基于情景感知水稻育秧大棚农业物联网的设计与实现

0引言

随着无线传感器与执行器网络、网格计算及情景感知等技术的成熟，农业物联网在农业生产的大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖及农产品物流等方面已进入快速推进和实质应用阶段。

农业物联网以农业现场的各类传感器为感知设备，充分利用无线传感器网络、互联网等多种传输通道，实现农业信息的多尺度的可靠传输，并将获取的海量农业信息进行融合、处理，实现智能控制，进而提高农业生产经营精细化管理水平,达到合理使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农产品产量和品质％

黑龙江省是中国主要的水稻产区之一，因气候原因，黑龙江省内各垦区的水稻育秧工作一般在每年3月中旬到5月中旬在水稻育秧大棚内进行，大棚内的环境直接影响到秧苗的质量。通过在水稻育秧大棚内部署农业物联网，水稻育秧管理人员可随时随地了解育秧大棚内环境并可远程控制大棚内的设备，实现精确化管理，可有效提升壮秧率，提高水稻的产量［2］。

本文基于此，在充分分析了水稻育秧大棚的功能需求基础上，基于WSAN和情景感知，设计了一套水稻育秧大棚情景感知农业物联网系统，实现了全面感知水稻育秧大棚的实时环境，并通过对感知信息融合处理，实现基于智能决策的精准控制。

1系统模型

1.1情景感知

情景感知形成于普适计算环境下，指利用传感器感知情境信息，通过对情景信息的分析、处理，自主地为用户提供服务的过程。凡是能够按照用户需求，根据情境向用户提供相关信息及服务的系统，均可称作情境感知系统。情境感知系统由情景获取(情景提供)、情景表示(情景处理)和情景使用(应用服务)等三部分构成。

2006年8月Google提出了云计算，云计算较好地解决了情境感知系统中大数据收集、分析、处理，以及实时信息服务等储多问题，从而促进了情景感知技术在物联网领域的应用。与传统情景感知服务相比，云计算环境下的情景感知服务在情景获取、情景表示和情景使用等方面都有了全新实现模式，从而具有智能化、交互性强，以及实时性高的特点。

1.2情景感知系统结构

应用于水稻育秧大棚的情景感知物联网系统结构如图1所示。该系统由情景获取、情景处理、应用服务等三部分组成。

情景获取主要负责对水稻育秧大棚内的环境因子进行采集和获取，在经过保真预处理后，将信息转换成指定格式。情景获取通常利用无线传感器网络(WSN)来实现,这种实现方式仅能感知情景，而无法自主的改变情景，为解决这一问题,本设计中引入了无线传感器与执行器网络(WSAN)，这种网络由一组传感器节点和执行器节点构成。传感器节点用于提供水稻育秧大棚内的各类环境信息，而执行器节点用于执行相关的情景服务。另外，针对水稻育秧大棚群数据处理的实际，系统数据处理结构借鉴了“半自主结构”和“协同结构”的思想,并将两者思想相融合，提出半自主协同结构，图2所示是系统数据处理的网络结构。在这种结构中，感知节点同时向执行节点和汇聚节点传送数据，执行节点将对收到的数据分析，但在执行某类操作以前会与汇聚节点进行协商。在这种结构中，汇聚节点监控整个信息网络，并与服务器平台、感知节点与执行节点通信。

情景处理是情景感知系统的核心，基于农业情景知识库,对所感知的情景进行建模，同时对所感知的情景进行过滤和筛选，并最终对生成的情景进行识别，以便输出情景控制信息。

2系统构建

2.1感知节点

图3所示的感知节点用于感知水稻育秧大棚内的三大类环境参数。节点MCU采用SiliconLaboratories公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片C8051F021，该芯片集成2个ADC（8通道12位ADC0,8通道10位ADC1），便于实现多通道模拟量采集。

感知节点的传感器部分并没有采用传统的“板载”设计,而是采取了“开放式”设计。即感知节点利用MCU接口丰富优势，预留电流型传感器接口、电压型传感器接口、数字型传感器接口，而具体传感器的种类、类型可利用软件进行配置,感知节点通道配置软件如图4所示。通过配置软件可为每一感知节点配置一个长度为16位的编码，作为感知节点网内标识。对于每个模拟通道必须配置通道名称、单位、测量范围等参数后，才可正常使用，而对于数字通道只需配置通道名称和单位即可。

感知节点的无线传输部分同时兼融433MHz无线数据传

输模式和2.4GHzZigBee无线数据传输模式，以适应不同地区现场需要。433MHz无线模块采用SiliconLaboratories公司的SI4464实现，与MCU通过SPI接口连接，为增大无线数据传输距离，在SI4464射频模块外增加了一级PA,使最大发射功率达到30dBm；ZigBee通信部分采用了Digi公司XBeeS2模块。XBeeS2以ZigBee协议运作，支持低成本、低功耗无线传感器网络工程。

感知节点在数据“保真”预处理方面，采取了“分布图+Kalman+Bayes”的“轻量级”数据融合算法［10］。

2.2执行器节点

执行器节点如图5所示，用于控制水稻育秧大棚内的通风电机、喷淋阀等设备。执行器节点通过无线方式接收基站平台的控制指令。执行器节点在设计过程中充分考虑了信号隔离与信号抗干扰、卷膜电机上升和下降的互锁机制，以及设备状态的自动检测与处理。

与感知节点一样，执行器节点同样也配置一个长度为16位的编码，作为网内设备标识，且要与感知节点统一编码。2.3基站节点

基站节点除承担WSAN网络情景感知网关节点的功能外,还同时具有汇总数据、感知数据的初级分析与处理，反馈控制信息以及移动终端信息推送等功能。此外，情景推理模块的特征级融合及部分决策级整合也在基站节点实现。

据此，基站节点利用工控PC机实现，基站节点情景信息管理软件平台如图6所示。该软件使用C#语言在.NET环境下开发的，采用“感+传+控”体系结构，数据存储管理是利用SQLite3.0实现。

3结语

农业作为国民经济的基础，必将成为物联网行业应用的重要领域。农业物联网需要解决数据采集、数据传输、数据智能处理等储多问题，情景感知作为一种依据情景信息，实现智能决策的计算模式，为农业物联网的构建提供了良好的实现模式。本文结合水稻育秧大棚的实际需求，提出了一种应用于水稻育秧大棚农业物联网中的情景感知系统模型，包括情景获取、情景处理、应用服务三个层次。最后，基于本文所提出的模型，实现了水稻育秧大棚情景感知系统，实验室测试与现场应用均验证了该设计的有效性。

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