接口电平不同，因此通信电路采用RS 232总线技术和美信MAX232转换芯片，既实现了20 m左右的异步通信，又实现了充电过程中蓄电池的充电电压、电流和温度等信息的保存。上位机与下位机通信RS 232接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

3.1 单片机控制程序设计

充电系统以硬件电路为基础[10]，通过程序控制完成了预充电、大电流恒流充电、恒压充电、小电流恒流充电和涓流充电五个充电阶段，充电程序控制流程如图5所示。

3.2 人机交互界面软件设计

充电系统上位机人机交互界面以VC作为开发工具。通过模块化划分管理，设置了登陆、电池充电状态、充电数据、打印记录等菜单。用户可以清晰地掌握蓄电池的充电状态、充电电压、充电电流、温度等信息。

4 试验结果分析

通过不断的计算和调试，使电路参数设计达到了最优。图6和图7表明轻载时超前臂和滞后臂的IGBT都实现了ZVS，大大降低了充电电路的功率损耗，提高了充电效率。

5 结 论

本文设计了农业机器人充电系统的主电路和控制电路，编写了相关控制程序，实现了五阶段智能充电。系统硬件设计采用UCC3895和PIC16F887对全桥变换器进行移相控制，实现了IGBT模块的ZVS，大大降低了功率损耗。实验证明，此充电系统结构简单，充电快速，充电效率高，功能完善，具有广阔的应用前景。

智能农业论文:基于ZigBee与GPRS的智能农业传感节点的设计

【摘要】 本文设计了一个可以远程采集农业大棚中光照强度、空气温湿度以及土壤温湿度的智能农业传感节点。本设计通过使用CC2530芯片和SIM600A芯片，将ZigBee协议与GPRS协议相结合，使得传感节点同时兼具终端节点和中继节点双重功能。经过测试，本设计具有采样精度高、组网快、组装方便等特点。

【关键词】 CC2530 ZigBee 智能农业 传感节点 GPRS

一、引言

现代社会早已进入信息化的时代，物联网技术正在逐渐向工业、商业、医药卫生、交通、农业等领域渗透。同时，具有无线传感、远程控制、自动组网及智能计算的传感网络极大地方便了人们的生产与生活。调查显示，我国目前的农业智能化普及率只有不到1%，但是市场需求年增长接近50%，由此可见智能农业还有极大的发展空间。本文设计了一种基于CC2530芯片的智能农业传感节点，通过使用低功耗、可灵活组网的ZigBee技术以及可以连接互联网的GSM技术实现了远程采集农业大棚里的光照强度、空气温度、空气湿度、土壤温度和土壤湿度的功能。传感节点采用低功耗设计，成本低廉，可以轻松地推广。

二、原理与结构

本文设计的智能农业传感网络节点需要实现环境传感和无线传输两大功能。环境传感既采集农业大棚里的环境光照强度、空气温湿度以及土壤温湿度。无线传输上，本文设计的节点能够实现终端节点和中继节点两种角色。终端节点只能采集数据并发送给中继节点，而中继节点不仅保留采集数据的功能，还可以汇集终端节点传来的数据，并通过GSM模块将数据传送到互联网服务器。此外，本设计的节点还可以通过显示屏实时显示采集的结果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整个系统由5V电源适配器通过DC005接口直接接入供电。图1中给出了本设计无线智能农业节点的结构原理图。

三、系统硬件设计

3.1环境物理量传感器模块

图2 SHT11与主控制器通信电路示意图

空气温湿度采用瑞士进口的SHT11芯片进行测量，该芯片温湿度反应灵敏、误差小、各项指标均高于国产DHT22等温湿度模块。资料给出，该芯片的湿度测量范围在0～100%RH，温度测量范围为-40～+123.8℃，其中湿度测量精度为 ±3%RH，温度测量精度只有±0.4℃。此外，该芯片还具有响应时间快及低功耗的优势。图2为该芯片与主控制器之间的通信电路示意图。

由于其具有可完全浸没的特点，故土壤传感器我们也使用了SHT11作为主要芯片，并采用了铜粉烧结技术制作了外壳，用铜合金粉末高温烧结而成，过滤精度高，透气性好。

光照传感器我们则采用了环境光传感器BH1750，能够直接通过光度计来测量环境光照强度，其量程为1～65535流明（注：光通量的单位）。图3给出了BH1750芯片的电路原理图。光照强度计算可以通过公式1表示：

L=COD/（1.2*ε*R） （1）

其中，L为实际值，CODE为测量值，ε为透光率，R为高精度模式2调整值。

3.2基于CC2530的无线传感模块

节点间通信采用TI的CC2530解决方案，它是一种集成了ZigBee协议栈与增强型8050内核的无线通信芯片。该芯片采用ZigBee通信协议，可以通过实际情况配制成路由节点或者广播节点。本设计在主控MCU内部完成中继节点和终端节点的区分，终端节点将CC2530无线通信模块配置为广播模式，做为一个节点，每一组约3-6个节点。其中包括一个中继节点，配置成中继节点的传感节点，每个节点都有独立的数据采集能力。不同的是，普通节点采集数据后将数据通过CC2530发送出去，而中继节点则将收到的数据存入自己的内存之中，在适合的时机下通过GPRS协议将数据传送到互联网服务器。

3.3基于SIM900A的GPRS模块

节点与远程服务器的通信采用SIM900A模块，内部集成了GPRS功能，芯片与主控制器之间采用AT指令进行通信。本设计通过使用SIM900A模块的GPRS协议将数据传送到指定服务器中。

四、系统软件设计

本文设计的传感节点将实现无线组网及中继通信功能，此外还将采用低功耗设计。系统开机后将首先判断自己的配置是终端节点还是中继节点。如果是中继节点则进入休眠模式，由时钟定时1分钟唤醒一次。当程序唤醒时将分别采集光照强度、空气及土壤温湿度存储到部内部存储器中，同时将数据发送给中继节点。所有功能完成后再次进入休眠模式，等待下一次唤醒。此外，主控制器还可以通过外部按键唤醒，唤醒后可以在15s内持续显示各项环境参数。作为中继节点的设备将始终保持正常运行状态，收到的终端节点的数据将保存在存储器内，一旦收到服务器的查询指令即可立刻将数据传送到互联网服务器。程序流程见图4所示。

五、系统测试

本设计经过测试，可以发现各项功能运行状态良好，采集的光照强度，空气温湿度以及土壤温湿度均保持在误差较少的范围之内。无线组网功能可靠性高，组网速度快。最终成果见图5所示。

六、结论

本文根据现有的农业发展状况以及智能农业发展现状进行分析，提出了一种设备装配简单，可自主组网、远程检测农业大棚内光照、空气温湿度及土壤温湿度的智能农业传感节点产品。通过测试，本设计具有低功耗、传感精度高、可快速组网并与互联网服务器通信等优势，系统运行可靠性高。

智能农业论文:用于农业生产环境监测系统的智能传感器节点设计

摘 要 本文实现了一种低成本、多参数、分布式、自组织的三层农业物联网架构，能够实现高速率远程接入和信息共享的农产品生产环境监测。本文描述了该系统的整体架构设计和智能节点设计方案，实现了对农业生产环境的无人值守监测功能。

【关键词】农业物联网 智能节点 环境监测系统

农业生产环境的监测由于农业生产的范围大、气候和环境多变，需要监测内容较多，一直是困扰农业物联网技术广泛应用的技术难题。

基于智能传感器技术和物联网技术的综合农业生产环境监测技术是农业物联网技术实施的技术基础和重要应用。农业生产环境涉及到气候、农作物及其生产环境的众多方面，需要的观测量众多，各观测量所采用的传感器技术、变送器方法各不相同，而且在分布范围广和监测时间较长的情况下，智能传感节点的设计需要综合考虑安装环境、网络连接、可用时间等众多因素，设计一种能够适用于多种节点类型，分布式布局、自组织网络的农业物联网系统，首先需要在网络架构上采用灵活部署和分布式的物联网架构，然后是分布式的智能节点设计。具体监测的参数包括大气条件、土壤情况、病虫害和农作物生长形态等。

基于农业物联网技术的农业生产环境监测系统网络，可以实现农业生产的基础数据采集和存储，通过无线传感器网络构成的无人值守的自组网结构，可以准确感知农业生产环境信息和作物信息。

本文介绍了一种基于农业物联网网络架构的智能节点设计方案，可实现农产品生产环境监测。该环境监测系统采用分布式的智能传感器现场布局，这些传感器节点可以准确感知农业生产环境信息和作物信息，通过自组织的Zigbee网络，连接到上层的智能网关，组建农业生产信息基础数据库，利用数据库的共享功能，用户可远程访问数据库，获取需要的信息，指导农业生产过程。

