空中農業(yè)無線傳感網環(huán)境監(jiān)測系統.pdf

李 鑫 張 黎 黎 肖 文 等 空 中 農 業(yè) 無 線 傳 感 網 環(huán) 境 監(jiān) 測 系 統 江 蘇 農 業(yè) 科 學 空 中 農 業(yè) 無 線 傳 感 網 環(huán) 境 監(jiān) 測 系 統 李 鑫 張 黎 黎 肖 文 易 金 劉 文 達 沈陽農業(yè)大學 遼寧沈陽 沈陽市信息中心 沈陽市信用中心 遼寧沈陽 摘 要 針對水稻生長密集 環(huán)境復雜 種植面積大 難以實現人工入田信息采集等問題 基于物聯網構建水稻環(huán)境 監(jiān)測系統 采用藍牙低能耗 通信以多旋翼無人機為中繼節(jié)點進行自組網來收集感知層數據 并且可以通過云 服務器進行匯集 可視化 存儲 實現了大面積 遠距離 低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)測 結果表明 在同等條件下 使用 該監(jiān)測系統與傳統收集方式相比 收集便捷 性價比高 該檢測系統不但結構相對簡單而且實用性高 成本較低 可靠 性較好 能夠滿足稻田作物生長生理性狀與產量關系環(huán)境信息監(jiān)測的要求 可在農業(yè)生產中智能化地采集到高分辨率 的環(huán)境信息 采集節(jié)點單次使用壽命滿足水稻生長周期要求 能夠有效提高農業(yè)精準管理的現代化程度和普及程度 關 鍵 詞 藍牙低功耗 多旋翼無人機 智慧農業(yè) 自組網 環(huán)境監(jiān)測系統 中 圖 分 類 號 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 編號 遼寧省教育廳課題重點項目 編號 作者簡介 李 鑫 男 河南駐馬店人 研究方向為嵌入式系 統 通信作者 張黎黎 高級農藝師 主要從事農業(yè)信息化建設 智慧農業(yè) 是進入 世紀的第 個 年 在 新一代信息技術飛速發(fā)展的背景下 結合當前世界 范圍內大數據 云計算 移動互聯網等現代信息技 術的發(fā)展特點和我國農業(yè)產業(yè)鏈轉型升級發(fā)展的 現實需要 提出引領農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新理念 它 是基于信息技術的現代農田精耕細作技術 快 速 準確地監(jiān)測水稻生長環(huán)境 長勢狀況是作物栽 培調控和生產管理的核心內容 是農業(yè)生產管理部 門制定決策 施行措施的重要依據 及時獲取農業(yè) 現場信息是進行現代化農業(yè)精準管理的重要基礎 這就需要有更快捷 準確度更高 成本更低廉和多 元化信息的支持 進行感知數據匯聚 處理通過 農業(yè)物聯網獲得的與農田生產相關的客觀數據 進而借助生產管理人員的經驗和智慧來利用好客 觀數據進行分析 做出科學 節(jié)本 增效的管理決 策 再通過精準的農業(yè)技術進行部署 從而獲得更 高的綜合效益和穩(wěn)定性 多旋翼無人機由于結構簡單 價格相對低廉的 特點 逐漸應用在智慧農業(yè)領域 結合無人機的 特點提出一種適用于水稻田環(huán)境的空中農業(yè)無線 傳感網環(huán)境監(jiān)測系統 可作為規(guī)?