空中農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).pdf

李 鑫 張 黎 黎 肖 文 等 空 中 農(nóng) 業(yè) 無 線 傳 感 網(wǎng) 環(huán) 境 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 空 中 農(nóng) 業(yè) 無 線 傳 感 網(wǎng) 環(huán) 境 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 李 鑫 張 黎 黎 肖 文 易 金 劉 文 達(dá) 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 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(fù)雜 種植面積大 難以實(shí)現(xiàn)人工入田信息采集等問題 基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建水稻環(huán)境 監(jiān)測系統(tǒng) 采用藍(lán)牙低能耗 通信以多旋翼無人機(jī)為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)來收集感知層數(shù)據(jù) 并且可以通過云 服務(wù)器進(jìn)行匯集 可視化 存儲 實(shí)現(xiàn)了大面積 遠(yuǎn)距離 低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)測 結(jié)果表明 在同等條件下 使用 該監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)收集方式相比 收集便捷 性價(jià)比高 該檢測系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)相對簡單而且實(shí)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(chǎn)量關(guān)系環(huán)境信息監(jiān)測的要求 可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中智能化地采集到高分辨率 的環(huán)境信息 采集節(jié)點(diǎn)單次使用壽命滿足水稻生長周期要求 能夠有效提高農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的現(xiàn)代化程度和普及程度 關(guān) 鍵 詞 藍(lán)牙低功耗 多旋翼無人機(jī) 智慧農(nóng)業(yè) 自組網(wǎng) 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 中 圖 分 類 號 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 編號 遼寧省教育廳課題重點(diǎn)項(xiàng)目 編號 作者簡介 李 鑫 男 河南駐馬店人 研究方向?yàn)榍度胧较?統(tǒng) 通信作者 張黎黎 高級農(nóng)藝師 主要從事農(nóng)業(yè)信息化建設(shè) 智慧農(nóng)業(yè) 是進(jìn)入 世紀(jì)的第 個(gè) 年 在 新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下 結(jié)合當(dāng)前世界 范圍內(nèi)大數(shù)據(jù) 云計(jì)算 移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技 術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的 現(xiàn)實(shí)需要 提出引領(lǐng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新理念 它 是基于信息技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細(xì)作技術(shù) 快 速 準(zhǔn)確地監(jiān)測水稻生長環(huán)境 長勢狀況是作物栽 培調(diào)控和生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理部 門制定決策 施行措施的重要依據(jù) 及時(shí)獲取農(nóng)業(yè) 現(xiàn)場信息是進(jìn)行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ) 這就需要有更快捷 準(zhǔn)確度更高 成本更低廉和多 元化信息的支持 進(jìn)行感知數(shù)據(jù)匯聚 處理通過 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲得的與農(nóng)田生產(chǎn)相關(guān)的客觀數(shù)據(jù) 進(jìn)而借助生產(chǎn)管理人員的經(jīng)驗(yàn)和智慧來利用好客 觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 做出科學(xué) 節(jié)本 增效的管理決 策 再通過精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)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(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單 價(jià)格相對低廉的 特點(diǎn) 逐漸應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 結(jié)合無人機(jī)的 特點(diǎn)提出一種適用于水稻田環(huán)境的空中農(nóng)業(yè)無線 傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 可作為規(guī)?；c集約化農(nóng)業(yè) 推動節(jié)本 增效 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的示范實(shí)例 系 統(tǒng) 架 構(gòu) 基于藍(lán)牙低能耗 技術(shù)的傳感網(wǎng) 主要分 為主機(jī)和從機(jī) 個(gè)部分 整個(gè)系統(tǒng)是由抗高濕傳感 器節(jié)點(diǎn) 無人機(jī) 中繼器 云端平臺 移動端組 成 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)線 采用熱縮管密封 根據(jù)具體情況再 在外殼內(nèi)加入適量的干燥劑來去除水汽 圖 采用 小型四旋翼穿越機(jī)為平臺搭載 主機(jī)通信裝置和 安全數(shù)碼 卡存儲模塊作為空 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 中網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口 通過在稻田環(huán)境中 接地飛行與田間數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互 它只承擔(dān)感知層數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā) 并在移動過程中 暫存這些數(shù)據(jù) 最終將數(shù)據(jù)通過機(jī)載通用無線分組業(yè) 務(wù) 匯集至云服務(wù)器進(jìn)一步處理 圖 采用 平臺輔助分析中繼節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù) 