1 农业物联网系统网络架构设计

农产品生产环境监测系统将Zigbee传感器网络与3G/4G 网络融合并接入互联网，系统采用三层结构设计：感知节点层、网络传输层和业务应用层。感知节点层由众多分布式部署的感知节点组成，节点能够搭载多个标量及多媒体传感器节点，在读取农业环境信息的同时，还能够自组织构成可自愈的高效无线数据传输网络，与上层的网关节点保持通信；网络传输层的主要设备是智能农业网关，有能够收集下层感知节点的ZigBee主节点模块和向上与互联网连接的3G /4G无线传输模块；业务应用层的数据中心包括农业基础信息数据库和 Web服务器，农业基础信息数据库负责数据保存，Web服务器负责向互联网信息。系统的工作过程如下：智能感知节点主动构成自组织的无线传感器网络，数据融合后与智能网关进行数据传输，智能网关在保存数据内容后，再通过3G/4G网络向使用者提供互联网服务，然后定期将数据上传给上级监管部门的数据服务器；上级监管部门或农业指导部门可以根据数据内容形成报告提供给农业从员者；各类用户可通过互联网终端访问该系统，查询感兴趣的农业环境参数，如有可能，还可对部分可控节点进行控制操作。

网络传输层的无线传感器网络采用类似于ZigBee的协议，智能农业网关通过ZigBee网络与多个节点或路由器相连，构成一个星形网络。

在网络接入协议的选择上，系统可根据环境要求和应用需要，自主切换到无线WIFI或3G/4G网络，并在节能需要的情况下关闭网络开关，形成速率自适应和节能的网络接入。

2 感知层的ZigBee智能感知节点设计

智能感知节点作为整个监测系统的信息采集源头，能够为整个系统提供完整和准确的数据。节点能实时采集农业生产相关的环境信息与作物信息，并且能够通过集成多种传感器，搭建一个自组织的ZigBee网络。其中的传感器种类，包括大气条件、气象信息、土壤湿度、水环境PH值等标量数据传感器，以及为农业生产者提供直观影像的图像传感器（摄像头）。经由节点采集的数据首先在节点处进行数据处理，然后经由ZigBee网络汇聚到网络区域内的智能网关。

考虑到各类传感器节点的能耗、购买成本、覆盖范围以及传输距离的限制，如摄像头的能耗较大、价钱相对较贵，可以覆盖较大范围，一个监测区域内安放一个摄像头就可以满足应用的要求。因此不必在同一监测区域内的节点上都采用同样的设计结构，可以分别连接不同的传感器连接网关。

3 结论

本文设计实现了一种基于物联网三层结构的农产品生产环境监测系统，该系统利用可灵活部署的智能节点实现了分布式的传感网络总局，实现了对农业生产现场的环境监测和基础农业数据采集。具体采用了自组织的Zigbee网络将广泛分布在农业现场的各类农业生产数据组织在一起，利用网络传送到智能网关给农业从业人员使用。系统重点解决了在分布式环境下对于智能节点的可靠性可用性设计、冗余数据的融合处理和网络的自组织问题，是农业物联网技术的一次成功应用。

智能农业论文:浅析智能仪表系统在农业电气自动化中的应用

摘 要：智能仪表系统现已经在农业中得到了应用，尽管目前应用并不广泛，但却足以证明智能仪表在农业中拥有着巨大的潜力。我国现阶段正在进行着新农村建设，智能仪表系统在农业电气自动化中的应用，无疑为新农村建设提供了科技基础。本文首先对智能仪表系统的工作原理进行了介绍，其次对智能仪表系统的功能特点进行了概述，最后探讨了其在农业中的应用，希望能够为我国农业发展提供借鉴。

关键词：智能仪表系统；农业；电气自动化；应用

由于科技的发展进步，仪表系统越来越向着智能化的方向发展，尤其是测量控制仪表系统发展十分突出。现如今，智能化测量控制仪表种类已经非常多，比如流量计、温度仪、调节器等都已经实现了智能化。这些智能化仪表系统的发展，为我国农业的发展起到了积极的作用。农户借助智能仪表系统，可以对农作物进行自动化的控制，以此提高农作物的产量以及质量。

1 智能仪表系统的工作原理

智能仪表系统要想在农业电气自动化中达到彻底的应用，有关人员必须对其工作原理完全了解，依据其工作原理，将其恰当好处的应用在农业中。传感器是智能仪表系统中不可或缺的一部分，其可以说是该系统的心脏。传感器拾取被测参量的信息，并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关。由单片机逐路选通模拟开关，将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中。单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理。运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时，单片机把运算结果与存储于片内或EEPROM（电可擦除存贮器）内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号。

2 智能仪表系统的功能优势

2.1 能够进行自动化操作。智能仪表系统应用在农业中，使得农业生产逐渐的摆脱了人类劳动，农户可以从土地中解放出来，去从事其他方面的工作。农业自动化是现代化的典型标志，因此智能仪表系统的应用是我国农业走向现代化的重要表现。智能仪表系统每一个测量环节，都是微控制器进行操作，因此每个测量环节都是自动化。

2.2 能够进行自测。智能仪表系统的自测功能有比较多，比如能够自动凋零、自动诊断、自动检验等。如果系统出现了异常情况，系统会进行自动检测，将故障部位查找出来，如果系统十分高级，甚至能够诊断出故障原因。此种功能可以在仪表启动时就发挥作用，在仪表运行过程中也能够发挥作用，因此不必再派专门的人员进行监控。系统运行期间发生故障，自会发出警报，诊断出故障部位，这对检查人员来说，十分方便。

2.3 能够进行数据处理。这是智能仪表系统最为显著的特点。因为绝大多数智能仪表系统应用的是单片机或者是微控制器，这样如果某些问题硬件逻辑难以解决，软件系统可以解决。比如数字万用表基本不具备处理数据功能，只能进行电流、电压测量，而智能仪表系统中的万能表，除了能够测量数据外，还能够对测量结果进行数据处理，比如取平均值、统计分等。这使得用户不必为自己进行数据处理，同时也确保仪器测量精度。

2.4 能够进行人际对话。智能仪表系统能够进行人机对话，这使得人们只要输入相关的数据信息，就能够找到相应的信息，以便能够及时采取对策。智能仪表系统应用的是键盘，其与传统的切换开关相比，更加的方便灵活，工作人员只需要掌握键盘输入命令，即可进行测量。另外，智能仪表系统还能够将数据信息处理结果报告给操作人员，操作人员通过显示屏即可了解数据信息，这样仪表操作不仅方便，还具有直观性。

2.5 能够进行可程控操作。因其具备这一功能，所以才得到了广大农业研究者的欢迎。现代智能仪表系统绝大多数都有通信接口，比如GPIB、RS485等，这样系统能够与PC机或者是其他仪器设备连接起来，构成完整的测量系统，该系统功能更加齐全，能够对复杂任务进行测试。

3 智能仪表系统在农业中的应用

随着智能仪器以及农业现代化的发展，智能仪表系统逐渐走入农业产业化中，更好的为农业产业化做贡献，其中TFW-VIII型智能化农业环境监测仪得到了广泛的应用。TFW-VIII型智能化农业环境监测仪是一种综合性能较全、测量精度较高、操作较简单的一种智能化农业及生态环境实用的测量仪器，可以对土壤、水和空气进行现场监测。该仪器内设置了GPS全球卫星定位装置，可以对测试地点的方位（经纬度）和海拔高度有较准确的测定。在土壤方面，它能较精确地测试土壤内的氮、磷、钾和有机质的含量，可以对土壤中的酸碱度（pH）值、盐分（电导）、其他微量元素和地层温度进行测量，对土壤的容积含水量进行现场速测，还可以对化肥进行检测。在水质测试方面，可以测试水中的溶解氧、水的浊度、温度、pH值和水的电导率。除此以外，还能对测点空气的温度和湿度进行实时在线监测。该仪器是一部数字化的智能型仪器，不仅设制了操作菜单、数据存储和打印，还可以与计算机实现联网，能最大限度满足使用者对被测物数据的测试、记录和存储的要求，是土肥站、农科所及相关农业环境监测部门首选的仪器之一。

4 智能仪表系统的优化

4.1 测量精度的提高

在智能仪表设计时，以测量精度作为主要的参数之一，为了提高仪表的测量精度，一般除了选择性能好和精度高的元器件外，同时也可以利用微处理器对测量数据进行加工与处理，以减少测量过程中产生的随机误差和系统误差。