；c集約化農業(yè) 推動節(jié)本 增效 實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的示范實例 系 統 架 構 基于藍牙低能耗 技術的傳感網 主要分 為主機和從機 個部分 整個系統是由抗高濕傳感 器節(jié)點 無人機 中繼器 云端平臺 移動端組 成 系統結構如圖 所示 總 體 方 案 抗高濕傳感器使用耐候性能較好的亞克力板 作為外殼材料密封核心電路 使核心部分與外界完 全隔離 對于傳感器部分的防濕處理 采取膠體密 封管腳的方式 使它與外部隔離 而傳感器與主控部 分連接的導線 采用熱縮管密封 根據具體情況再 在外殼內加入適量的干燥劑來去除水汽 圖 采用 小型四旋翼穿越機為平臺搭載 主機通信裝置和 安全數碼 卡存儲模塊作為空 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 中網絡中繼節(jié)點的數據接口 通過在稻田環(huán)境中 接地飛行與田間數據采集節(jié)點進行數據交互 它只承擔感知層數據的收集和轉發(fā) 并在移動過程中 暫存這些數據 最終將數據通過機載通用無線分組業(yè) 務 匯集至云服務器進一步處理 圖 采用 平臺輔助分析中繼節(jié)點上傳數據 圖 使用平臺配套 應用程序 可定制相關 應用 方便實時查看 圖 系 統 硬 件 設 計 數 據 采 集 節(jié) 點 為簡化設計和接線方便 溫濕度采集使用單總 線的 并采用 作為輔助溫度測量 抗高濕傳感器如圖 是常用的數字溫度 傳感器 測溫范圍極其寬泛 圖 存 儲 模 塊 從機采用 帶電可擦可編程只讀存儲 器 存儲芯片用 集成電路 總線方式和 通信 主機用 大小的 卡存儲從機節(jié)點采集的 數據 藍 牙 通 信 模 塊 藍牙主控芯片是 的 此芯片是 符合低能耗規(guī)范和私有的 片載系統 它支持 的數據 速率 可同時掛載多個不同類型的傳感器模塊 模 塊 主控芯片 通過向 模塊發(fā)送 指令 上傳數據 建立連接 以 方式發(fā)送數據 數據采 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 集以及無線通信和執(zhí)行控制都由 實現 需要注意的是 芯片的工作電壓為 為實現電源的匹配須設計電源匹配電路完成 到 的轉換 設計中為主機增加了升壓 模塊 其電路如圖 所示 系 統 軟 件 設 計 藍 牙 主 機 傳感網主機采用基于 操作系統抽象層 的 片載系統 系統開機初始化進入搜索 發(fā)現模式 搜索地面從機信號 設備發(fā)現完成后系 統進入數據傳輸模式 建立連接開啟數據鏈路接收 數據 通過 串行外設接口 通信存儲所收集的 數據 數據接收完成后由從機斷開連接 鏈路關閉 延遲等待 重啟搜索發(fā)現模式并且屏蔽該設 備地址避免重復接收 機載的 可以將暫存在 片載 中的數據備份上傳至云服務器由 平臺可定制應用做可視化分析處理 圖 藍 牙 從 機 系統上電初始化進入休眠模式開啟廣播 調用 周期采集事件 等待主機進入廣播范圍進行連接 配對成功與主機建立連接 藍牙由廣播模式切換為 數據傳輸模式 開啟數據鏈路上傳采集數據 已上 傳數據等待被復寫 考慮到日常為日間作業(yè) 所以 通過定時器周期喚醒系統節(jié)省電量 圖 平 臺 是由我國移動打造的 物聯網開 放平臺 平臺能夠幫助個人或企業(yè)快速部署設備 實現接入與連接 輕松完成產品開發(fā)部署 提供綜 合性的物聯網解決方案 平臺會提供設備全生命周期管理相關 工具 它幫助開發(fā)者快速實現成規(guī)模的設備的云端 管理 它具有開放的 應用程序編程接口 接口 推進個性化物聯網應用系統的構建 圖 測 試 分 析 在沈陽農業(yè)大學道南試驗田進行測試試驗 共 有 塊試驗田 設置 個采集節(jié)點 采集時間為 年 月 日 采樣周期為 使用無人 機搭載主機 飛過節(jié)點上空接收數據 存儲在 卡 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 