圖 使用平臺配套 應(yīng)用程序 可定制相關(guān) 應(yīng)用 方便實(shí)時(shí)查看 圖 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計(jì) 數(shù) 據(jù) 采 集 節(jié) 點(diǎn) 為簡化設(shè)計(jì)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(shù)字溫度 傳感器 測溫范圍極其寬泛 圖 存 儲 模 塊 從機(jī)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(jī)用 大小的 卡存儲從機(jī)節(jié)點(diǎn)采集的 數(shù)據(jù) 藍(lán) 牙 通 信 模 塊 藍(lán)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(tǒng) 它支持 的數(shù)據(jù) 速率 可同時(shí)掛載多個(gè)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(shù)據(jù) 建立連接 以 方式發(fā)送數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)采 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 集以及無線通信和執(zhí)行控制都由 實(shí)現(xiàn) 需要注意的是 芯片的工作電壓為 為實(shí)現(xiàn)電源的匹配須設(shè)計(jì)電源匹配電路完成 到 的轉(zhuǎn)換 設(shè)計(jì)中為主機(jī)增加了升壓 模塊 其電路如圖 所示 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì) 藍(lán) 牙 主 機(jī) 傳感網(wǎng)主機(jī)采用基于 操作系統(tǒng)抽象層 的 片載系統(tǒng) 系統(tǒng)開機(jī)初始化進(jìn)入搜索 發(fā)現(xiàn)模式 搜索地面從機(jī)信號 設(shè)備發(fā)現(xiàn)完成后系 統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式 建立連接開啟數(shù)據(jù)鏈路接收 數(shù)據(jù) 通過 串行外設(shè)接口 通信存儲所收集的 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)接收完成后由從機(jī)斷開連接 鏈路關(guān)閉 延遲等待 重啟搜索發(fā)現(xiàn)模式并且屏蔽該設(shè) 備地址避免重復(fù)接收 機(jī)載的 可以將暫存在 片載 中的數(shù)據(jù)備份上傳至云服務(wù)器由 平臺可定制應(yīng)用做可視化分析處理 圖 藍(lán) 牙 從 機(jī) 系統(tǒng)上電初始化進(jìn)入休眠模式開啟廣播 調(diào)用 周期采集事件 等待主機(jī)進(jìn)入廣播范圍進(jìn)行連接 配對成功與主機(jī)建立連接 藍(lán)牙由廣播模式切換為 數(shù)據(jù)傳輸模式 開啟數(shù)據(jù)鏈路上傳采集數(shù)據(jù) 已上 傳數(shù)據(jù)等待被復(fù)寫 考慮到日常為日間作業(yè) 所以 通過定時(shí)器周期喚醒系統(tǒng)節(jié)省電量 圖 平 臺 是由我國移動打造的 物聯(lián)網(wǎng)開 放平臺 平臺能夠幫助個(gè)人或企業(yè)快速部署設(shè)備 實(shí)現(xiàn)接入與連接 輕松完成產(chǎn)品開發(fā)部署 提供綜 合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案 平臺會提供設(shè)備全生命周期管理相關(guān) 工具 它幫助開發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)成規(guī)模的設(shè)備的云端 管理 它具有開放的 應(yīng)用程序編程接口 接口 推進(jìn)個(gè)性化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建 圖 測 試 分 析 在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)道南試驗(yàn)田進(jìn)行測試試驗(yàn) 共 有 塊試驗(yàn)田 設(shè)置 個(gè)采集節(jié)點(diǎn) 采集時(shí)間為 年 月 日 采樣周期為 使用無人 機(jī)搭載主機(jī) 飛過節(jié)點(diǎn)上空接收數(shù)據(jù) 存儲在 卡 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 中 采集同一時(shí)間 個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)所測 組溫濕度數(shù)據(jù)偏差 不大 誤信率約為 通過器件數(shù)據(jù)手冊得到在 理想條件下器件工作的相關(guān)數(shù)據(jù) 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(jī) 裝配的情況下 由于地上采集節(jié)點(diǎn)需要聯(lián)網(wǎng) 所以 會出現(xiàn)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(shù)據(jù)延遲為 在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用多次測量取平均值的方法 測得系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸速度如表 所示 可以看出實(shí)際傳輸距離為 理論值為 因?yàn)榇谁h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在 以上 丟包率和錯(cuò)誤 率較高 使準(zhǔn)確率較低 數(shù)據(jù)傳輸速度為 理論上傳輸速度為 偏差為 在實(shí)測環(huán)境下 實(shí)現(xiàn)溫濕度信號的采 集 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 傳輸穩(wěn)定 實(shí)現(xiàn)了預(yù)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(biāo) 實(shí)測值 理論值 傳輸距離 傳輸速度 結(jié) 論 本研究從硬件和軟件 個(gè)方面介紹基于無人機(jī) 中繼平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 利 用多旋翼無人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn) 構(gòu)建水稻環(huán)境監(jiān)測 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)大面積 遠(yuǎn)距離 低功耗的水稻生長環(huán)境 監(jiān)測 該設(shè)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(yuǎn)離高溫 高濕的環(huán)境 使用多個(gè)紐扣鋰電池 供電 加之藍(lán)牙 自身的低功耗性質(zhì) 使其具有超 長的工作時(shí)間 同時(shí) 考慮到稻田區(qū)域分布分散 同時(shí)使用多架無人機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)不易匯集的情況 