4.2 系统的低功耗设计

高效率，低耗能是每个仪器的最终目标。智能仪表系统的低功耗设计是系统优化设计的一个重要方面。在低功耗设计时，应重点考虑以下几个方面：一是可选用CMOS集成电路，这是由于CMOS电路具有功耗低、抗干扰能力强和工作温度范围宽等特点；二是系统功耗和系统供电电压存在着一定的关系，一般来说，供电电压越高，系统功耗越大，因此低功耗单片微机系统应尽量采用低电压供电，这样既能减少系统功耗，又有利于电池供电。

结束语

综上所述，可知对智能仪表系统在农业电气自动化中的应用进行研究十分必要。农业作为我国第一大产业，其发展直接关系到我国国民经济的发展，也关系到农民的生活水平。智能仪表系统在农业中的应用，能够促进我国农业尽早的实现现代化，尽管目前，该系统并不完善，甚至有诸多不足之处，但是将其应用在农业电气自动化中是农业发展的必然。随着使得的发展，智能仪表系统会成为农户日常中不可缺少的设备，也是我国农业研究者重点研究的对象。

智能农业论文:基于yeelink网络平台的智能农业远程控制

民以食为天，农业的发展一直是社会发展与进步的基础，利用现代传感器技术可以使人们更有效地调整和控制大棚农作物生长的环境，从而达到提高农作物的产量，有效地利用资源，缩短农作物的生长周期的目的。而针对传统远程监控系统不能历史数据存储以及需要固定外网IP地址的瓶颈，从而设计了基于yeelink云存储的远程大棚监控器，文章详细介绍了系统组成，工作原理，以及实验结果。实验结果表明，该装置组网简单，使用方便，结果精确。

【关键词】农业 网络平台 智能控制 单片机

1 系统控制要求

远程控制界面使用4个虚拟按键（电灯控制器、电热丝开关、移动天窗开关、喷滴灌系统开关）用于远程控制；使用光照传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤传感器、烟雾传感器对环境进行数据测试并且通过W5100发送到yeelink网络平台；数据带有临界报警功能。

2 系统方案

以arduino单片机为控制器，以W5100网络模块为核心，单片机的I/0直接与W5100网络模块通信，系统在程序的的控制下，按照网络yeelink协议把数据循环排队传到yeelink云存储上或下载到单片机上，方便用户实时查看过去任何一段时间的数据和控制单片机进行相应的处理。

3 工作原理

远程环境监控器是一款基于yeelink网络平台的数据云存储，它是以 arduino单片机为处理核心，通过各种传感器探测环境数据，并且通过w5100网络模块接入互联网，通过循环排队等候的方式源源不断把数据发到yeelink网络平台上和把yeelink网络平台上的数据接受到单片机上面，方便用户实时查看过去任何一段时间的数据和控制单片机进行相应的处理。

4 硬件设计

采用光照传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤传感器、烟雾传感器作为数据采集点，然后通过arduino单片机进行处理，把数据通过W5100网络模块发送到yeelink云存储平台

5 软件设计

到yeelink官网免费申请帐号，通过帐号申请ID号码，如果没有外网IP，则把路由器设计成自动获取IP地址，并且在程序里面改成自动获取IP地址。

6 远程电脑网页监控

如图1所示。

7 远程手机监控

如图2所示。

8 结论

采用yeelink网络平台实现农业现代化管理，有效提高农业生产效率和大大降低农民的工作量，将大量的传感器节点构成监控网络， 通过各种传感器采集信息， 以帮助农民及时发现问题， 并且准确地确定发生问题的位置， 这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。一场农业科技革命的浪潮正在席卷中国大地：越来越多的人放弃了传统耕作模式，开始用传感器与农作物进行“交流”，成为智慧农业时代的“新农人”。这就是设计基于yeelink网络平台的智能农业远程控制价值所在。

作者单位

邵阳学院 湖南省邵阳市 422000

智能农业论文:农业智能节水灌溉系统的设计分析

摘 要：我国是一个农业大国，然而我国水资源非常缺乏，这就阻碍了农业的发展。农业灌溉所需要的水资源非常多，而现阶段我国农业灌溉技术相对落后，这就造成了在农业灌溉中水资源得到了大量的浪费。随着我国科学技术的发展，人们开始重视农业生产，将一系列的先进技术引入到农业生产中，其中在农业灌溉中充分利用计算机技术和信息技术，设计出了各种不同类型的智能化节水灌溉系统，这不但节约了大量的水资源，还使得农作物的灌溉更加科学合理，提高农作物的产率。文章简要分析了农业智能节水灌溉系统的设计方案，希望能给读者一些帮助。

关键词：农业灌溉；智能节水；设计分析；单片机

目前，农业智能节水灌溉系统主要是把AT89C52单片机作为主控芯片，而又是有多个传感器以及电路共同组成，主要包括：湿度传感器、超限警报电路、数据处理电路和LED动态显示电路等。该智能节水灌溉系统主要是通过由湿度传感器监测土壤的湿度，然后将湿度值报告给单片机，单片机再根据预先设定的湿度值控制其它系统对土壤输送水分，待达到规定的湿度值后，系统则自动停止补充水分，让土壤始终保持最合适的湿度，进而促进农作物的快速生长。

1 智能节水灌溉系统的整体设计

智能节水灌溉系统是把型号为AT89C52的单片机作为系统的主控芯片，在土壤中安装多个湿度传感器，由它来监测土壤中水分含量。当土壤中含量低于标准值时，湿度传感器则将这个信息转化成电流信号，再通过信号处理电路进行一系列的处理后就变成了可用的电压模拟性信号，然后通过A/D转换器将它转化为数字信号，直接传输到主控芯片单片机中，单片机就对整个系统进行合理地调控，在数码管上会显示出湿度值。一旦湿度值发生了变化，该智能节水灌溉系统就会自动控制水泵开关。农业智能节水灌溉系统结构框图如图1所示：

图1 智能节水灌溉系统结构图

2 单片机的最小系统

AT89C52单片机具有功耗低、性能高的优点，在农业智能节水灌溉系统中得到较为普遍的应用。该单片机在工作时的额定电压为5V，在单片机的内部存在一个256B的RAM和一个8kB的PEROM，这就保证单片机能够与标准MCS-51指令系统共同控制运作，这主要是运用了由ATMEL公司研制出的高密度生产技术和非易失性存储技术，在单片机内部还分布着Flash存储单元和8位CPU，芯片为40个引脚，这就包括了32个外部双向I/O口、2个全双工串行通信口、2个外部中端口、2个16为可编程定时计数器。该芯片不仅能够实现常规编程，还能够实现在线编程，依靠可反复擦写的Flash存储器与MCU将其有机结合，这就直接使得芯片的灵活性得到大幅度提升，还减少了系统的制造成本。

3 时钟电路

单片机的内部结构从根本上分析也即是同步时序逻辑电路，其核心就是时钟电路，主要依赖于时钟信号对时序逻辑系统进行有效控制，并且CPU具备的不同种指令功能即是在由时序单路生成的时钟信号控制下逐一实现的。其中，MCS-51型号的单片机中所含有的时钟信号可以分为两种方式：通过外部电路生成；通过单片机内部的振荡电路生成。

4 复位电路

为了确保CPU与其它相关的功能部件均可以从某个确定的状态开始工作，因此，单片机在每一个开机时都必须重新复位，此时，复位电路就起到了关键作用。复位电路一般分为按键复位和上电复位等形式。在对MCS-51型号的单片机进行复位时，主要是由外部复位电路来完成，其工作原理为：当按下按钮之后，就使得RC电路进行充电，且RESET端发生高电平，此时只要将高电平始终维持在10ms以上，即可完成单片机的复位工作。

5 数据采集处理电路

由传感器监测到的模拟信号是非常微弱的，并且此时存在很多干扰信号，所以信号在传输到主控芯片之间就必须通过滤波、信号放大以及模数转换等步骤。该智能节水灌溉系统通过运算放大器U2、U3把信号进一步放大，进而能适应之后A/D转换器的工作要求。

ADC0809主要包括一个A/D转换器、一个8通道模拟开关、一个三态输出锁存器和一个地址译码锁存器等，该数据采集处理系统可以同时允许8个模拟信号传输，并实现A/D转换器的转换共享。