中 采集同一時間 個節(jié)點的溫度和濕度 由圖 圖 可以看出 溫度和濕度曲線變化趨勢基本 一致 并且 個節(jié)點所測 組溫濕度數據偏差 不大 誤信率約為 通過器件數據手冊得到在 理想條件下器件工作的相關數據 包括不同工作狀 態(tài)的工作電流 傳輸距離 傳輸速率 在完成整機 裝配的情況下 由于地上采集節(jié)點需要聯網 所以 會出現延遲等待 圖 可以看出建立連接需要 延遲 斷開連接需要 延遲 數據延遲為 在實驗室中運用多次測量取平均值的方法 測得系統在不同工作狀態(tài)的工作電流如圖 所示 可知在采集狀態(tài)下工作電流偏差為 在接受 狀態(tài)下偏差為 在發(fā)送狀態(tài)下偏差為 在休眠狀態(tài)下偏差為 在最大 功率下測得有效傳輸距離和在最大功率 不同距離 下的平均傳輸速率監(jiān)測數據傳輸速度如表 所示 可以看出實際傳輸距離為 理論值為 因為此環(huán)境監(jiān)測系統在 以上 丟包率和錯誤 率較高 使準確率較低 數據傳輸速度為 理論上傳輸速度為 偏差為 在實測環(huán)境下 實現溫濕度信號的采 集 數據準確 傳輸穩(wěn)定 實現了預期對于水稻環(huán) 境監(jiān)測的目的 表 傳 輸 距 離 與 傳 輸 速 度 監(jiān)測指標 實測值 理論值 傳輸距離 傳輸速度 結 論 本研究從硬件和軟件 個方面介紹基于無人機 中繼平臺的無線傳感器網絡農田環(huán)境監(jiān)測系統 利 用多旋翼無人機作為中繼節(jié)點 構建水稻環(huán)境監(jiān)測 系統 實現大面積 遠距離 低功耗的水稻生長環(huán)境 監(jiān)測 該設備將 芯片作為主控 依托光敏 傳感器 溫度傳感器 濕度傳感器等模塊采集水稻 田生長環(huán)境信息 并處理 存儲 傳輸 采用核心 芯片與諸多傳感器分離的思想 有效地將作品核心 部分遠離高溫 高濕的環(huán)境 使用多個紐扣鋰電池 供電 加之藍牙 自身的低功耗性質 使其具有超 長的工作時間 同時 考慮到稻田區(qū)域分布分散 同時使用多架無人機時數據不易匯集的情況 為空 中中繼節(jié)點添加了 上傳數據匯集在云服務器 上的功能 該監(jiān)測物聯網可以克服空間和距離限 制 提高自組網靈活性 大幅度延伸傳感網覆蓋 程度 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 參 考 文 獻 何 玲 陳長喜 生豬屠宰自動化監(jiān)管系統的物聯網構建 江蘇農業(yè)科學 唐英姿 蔣 峰 遠程無線高精度溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統設計 江蘇農業(yè)科學 梁莉娟 基于 的農業(yè)溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統 江蘇 農業(yè)科學 白雪琛 無人機多余度飛行控制系統設計與應用研究 杭 州 浙江大學 鄒向陽 譚 彬 何青云 無線傳感器節(jié)點中的 藍牙低功耗 研究 現代電子技術 馮榮華 農田環(huán)境的無線傳感器網絡監(jiān)測系統設計與實現 福州 福建農林大學 孫玉文 基于無線傳感器網絡的農田環(huán)境監(jiān)測系統研究與實現 南京 南京農業(yè)大學 劉媛媛 朱 路 黃德昌 基于 與無線傳感器網絡的農田 環(huán)境監(jiān)測系統設計 農機化研究 韓文霆 吳普特 郁曉慶 等 農業(yè)環(huán)境信息無線傳感器網絡監(jiān)測 技術研究進展 農業(yè)工程學報 