為空 中中繼節(jié)點(diǎn)添加了 上傳數(shù)據(jù)匯集在云服務(wù)器 上的功能 該監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)可以克服空間和距離限 制 提高自組網(wǎng)靈活性 大幅度延伸傳感網(wǎng)覆蓋 程度 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 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(xiàn) 何 玲 陳長喜 生豬屠宰自動化監(jiān)管系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 唐英姿 蔣 峰 遠(yuǎn)程無線高精度溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 梁莉娟 基于 的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) 江蘇 農(nóng)業(yè)科學(xué) 白雪琛 無人機(jī)多余度飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 杭 州 浙江大學(xué) 鄒向陽 譚 彬 何青云 無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的 藍(lán)牙低功耗 研究 現(xiàn)代電子技術(shù) 馮榮華 農(nóng)田環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 福州 福建農(nóng)林大學(xué) 孫玉文 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 劉媛媛 朱 路 黃德昌 基于 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 韓文霆 吳普特 郁曉慶 等 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測 技術(shù)研究進(jìn)展 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 增刊 徐顯榮 高清維 李中一 一種用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 傳感器與微系統(tǒng) 劉志強(qiáng) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 長沙 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 魏登峰 精細(xì)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)演進(jìn)發(fā)展的趨勢 訪中國工程 院院士汪懋華 農(nóng)村工作通訊 魏 寧 寧 林 奕 冉 周 翼 虎 南 京 市 城 鎮(zhèn) 用 地 擴(kuò) 張 特 征 與 驅(qū) 動 力 分 析 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 南 京 市 城 鎮(zhèn) 用 地 擴(kuò) 張 特 征 與 驅(qū) 動 力 分 析 魏 寧 寧 林 奕 冉 周 翼 虎 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院江蘇南京 摘 要 揭示城鎮(zhèn)用地利用變化時(shí)空格局特征 剖析城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的內(nèi)在機(jī)制 是控制引導(dǎo)城鎮(zhèn)用地合理擴(kuò)張的基 礎(chǔ) 以南京市為研究區(qū) 采用擴(kuò)張強(qiáng)度 景觀形狀指數(shù) 破碎度指數(shù) 分離度指數(shù)以及擴(kuò)張方位分析等對南京市 年的城鎮(zhèn)用地時(shí)空變化格局特征進(jìn)行定量描述 同時(shí) 采用曲線擬合模型定量分析城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動 力 結(jié)果表明 年南京市城鎮(zhèn)用地面積 景觀形狀指數(shù) 破碎度指數(shù)和分離度指數(shù)分別為 到 年分別為 年來 南京市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度為 主要向北西北 北東北方位擴(kuò)張 擴(kuò)張面積分別為 南京市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張主要驅(qū)動力為人 口增長 經(jīng)濟(jì)發(fā)展 居民收入增加 固定資產(chǎn)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?cái)U(kuò)張?zhí)卣鞯?定量描述和驅(qū)動力分析將為城鎮(zhèn)用地合理配置提供理論和實(shí)際支持 關(guān) 鍵 詞 城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張 時(shí)空特征 驅(qū)動力分析 擴(kuò)張強(qiáng)度 景觀性狀指數(shù) 破碎度指數(shù) 分離度指數(shù) 中 圖 分 類 號 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金 編號 作者簡介 魏寧寧 男 山東濟(jì)寧人 博士研究生 研究方向 為土地資源可持續(xù)利用 世紀(jì)被稱為 城市的世紀(jì) 世界城市人口在 年占比僅為 年占比為 年占比達(dá)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(jìn)程的加速 我國城 鎮(zhèn)化發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)起點(diǎn)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(gè)百分點(diǎn) 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(chǎn)活動的城鎮(zhèn)用地也迅速 擴(kuò)張 越來越多的耕地 林地和農(nóng)村居民點(diǎn)被占 用 城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)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?cái)U(kuò)張進(jìn)行有效管理 其中 揭示城鎮(zhèn)用地利用 變化時(shí)空格局特征 剖析城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的內(nèi)在驅(qū)動 機(jī)制 是控制引導(dǎo)城鎮(zhèn)用地合理擴(kuò)張的基礎(chǔ) 城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張研究經(jīng)歷了從定性描述到定量 計(jì)算的過程 眾多學(xué)者基于遙感系統(tǒng) 地理 信息系統(tǒng) 利用定量指標(biāo)對城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的 形態(tài)和方向 空間演變過程 農(nóng)地非農(nóng)化以及城鎮(zhèn) 用地內(nèi)部分化等一系列問題進(jìn)行了廣泛的研 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期