6 LED显示系统电路

在采用单片机的系统中，一般所采用到的显示器件包括数码管和显示器。这两种器件具备的优势十分明显，包括价格便宜、配置容易、与主控芯片接口简便等。可以在农业智能节水灌溉系统中采用共阴极数码管，实现动态显示。把数码管的LED的引出端与单片机I/O口的8位线进行连接，调节共阴极数码管的高电平使之有效，再选择8位并行输出端，则就可以在LED显示器上实时显示不同的数值。

7 超限警报电路

如果该智能节水灌溉系统的运行环境超出预置的范围，就需要设置一个超限警报电路来提醒使用者，以便及时采取有效措施加以解决，现今普遍采用的报警电路主要包括：蜂鸣报警、闪光报警及语音报警等。例如，采用语音报警装置，则一般选择采用1SD1420型号的语音报警芯片，由A/D转换器传出的数字信号经过主控芯片的P0接口输送到主控芯片内，然后由主控芯片对信号进行智能化处理并与配置值作对比。如果比预置值要小，那么P2.1口将会输出低电平，单片机就会控制语音芯片发出报警信号；反之，那么P2.1口将会输出高电平，系统不会出现语音报警信号，则系统运行正常。

8 结束语

本文简要介绍了农业智能节水灌溉系统设计组成，这体现了自动化技术在我国农业灌溉中的有效应用，同时也体现了我国农业科技水平的显著提高。而目前，我国农业灌溉的智能化水平在整体上看来偏低，这需要国家农业部门进一步加大农业智能化研发力度，在农田灌溉方面设计出高度智能化、自动化的供水系统，既能节约大量的水资源，还能促进农作物快速成长。

智能农业论文:农业节水灌溉智能控制及信息化系统的研究与推广

【摘 要】介绍了一种适用于广大农村推广使用的节水灌溉信息化系统。只监测用电量就实现了对水量使用的有效控制，控制器内存储的灌溉记录极大地便捷了各级管理部门的工作。结合北京市多个实际项目的实施及售后经验总结，通过对几款不同特色信息化系统的优缺点分析，文章最后对该系统的推广与发展趋势进行了探讨。

【关键词】节水灌溉；无线通信；信息化管理；水电计量

1 技术背景

随着电子技术及信息化的飞速发展，计算机控制与管理技术的运用已广泛深入到各个领域。智能灌溉控制器，是为了提高灌溉效率并实现信息化智能管理而发展起来的一款电子产品。考虑中国土壤面积广、人多、地形复杂以及人文特点，绝大部分的土地无法实现智能灌溉。为了实现准确计量和有效管理，广大农村可采取简单可行的节水灌溉控制措施。此举不仅具有广阔的市场前景，而且具有不可估量的社会价值。

2 农业灌溉智能控制的现状

农业灌溉用水一直主要考虑收取电费，对用水量没有概念。用户灌溉前，需找电工记录电表读数，灌溉后再记录一次，向村里缴纳电费即可。这样既浪费了人力资源及大量的时间，又不准确，且不便于统计管理，尤其对于科学灌溉和信息化管理毫无作用。鉴于此，市面上出现了各种IC卡预付费电表，当用户IC卡内金额足够的时候，刷卡时候预付费电表通过内部控制电路发出开泵指令，启动井泵开始灌溉；当用户主动刷卡停泵或是IC卡内金额不足时，电表发出停泵指令，停止井泵运行。虽然方便了电费的收取，一定程度起到了管理的目的，但是经笔者调查，用户普遍反映设备故障率较高维护不及时，影响用户使用；管理系统只记录了售电情况，管理系统不完善，没有受到上级管理者的认同和推广。

3 农业节水灌溉信息化系统的研究与发展

3.1 精细型信息化系统

此系统需要提前收录该村所有用户的用户名、所有地块信息（包含地块的位置、面积以及种植作物类型）和灌溉方式，并写入智能控制器内。使用过程中，用户通过IC卡识别出自己的资料，并选定地块及作物后启动井泵开始灌溉，同时开始计量电量，当用户再次刷卡时结束灌溉，控制器存储该用户此次的记录信息。由管理员定期利用智能掌上电脑（下文简称PDA），通过蓝牙的无线通讯，将控制器内存储的所有记录信息传送到PDA内。再通过USB数据线将PDA连接到PC机上，在管理软件中导入所有的记录信息，统计出每月的总用水量及每种作物的灌溉时间及用水量，经由GPRS无线传送给上级管理部门。如下图1所示。

图1 节水灌溉信息化系统

此款设备操作明了，记录信息详尽，但也存在一些不足：（1）控制箱的设计存在一定问题；（2）前期所提供数据量太大，村里管理员用到的数据量很小，且上级管理部门目前也不具备全面管理所有地区灌溉资料的力量；（3）控制器内存储的信息过多，设备老化快；（4）控制器与PDA之间是双向操作，对设备的寿命及稳定性都造成不利影响；（5）蓝牙传输不够稳定且速度太慢，不够人性化。

3.2 简单实用型信息化系统

考虑精细型操作过于复杂，在第二代产品的研发过程中，将人性化设计和有效管理放在了第一位。用户直接刷卡进行灌溉，控制器自动存储灌溉的起始时间、终止时间、用户信息、使用电量；管理员利用PDA通过红外技术将控制器内的灌溉信息抄取到PDA内；再将PDA与村级管理平台PC机连接，信息导入管理软件中；由GPRS无线传输给上层管理平台。

改进点：（1）控制器内部芯片也进行了升级，确保了设备的稳定性和寿命；（2）控制器只通过村庄编码来识别用户卡，简化了操作方法，保证灌溉记录的完整性和准确性；（3）在管理软件上，针对机井录入了相对的灌溉面积及作物种类，统计灌溉时间、用电量，通过水电转换系数来变换成相对的用水量，满足用户需求；（4）将蓝牙传输改为红外传输，确保了数据传输的稳定性和完整性。（5）改进了控制箱的设计，将进线孔全部封闭。

经过一段时间的运行，设备返修率仅为5%，且满足上级管理部门的基本需求。在定期维护时候，又发现了一些新问题：（1）灌溉记录的抄取需要人为操作，且抄取时间不定，不能同时满足各级管理者的不同需求；（2）通过估算水电转换系数，来计算用水量，误差太大。

3.3 实用拓展型信息化系统

在此基础上，经过笔者公司相关专业人员的研究，应管理部门的新需求，在北京顺义区又展开一个新项目，在简单实用型的基础上，又开发了控制器与超声波水表之间的无线数据传输、控制器与村级管理PC机的无线传输两种新功能，以及健全信息化系统。（1）设备的使用环境条件较好，配备了超声波水表，可以将水表读数直接无线数传给灌溉控制器，在用户使用过程中实时显示灌溉的用水量以及用电量，保证了用水量及用电量数据的准确性，同时为水电系数计算提供了参考数据；（2）控制器可以直接将灌溉记录定时通过无线组网方式无线传输给村级管理平台的PC机，并由PC机通过GPRS传输到上级管理平台。（3）在管理平台上，细化了机井的各种信息，并关联了用户的地块面积、作物类型，由管理员记录到软件管理平台上。可以随时按照用户名、机井来统计总的用水量、用电量，使得管理更加智能化。

设备运行良好，维护率很低，且管理简单，受到了用户、村级管理员和上级管理部门的好评！

4 农业节水灌溉信息化系统的应用与推广

目前在大兴、顺义多地大力推广该系统的使用。电子化、信息化、智能化、网络化是管理系统的发展必然趋势，提高无线传输的稳定性、更人性化的处理用户误操作导致的设备故障，以及更恰当的迎合上级管理部门的需求，才能最终实现节水灌溉控制及信息化管理系统的全面推广。

智能农业论文:基于ZigBee传感网的农业智能照明系统

摘要：将LED技术和ZigBee技术相结合，设计了一种智能照明系统应用于农业照明。结果表明，系统能实时监测环境参数并报告故障，对LED灯进行实时控制，节约了电能。解决了农业照明不同光色、光照度及照射时间等需求，提高了管理水平。

关键词：ZigBee;LED驱动;PWM控制

ZigBee网络属于短距离的无线通信网络，能适应复杂的网络环境并快速方便地添加或重新配置网络节点，形成短距离无线通信子网。节点布网成本低、灵活性和可扩展性强，适合组建短距离的无线传感网。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准，以星、树、簇等拓扑方式实现了数千个微小的传感器之间的协调沟通[1]。

随着节能减排技术的发展，基于无线传感器网络的分布式LED智能照明系统的研究与设计具有重要的现实意义。不同的发光二级管P-N结构成的LED灯其发光颜色不同，此次介绍的农业LED灯则根据不同农作物的需要选取。LED灯的颜色由其本性决定，这里着重介绍LED灯驱动电源的设计及其驱动方式。