增刊 徐顯榮 高清維 李中一 一種用于農業(yè)環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器 網絡設計 傳感器與微系統 劉志強 基于無線傳感器網絡的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統設計與實現 長沙 國防科學技術大學 魏登峰 精細農業(yè)向智慧農業(yè)演進發(fā)展的趨勢 訪中國工程 院院士汪懋華 農村工作通訊 魏 寧 寧 林 奕 冉 周 翼 虎 南 京 市 城 鎮(zhèn) 用 地 擴 張 特 征 與 驅 動 力 分 析 江 蘇 農 業(yè) 科 學 南 京 市 城 鎮(zhèn) 用 地 擴 張 特 征 與 驅 動 力 分 析 魏 寧 寧 林 奕 冉 周 翼 虎 南京農業(yè)大學公共管理學院江蘇南京 摘 要 揭示城鎮(zhèn)用地利用變化時空格局特征 剖析城鎮(zhèn)用地擴張的內在機制 是控制引導城鎮(zhèn)用地合理擴張的基 礎 以南京市為研究區(qū) 采用擴張強度 景觀形狀指數 破碎度指數 分離度指數以及擴張方位分析等對南京市 年的城鎮(zhèn)用地時空變化格局特征進行定量描述 同時 采用曲線擬合模型定量分析城鎮(zhèn)用地擴張的驅動 力 結果表明 年南京市城鎮(zhèn)用地面積 景觀形狀指數 破碎度指數和分離度指數分別為 到 年分別為 年來 南京市城鎮(zhèn)用地擴張強度為 主要向北西北 北東北方位擴張 擴張面積分別為 南京市城鎮(zhèn)用地擴張主要驅動力為人 口增長 經濟發(fā)展 居民收入增加 固定資產投資 交通改善 土地政策和土地資源稟賦等因素 城鎮(zhèn)用地擴張?zhí)卣鞯?定量描述和驅動力分析將為城鎮(zhèn)用地合理配置提供理論和實際支持 關 鍵 詞 城鎮(zhèn)用地擴張 時空特征 驅動力分析 擴張強度 景觀性狀指數 破碎度指數 分離度指數 中 圖 分 類 號 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項目 國家自然科學基金 編號 作者簡介 魏寧寧 男 山東濟寧人 博士研究生 研究方向 為土地資源可持續(xù)利用 世紀被稱為 城市的世紀 世界城市人口在 年占比僅為 年占比為 年占比達到了 到 年 約 的世界人口 將定居在城市 我國城鎮(zhèn)化起步較晚 年 改革開放以后 伴隨著工業(yè)化進程的加速 我國城 鎮(zhèn)化發(fā)展經歷了一個起點低 速度快的發(fā)展過程 年 城鎮(zhèn)常住人口從 億人增加到 億人 城鎮(zhèn)化率從 提升到 年均 提高 個百分點 伴隨著城鎮(zhèn)人口的增加 作為 承載城鎮(zhèn)人口生活和生產活動的城鎮(zhèn)用地也迅速 擴張 越來越多的耕地 林地和農村居民點被占 用 城鎮(zhèn)用地的擴張不僅影響城鎮(zhèn)的發(fā)展 而且影 響區(qū)域糧食安全和生態(tài)環(huán)境 因此 必須對城鎮(zhèn) 用地擴張進行有效管理 其中 揭示城鎮(zhèn)用地利用 變化時空格局特征 剖析城鎮(zhèn)用地擴張的內在驅動 機制 是控制引導城鎮(zhèn)用地合理擴張的基礎 城鎮(zhèn)用地擴張研究經歷了從定性描述到定量 計算的過程 眾多學者基于遙感系統 地理 信息系統 利用定量指標對城鎮(zhèn)用地擴張的 形態(tài)和方向 空間演變過程 農地非農化以及城鎮(zhèn) 用地內部分化等一系列問題進行了廣泛的研 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期