1 系统硬件选型及电路搭建

系统采用点对点控制方式、树形组网[2]，以PC（Personnel Computer）基站式和手机移动式两种方式控制WSN（Wireless Sensor Network）的各个节点，以PWM（Pulse Width Modulation）方式控制各个终端的发光亮度，通过光照度传感器采集光照度信息以达到适应不同的外部光照环境来实时控制，有手动和自动控制两种方式。系统硬件大致分为传感网模块和LED驱动电源模块，软件是上位机应用软件。

1.1 节点设计方案

系统中各终端设备和路由设备采用相同设计，充当路由的设备完成信息转发的中继功能，由终端设备完成信息的采集和对LED驱动电源的控制。协调器设备完成网络的发起和建立，并为各个节点分配LAN内的短地址，以RS232串口和计算机互联通信，完成对节点的控制和信息显示。

系统的硬件要求控制芯片应满足工业环境监测要求的通信延迟、通信的可靠和能量损失小的要求[3]。通过ZigBee协议标准的编制，使用成本低、开放、低功率无线互连的国际标准的片上系统芯片CC2530为本系统的传感节点。它能建立低功耗、大规模的传感网络[4]。CC2530采用F256版本，具有256 kB的闪存。

根据CC2530芯片的内部架构设计了射频组件，作为其信号收发前端，并将其安置到电路上，组成一个能收集现场信息并能控制LED驱动芯片的终端节点。该节点上有温湿度传感器、光照度传感器，节点将现场感知信息通过路由设备传输到协调器设备，协调器根据设定的光照度阀值和现场光照度发送PWM控制命令，再通过终端节点完成对LED驱动电源PWM_D脚的控制。图1是系统的射频前端电路，图2是节点模块电路，图3是协调器电路。

1.2 LED驱动电源设计

系统提供的LED驱动电源能满足LED日光灯、球泡灯等LED灯的恒流驱动，能满足高可靠性、高效率、高功率因数、浪涌保护及电磁兼容的要求。智能调光方式为根据对高功率LED驱动芯片HV9910的PWM_D脚输入PWM信号来对MOS管进行开关控制来调光，最高输入为300 kHz，以满足LED灯不同亮度的要求。

电流输出方式是根据控制MOS管的断开时间来控制输出电压，终端节点输出的PWM信号最大为300 kHz。试验中所使用的LED灯设定的正常工作电流ILED为350 mA，纹波电流正常取ILED的30%。振荡器的工频可以用外部电阻接在HV9910芯片的ROSC端将其控制在25 k～300 kHz，频率值计算方式为FOSC=25 000/（ROSC[k？赘]）[kHZ]。根据HM9910数据手册，电感的计算方式为：正常整流后的电压为 ■VIN，因此开关占空比D=VLED/■VIN，则功率管的导通时间TON=D/FOSC，由这些必要的值求出电感大小为L=（VIN-VLED）TON/（0.3ILED）。

2 软件设计流程

软件设计部分分为协调器模块（路由模块）和终端模块，协调器模块负责网络的发起和建立，并选择优先信道，建立好网络后便充当一个路由设备与PC互联，将终端感知的温度、湿度和光照度等信息通过UART方式传输至PC控制软件，在控制软件上可以对各终端选择控制，图4是协调器的工作流程。

终端模块先申请加入网络，稳定工作后实时将采集的现场信息传输给协调器，再根据协调器的命令对LED驱动电源发送PWM信号，以能够实时控制LED灯的亮度。图5是终端的工作流程。

在控制方式上有两种，一种是在上位机上直接操作，有手动和自动两种方式可选。另一种方式是通过手机发送短消息给终端节点，以完成点对点控制，不过这种方式要求知道终端节点的节点号，不便于操作。表1是终端控制参数设置方式。

3 实测效果

系统中各节点采用树形组网方式，将各个终端节点分布在照明现场，各终端LED灯色根据不同应用进行选取。终端及时地将现场信息采集至管理处，在PC终端可查看现场的温度、湿度、光照度信息，系统有手动和自动两种控制方式，控制人员根据现场采集的信息发送控制命令给每个终端，进行点对点控制，节省了人力和电力。图6是部分LED灯PC端的控制信息。

4 小结

将ZigBee技术和LED应用相结合，设计出了一种应用于农业大棚照明的智能系统，降低了能源消耗，提高了照明的可靠性，在照明方式和实时控制上能取得显著的效果。ZigBee传感网的建立在其节点的能耗上有一定的时限，并且在定位应用的精准度上有一定的困难，具体还有待进一步研究。

智能农业论文:刍议农业智能物联网

摘 要

农业物联网平台适应于多种农业生产场景（植物种植、禽畜饲养、水产养殖等），覆盖农业产业链的种养、检验、销售采购、物流运输和安全回溯等多个环节。农业物联网平台由传感器系统和云控制服务平台构成。农业物联网传感器系统是由大量的传感器节点构成监控网络，采集环境温湿度、光照强度、土壤墒情、空气状态等信息，以帮助管理人员准确地发现定位问题，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

【关键词】农业智能 物联网

基于UHF抗扰加密技术的农业物联网传感器系统以先进的正交频分复用（OFDM）和时分复用（TDM）通信同步综合技术为核心，采用新一代软件无线电平台架构，创造性的使用射频信号分集收发、发射器功率泄漏对消、跳频通信抗干扰、时隙轮询握手交互、基于密钥分散和3DES算法的通信数据加密等领先技术，具备高速并行计算处理能力，能够适用300-348 MHz、400-464 MHz和800-928MHz等ISM频段及短距装置（SRD）频带实时双向通信。农业智能物联网应具备如下功能：

1 发射器功率泄漏对消软件自适应算法，有效提升通信传输距离

设备的泄漏对消机制是指从射频发射器前向射频信号中耦合获得参考信号，并根据参考信号产生对消信号，用于利用所述对消信号对所述泄漏信号进行对消处理，经对消处理后的泄漏信号的幅度小于原泄漏信号的幅度，使得射频反向通信干扰信号大幅降低。

2 软件无线电技术，同步综合使用OFDM和TDM技术，抗干扰能力大幅增强

系统基于软件无线电技术的DSRC基带信号处理引擎，独创的信号纠错、还原、再生处理算法，先进的分集接收技术和解码算法，提升了对低质量弱信号的识别能力。

系统使用OFDM和TDM同步综合技术。在物理层，实现多个设备集（以无线网关为核心）处于不同频段，一旦发生通信碰撞，设备集将使用跳频通信算法自动选择新的频段，避免不同频段（多个设备集间）的通信干扰；在应用层，一个设备集是以无线网关为核心的星形拓扑结构，网关和各个采集设备使用基于时隙轮询的握手算法，分时同各个设备单独通信，避免同频段设备（设备集内）的通信干扰。

在相同通信频率和同一应用场景的情况下，针对多组通信距离，本系统设备通信成功率提高12.5%～75%。

3 通信数据使用3DES算法和密钥分散的软件加密机制，数据安全性显著提升

为了保证无线网关和采集器及控制器之间传输通道安全，系统设计了基于3DES加密算法和密钥分散的软件加密机制。3DES又称Triple DES，是DES加密算法的一种模式，它使用3条56位的密钥对数据进行三次加密。系统具备智能休眠和唤醒算法，实现性能和功耗的最佳平衡状态。

4 支持智能远程监控功能，对接云服务平台

完善的设备自检功能，多参数综合检测，故障快速定位及告警功能，方便工作人员及时掌握设备运行状态。支持智能化的远程监控技术，通过远程监视实现对设备系统的操作、升级、配置、查询、维护等操作。支持脚本化功能配置，灵活对接云服务控制平台。

智慧农业物联网系统是在与现有农业设施的机械、电气控制系统兼容的前提下，构建了一套功能完整、可裁剪、低成本农业生态信息远程监测控制物联网应用平台。该平台适应于多种农业生产场景（植物种植和禽畜养殖等），覆盖农业产业链的种养、销售采购、物流运输、安全回溯等多个环节。

从功能角度，农业生态信息智能化物联网应用系统由传感控制器网络系统和云服务控制中心构成。

传感控制器网络的核心部分是无线网关。该设备基于支持多天线超高频无线通信和有线通信模式，支持10M/100M/1000M以太网通信，支持WLAN/GSM/GPRS/3G无线通信。采集器和控制器可以使用有线或无线的方式连接到网关上，形成完整的农业现场传感器控制网络系统。

5 UHF无线通信技术

常用的无线通信包括3G/GPRS、蓝牙、WiFi、红外传输（IrDA）、ZigBee、SRD UHF等。这些通信方式各有特点，或基于传输速度、距离、耗电量等的特殊要求，或着眼于功能的扩展性，或符合某些单一应用的特别要求，或建立竞争技术的差异化等。

6 正交频分复用技术OFDM原理

正交频分复用技术OFDM是多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

7 跳频通信技术原理

跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。

近50年来，中国农业走过了一条高投入、高产出、高速度和高资源环境代价的道路。目前，我国农业水平和以生产效率高、经济效益好、技术密集与可持续发展等为主要标志的现代农业相比，存在较大的差距。2013年4月，国家农业部余欣荣部长视察天津农业工作时曾提出：“党的十八大提出了‘四化同步’发展战略，其中工业化是引领，城镇化是动力，农业现代化是基础，信息化是灵魂。”

作者单位

天津机电职业技术学院 天津市 300131

智能农业论文:智能中文农业垂直搜索引擎体系的架构与实现

摘要：针对互联网农业信息的多样性、复杂性以及我国“三农”的特殊性，研究并实现了智能中文农业垂直搜索引擎AgriRoom，介绍了AgriRoom的体系架构和系统实现中涉及到的关键技术：基于网页分类和多元线性回归分析的信息过滤技术、物理存储模式的分页式倒排索引技术、基于随机索引和潜在语义分析的语义检索模型。该系统目前已投入使用，取得了较显著的应用效果。

关键词：农业信息;垂直搜索引擎;体系架构

20世纪90年代初，搜索引擎开始应用于农业领域，多由商业公司开发，也有一些是由组织机构和政府部门研发的。从搜索引擎的质量来看，组织机构、政府部门开发和维护的农业搜索引擎的质量高于商业公司，主要是因为政府部门和组织机构都是农业相关部门，拥有先天优势。典型代表有美国农业网络信息中心（AGNIC）与美国普林斯顿建立的Agriscape Search等[1]。2007年，中国首个农业垂直搜索引擎――“农搜”上线，是目前全球数据量最大的中文农业垂直搜索引擎，其实现了“全文检索+语义检索”的智能检索功能[2]。同年上线的“华农在线”利用自然语言语义分析技术实现了信息处理的应用和在农业行业的垂直搜索。与此同时，我国还出现了一些提供农业信息搜索功能的网站。随着搜索引擎技术的发展，面对我国“三农”的特殊性以及互联网农业信息的多样性和复杂性，许多问题需要探讨，本研究构建了智能中文农业垂直搜索引擎AgriRoom，并从体系的架构、信息过滤、物理存储模式以及语义检索模型等方面进行了介绍，为构建智能中文农业垂直搜索引擎奠定了基础。

1 智能中文农业垂直搜索引擎体系的架构

课题组基于前期研究成果设计并实现了一个功能完备的智能农业垂直搜索引擎AgriRoom，其体系架构如图1所示。AgriRoom作为专注于互联网农业信息的垂直搜索引擎，从初始的种子站点到主题词库等都体现了农业特性，同时系统还具有专门的信息过滤模块筛选与农业相关性高的网页，从而既可以节约存储空间，又保证了信息的准确性。同时，为后期高效地检索打下良好的基础及保证系统的查准率和查全率，AgriRoom采用基于双索引库模式的潜在语义检索方式。首先，系统利用索引模块建立高效的分页式倒排索引库;然后，利用检索模块将其转换为双重语义空间，为后面的语义检索作准备。体系的架构图见图1。

1）专业网络蜘蛛[1]从农业种子站点列表中获得网页的URL，如果该地址不在舍弃URL队列中，则对互联网中相应的Web服务器进行网页抓取，并解析抓取的网页，提取该网页中的超链接信息和网页内容信息送信息过滤模块。然后，网络蜘蛛再继续抓取下一个网页进行同样的处理。

2）信息过滤模块接到专业网络蜘蛛送来的已解析页面后，根据农业主题词库中的主题词及其权值，分析该页面的内容是否与农业主题相关、是否是垃圾网页或导航页面。如果页面与农业主题相关度比设定的阈值低或页面为垃圾页面，则将此页面的URL送入舍弃URL队列。否则，将页面送入索引模块准备建立索引，同时，还将该页面存入农业网页数据库中。

3）索引模块将获得的页面信息，进行相应处理后，建立分页式倒排索引并存入索引库[3]中。

4）当所有抓取的页面都被索引后，检索模块读取分页式倒排索引库中的索引，通过随机索引[4]和潜在语义分析[5]建立较高效的双重语义空间。

5）用户输入查询条件后，检索模块对其进行解析和处理，转换为标准的查询语句;检索模块将查询语句和语义空间中的信息进行语义分析后，获得查询结果。最后，形成结果页面返回给用户。

2 智能中文农业垂直搜索引擎体系的关键技术

AgriRoom的实现需要综合应用多项技术，除了常规的网页抓取[1]、中文分词技术[6]外还涉及到了3项关键技术：信息过滤技术、分页式倒排索引技术以及语义检索技术。

2.1 信息过滤

为了有效地减小索引规模和提高系统效率，AgriRoom采用了一种基于网页分类技术和多元回归分析[7]的信息过滤模型如图2所示。整个工作流程可以分为训练过程和测试过程。在训练过程中，训练集实例经过预处理（文本抽取、中文分词）、抽取特征项、向量表示后，构建多元线性回归的数学模型，最后进行回归分析获得回归方程;在信息过滤过程中，每一个待过滤的中文网页经过预处理、向量表示后，代入多元回归方程中，判定该网页是否为农业网页。

从图2可以看出，构建该信息过滤模型的关键因素包括：建立训练集、网页预处理、特征选择算法、多元线性回归分析：

1）建立训练集。训练集是研究的起点和基础，但是与众多的面向英文的标准网页训练集相比，标准的中文网页训练集的起步很晚。到目前为止，只有一些中文文本训练集，还没有出现标准的中文网页训练集。为了解决该问题，动员100个学生手工在互联网上采集农业网页50 000张，其中，35 000张作为训练集，15 000张作为测试集;然后，以百度作为网络蜘蛛的种子站点，在互联网上随机抓取 12 000张网页，人工挑出7 000张非农业网页，其中的4 000张作为训练集，3 000张作为测试集。通过反复测试，最终确定训练集实例用于信息过滤。

2）网页预处理。网页预处理过程主要包括网页正文抽取;借助于中文分词工具对抽取后的文本进行中文分词;对分词后的结果建立索引。

3）特征选择算法。特征词不但是用来建立回归模型的因子，也是区分农业网页和非农业网页的最关键因素，特征词选取方法将对模型的识别效果产生重大影响。文本在深入研究了中文网页分类中典型的特征词提取方法的基础上，结合实际应用提出了一种新的特征词选取方法，其步骤如下：

a.从农业训练集索引文件中获取农业训练集分词结果集合Term1（t1，t2，…，tn）和对应文档频率集合Df1（df1，df2，…，dfn）;

b.从非农业训练集索引文件中获取非农业训练集分词结果集合Term2（t1，t2，…，tm）和对应文档频率集合Df2（df1，df2，…，dfm）;

c.从集合Df1中查询Term1中所有词条ti的文档频率，记为ny_dfi，再从集合Df2中查询词ti的文档频率dfi，记为fny_dfi，计算词条ti在农业训练集和非农业训练集中文档频率差值的绝对值C，即C=ABS（ny_dfi-fny_dfi）。对词条ti按C值逆序排序，选取C值大于预先设定的阈值的词条ti为区分农业网页和非农业网页的特征词。通过分别比较不同分词工具的特征词选取结果，最终确定了前100个特征词（表1）。

4）多元线性回归分析。多元回归分析[8]是一种处理自变量与因变量的统计相关关系的一种数理统计方法。虽然自变量和因变量之间没有确定性的函数关系，但可以设法找出最能代表它们之间关系的数学表达形式。回归分析有很广泛的应用，例如经验公式的求得、因素分析、产品质量的控制等。在进行中文农业网页识别过程中，利用获得的前40个特征词和MATLAB进行多元线性回归分析，最终获得可用于分类的回归方程，即分类器：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]为第i个特征词的对应值，若该词在网页中出现了，x[i]的值为1，否则为0;最终计算出的y值如果大于0，说明网页为农业网页，否则不是农业网页。

2.2 分页式倒排索引

为了解决常规倒排索引的检索效率低、不易更新等缺点[9]，AgriRoom采用一种分页式倒排索引结构（图3）。该倒排索引的存储模式采用数据库与磁盘文件混合存储，只将文档集合D存入数据库中而将词条集合T和倒排索引集合IT存入磁盘文件中。为了提高检索速度，AgriRoom将倒排索引散列为100份。每个文件夹下有3个文件，分别是IND、SITES和URLS，均为顺序文件。其中，IND文件中存储了每个词条在SITES文件中的偏移量（SitesOffset），包含该词条的站点个数（SiteCount）、该词条的文档个数（UrlCount）以及词条在文档集合D中出现的总次数（TotalCount）。SITES文件中存储了词条在各站点（Site_ID）倒排索引中的偏移量（UrlsOffset）。URLS文件存储词条的倒排索引并按照Site_ID聚合。

为了提高倒排索引的检索和更新效率，倒排索引文件在磁盘中以分页方式存储[10]。为了减少文件页内碎片，AgriRoom将倒排索引集合IT存入多个文件中，每个文件具有不同页大小，并在配置文件中指定每个文件的路径、文件名以及页大小（页大小是文件系统页大小的整数倍）。每个倒排文件有一个头页（HeadPage）和若干个数据页（DataPage）。在头页中存储该文件的页大小（PageSize）、页个数（PageCount）以及下一个空闲页的页号（NextFreePageNo）。在数据页中存储该页的页号（PageNo），如果单个词条的倒排索引数据长度大于数据页的大小则存储下一个数据页的页号（NextPageNo）、索引长度以及索引数据。一个数据页中最多只能存一个词条的倒排索引数据。由于HASH数据结构在内存中的等值查找性能最好，所以词条集合T和倒排索引集合IT在内存中以HASH数据结构存储以提高检索效率。倒排文件和词典文件在磁盘和内存中的结构如图4所示。

2.3 基于双重语义空间的语义检索模型

检索技术是智能中文农业垂直搜索引擎实现高效检索的核心技术之一，针对语义检索的现状和存在的问题，AgriRoom采用了一种新型的基于双重语义空间的语义检索模型[11]。该检索模型的基本思路是将检索过程分解为两个阶段：①利用改进后的随机索引技术[11]生成农业测试集的文档空间和词空间，然后获得查询句的语义向量，与文档空间中的向量进行比较，获得初选文档列表;②利用潜在语义分析技术生成文档空间的文档相似度矩阵[12]，利用文档间的相似度值，对初选文档列表中大于指定阈值的文档查找相关文档，并更新文档列表，最终获得结果列表返回给用户。AgriRoom的语义检索模型见图5。

3 系统的实现

基于系统的总体设计和相关研究成果，课题组构建了功能完备的智能中文农业垂直搜索引擎AgriRoom。从种子站点开始抓取互联网中的相关网页，并经过信息过滤后，建立农业网页数据库和分页式倒排索引库，再经过进一步的语义分析后，建立语义索引库，最终能够为用户提供方便、准确的农业信息检索服务。

3.1 开发环境与工具

系统开发的硬件环境为：64位曙光刀片服务器，其主要配置为4 GB内存，260 GB硬盘容量;软件配置为：Redhat Linux操作系统，其内核为2.6.31.5-127.fc12.i686.PAE，编译器为GCC 4.4.2，Web服务器为Apache 2.x。系统的后台数据库为：MySQL。

4 小结

面对海量的互联网信息资源，如何快速而有效地获取个性化的农业知识和信息资源成为数字农业迫切需要解决的问题。智能中文农业垂直搜索引擎的出现将有效解决农业信息“迷航”问题。因此研究构建了智能中文农业垂直搜索引擎的关键技术，提出了基于网页分类和多元线性回归分析的信息过滤技术、分页式倒排索引技术以及基于随机索引和潜在语义分析的语义检索模型。最终，构建了功能完备的智能中文农业垂直搜索引擎AgriRoom。经过实际应用证明，该系统能够为用户提供方便、准确的农业信息检索服务。

智能农业论文:基于NRF905的智能农业无线通信系统设计

摘 要：智能农业是农业领域推出的第一代拥有自主知识产权的远程环境监测系统。它是通过光照、温度、湿度等无线传感器，对农作物温室内的温度、湿度信号以及光照、土壤含水量、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数进行实时采集，自动开启或者关闭指定设备（如远程控制浇灌，开关卷帘等）。同时在温室现场布置摄像头等监控设备，实时采集视频信号。用户通过电脑或智能手机终端，随时随地观察现场情况，查看现场温湿度等数据和远程智能调节指定设备的运行状态。现场采集的数据，为农业综合生态信息检测，对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。前端设备支持多种传感器的接口，同时支持音频，视频功能，可以有效的为农业专家提供第一手的现场专业数据。

关键词： 智能农业；无线传感器；远程监控；实时采集

一、物联网概述

（一）物联网技术的背景

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，物联网技术被誉为全球一个新的经济增长点，国家和政府部门非常注重物联网产业的发展，据新华社报道，在各省启动的十二五规划中，有23个省份将物联网作为重要的发展目标。

物联网（The Internet of things）是指通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统（GPS）、二维码等信息感知设备，按约定的协议连接起来，通过有线或无线网络的组织模式进行信息交换和通信，以实现智能化识别、数据采集、智能控制、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网技术在农业中的应用，既能改变粗放的农业经营管理方式，也能提高动植物疫情疫病防控能力，确保农产品质量安全，引领现代农业发展。

农业物联网是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为重心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和技术为中心，大规模地使用各种自动化、智能化、远程控制的设备的生产模式。

短距离无线数据通信系统一般情况下由终端节点、通信系统节点及管理器节点组成，其系统结构框图如图1所示。

（二）智能农业系统的功能介绍

物联网智能农业平台系统由前端数据采集系统、无线传输系统、远程监控系统、数据处理系统和专家系统组成，其各部分系统功能介绍如下：

1.智能农业数据采集系统

数据采集管理系统主要负责温室内部光照、温度、湿度和土壤含水量等传感器采集的数据以及视频监控数据的采集和管理。可为用户在电脑与手机终端上实时、直观的展示采集到的数据。用户可以在平台上查看自己需要的数据，包括实时数据采集、历史数据管理，以及为用户提供自定义打印报表，提供各种汇总统计信息，对数据库备份等服务，从而方便的得到数据信息，辅助决策等。

实时采集的数据主要为各类传感器采集的数据和视频监控采集的现场视频数据。温度包括空气温度、浅层土壤温度（土下2cm）、深层土壤温度（土下5cm）；湿度主要包括空气的湿度、浅层土壤含水量（土下2cm）、深层土壤含水量（土下5cm）。传感器采集数据的上传采用ZigBee无线传输模式，ZigBee发送模块将传感器的采集数据传送到ZigBee节点上。

用户可以在农业物联网平台上或通过手机终端等查看现场的实时采集的数据，并且在界面上可显示实时采集数据的曲线图。

2.智能农业视频监控系统

视频监控系统采用高精度摄像机对农田或大棚等进行视频监控，系统清晰度和稳定性等参数均符合国内相关标准。

在大棚内安装视频监控系统，平台将视频监控文件进行处理传给后台管理子系统，可在微机终端进行查看，后台管理系统将视频监控文件进行处理通过WAP方式利用手机终端进行查看。企业管理层或相关管理结构负责人可通过手机视频来了解农业示范区现场动态情况。系统可以通过视频监控植物的成长过程（实时、录像）供远程学习。

3.智能农业预警系统

当采集数据超过系统预先设置的限制是，将开启系统报警功能，并发送短信告知相关管理人员，便于对农作物生产的管理。

4.智能农业设备远程控制系统

设备远程控制系统主要有控制设备和相应的继电器控制器控制电路组成，通过继电器可以自由控制各种农业生产设备，包括喷淋、滴灌等喷水系统和卷帘、风机等空气调节系统等。用户可通过电脑或手机终端对设备直接操控，完成日常工作。

二、NRF905的概述

（一）NRF905概述

NRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz 3个ISM频道，频道之间的转换时间小于650us.自动产生前导码和CRC校验码，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。[8] 器件连接简单，无需外部SAW滤波器。芯片内部本身附带功率放大器、频率合成器、调制器和晶体振荡器等部分，其中输出功率以及通信频道可通过编写程序进行配置。从NRF905的芯片手册中查到，其功耗十分小，当以10dBm 的功率发射时，工作电流仅有 30mA，同时支持多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5μA，节能设计更加方便。

（二）工作原理

该系统主要是实现的是点对点无线收发数据的过程，单片机将地址和数据写完后，就要控制NRF905无线收发模块将接收到的数据发送出去，NRF905发送模式会自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚（即DR）通知单片机数据发送完毕。下面是NRF905发送数据的流程：（1）当单片机发送数据的时候，根据时序图将要发送的数据以及接收机的地址通过SPI接口传送给NRF905，SPI接口的速率在通信协议和期器件配置时已经确定；（2）通过单片机置高TRX_CE和TX_EN，激发NRF905的射频发送（ShockBurstTM）模式；（3）NRF905的ShockBurstTM发送；（4）若单片机将AUTO_RETRAN寄存器设置为高电平时，此指令表明需要再次发送数据，NRF905无线模块将实施重发，持续到STC89C516RD+单片机将TRX_CE变为低电平为止；（5）当TRX_CE被置低时，表示NRF905发送数据过程完成，芯片将自动进入空闲模式。[14]

三、系统硬件设计

节点硬件结构。本系统的通信底板以STC89C516RD+单片机为核心，通过Altium Designer软件自行设计通信子系统的PCB板，将NRF905无线收发模块安放在预先设计好的的系统板上。串口电路部分采用MAX232芯片，搭建光照强度传感器、温度传感器、湿度传感器等，硬件结构简单，性能稳定，同时有效的节约了成本。

四、系统运行流程

软件构架。本系统工作时首先节点1先设定为发送模式，通过外接各种传感器将采集到的数据传送数据给节点2，然后等待节点2接收，当节点2得到正确的数据之后，又将反馈信息发送给节点1，当节点1得收正确的反馈信息之后，系统板上的LED灯将会点亮，则说明发送接收成功。

五、运行结果

系统硬件连接实物图如图2所示。

数据收发完全正确，其结果显示如图3所示。

短距离无线数据业务以其低功耗、数据传输可靠、信息容量大等特点正被应用到广阔的应用领域。本文首先对其发展前景和应用现状及无线通信系统的广泛应用进行了概述，重点是对本课题所采用的STC89C516RD+型单片机与无线收发模块NRF905，再使用LCD液晶显示器进行实时显示来完成NRF905的无线通信系统设计，同时对短距离无线通信技术的结构特点进行了较为详细的论述，对其发展前景也进行了深入的研究。

无线通信技术，正在迅猛发展并广泛应用于各个领域。本文对其在盲区无线智能通信系统中的应用作了一些有益的研究并取得了一些成果，但仍有许多问题可待进一步的研究解决。（1）提高节点集成化，缩小体积。本文制作完成的节点是由微控制系统板和射频通信板组成的，体积较大。在以后的电子技术发展中可以同时将射频通信系统和微控制系统以及一些相关应用集成到同一芯片上，将会极大缩小节点体积。（2）能耗管理智能化研究，进一步降低能耗。本文所作研究对能耗管理方面通过采用系统定时休眠来达到节能的目的。进行能耗管理提高系统自身运行的稳定性，延长系统的使用时间，最终提高了系统自身的应用效益。

利用无线传感器网络实现数据传输是农业环境测控系统通信问题的有效方法。将无线传感器网络技术的农业系统环境信息采集与监测控制系统用于农业环境数据的接收、实时显示和存储，并通过无线方式实现与远程管理中心的通信，成功地解决了传统农业下的各种问题，无线传感器网络技术必将更大更广阔的农业领域中发挥越来越重要的作用。

[作者简介]葛付伟，南开大学滨海学院电子科学系，教师；毛建新，南开大学滨海学院电子科学系，本科在读。

智能农业论文:基于ZigBee技术的智能农业大棚的研究

【摘要】智能农业控制通过实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，自动开启或者关闭指定设备;可以根据用户需求，随时进行处理。本文提出了利用ZigBee技术进行无线传感的智能农业大棚设计，为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据。

【关键词】ZigBee;智能;农业大棚;物联网

一、概述

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

智能控制是为了达到节能、舒适、便利的目的，要求对市政、家庭、农业等的智能控制和监视制定细致的策略和方案。但是，传统的智能控制系统由于很多因素的制约，很难达到要求。为了解决这些问题，业界尝试了很多办法，但基本上都属于封闭式的，多采用私有协议，彼此间难以互通，导致结构不透明，灵活性、扩充性不佳。从长远看，智能控制系统的发展趋势是走向开放，尤其是智能控制与互联网的融合是其中一个重要发展趋势。

二、智能农业大棚的应用分析

通过对农业大棚内的温湿度信号、光照度以及土壤的水分等参数的采集，能够根据用户设定的参数，自动开启或关闭设备，来达到大棚内的参数平衡。这样，可以实现农业生态信息的自动监测，对大棚内设施进行自动控制和智能化管理。

大棚监控及智能控制解决方案是通过光照、温度、湿度等无线传感器，对农作物温室内的温度，湿度信号以及光照、土壤温度、土壤含水量、CO浓度等环境参数进行实时采集，自动开启或者关闭指定设备（如远程控制浇灌、开关卷帘等）。在每个智能农业大棚内部署空气温湿度传感器2只，用来监测大棚内空气温度、空气湿度参数;每个农业大棚内部署土壤温度传感器2只、土壤湿度传感器2只、光照度传感器2只，用来监测大棚内土壤温度、土壤水分、光照度等参数。所有传感器一律采用直流24V电源供电，大棚内仅需提供交流220V市电即可。 每个农业大棚园区部署1套采集传输设备（包含中心节点、无线3G路由器、无线3G网卡等），用来传输各农业大棚的传感器数据、设备控制指令数据等到internet上与平台服务器交互。 在每个需要智能控制功能的大棚内安装智能控制设备1套（包含一体化控制器、扩展控制配电箱、电磁阀、电源转换适配设备等），用来传递控制指令、响应控制执行设备。实现对大棚内的电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。

三、系统架构研究

1、总体架构

系统的总体架构分为传感信息采集、视频监控、智能分析和远程控制四部分。

2、传感信息采集分析：

数据采集系统，主要负责温室内部光照、温度、湿度和土壤含水量以及视频等数据的采集和控制。数据传感器的上传采用ZigBee无线传感模式。 传感器的数据上具有Zigbee模式和RS485模式两种，RS485模式中数据信号通过有线的方式传送，涉及大量的通讯布线。而在Zigbee传输模式中，传感器数据通过Zigbee发送模块传送到Zigbee中心节点上，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也通过Zigbee发送模块传送到中心节点上，省去了通讯线缆的部署工作。中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令发送到上位机的业务平台。用户可以通过有线网络/无线网络访问上位机系统业务平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。Zigbee模式具有部署灵活、扩展方便等优点。所以，在这里我们采用的是Zigbee模式。

3、控制系统分析：

控制系统主要由一体化控制器、执行设备和相关线路组成，通过一体化控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，包括喷水系统和空气调节系统等，喷水系统可支持喷淋、滴灌等多种设备，空气调节系统可支持卷帘、风机等设备。 采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，现有大棚设备支持3G、有线等多种数据传输方式，在传输协议上支持IPv4现网协议及下一代互联网IPv6协议。 业务平台负责对用户提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括环境数据监测、数据空间/时间分布、历史数据、超阈值告警和远程控制五个方面。用户还可以根据需要添加视频设备实现远程视频监控功能。数据空间/时间分布将系统采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图）、历史数据可以向用户提供历史一段时间的数值展示;超阈值告警则允许用户制定自定义的数据范围，并将超出范围的情况反映给用户。

四、智能农业大棚主要功能

1、数据采集

能够对智能农业大棚内的数据进行无线采集，可以采集内部的温湿度、光照、以及土壤的水分等参数。

2、视频监控

用户能够实时地通过电脑或手机进行监控，观察大棚内作物生长状况。

3、数据存储

系统能够对历史数据进行保存，以便日后对这些数据进行分析，方便日后查询。

4、数据分析

系统将采集到的数据进行曲线图或柱状图分析，生成报表，根据分析后的数据，可以由此判断出在什么条件下更适宜农作物的生长，为以后种植的提供依据。

5、远程控制

只要能够联网，在任何时刻都可以对大棚内的设备进行远程控制，以调节内部的参数。

6、超限报警

用户可以自行设置超限值，当参数越过超限值时，可以通过监控器或手机进行实时报警，以便及时提醒用户。

五、结束语

随着物联网的普及，智能农业大棚将会在以后扮演越来越重要的角色。对农业生产起着非常重要的作用，同时也会推动农业经济的发展以及农业信息化的发展。