CN102014165A - 远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法。本发明首先在农业生产所涉及的空间内部署无线网络，然后通过该网络传输农业生产中所需要的各类农业信息，包括：光照信息、空气温度信息、湿度信息、土壤含水量信息、土壤温度信息等；收集到的信息通过互联网连接，将数据发送到数据中心，实现农业信息的智能分析，依据专家数据库或自定义的调控规则远程实施对农业设备的操纵，实现农业生产的远程管理。本发明基于包含因特网、3G移动网等公共网络来建设中央管理的农业信息智能分析系统的方案，有效的利用了公共网络提供给农业生产人员远程的农业信息收集和操作的功能，提高了农业生产的效率，减少了管理劳动强度。

Description

远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法

技术领域

本发明涉及一种远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。

ZigBee是一组基于IEE802.15.4的无线通信协议，它是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。随着农业信息化进程的开展，很多新兴的信息技术在农业领域都得到了广泛的应用，首先，基于农业管理系统的结构和特点，针对其难以安装、维护和调整的缺点，基于无线技术无需布线等方面的优势，选择蓝牙(bluetooth)技术设计了无线温室环境信息采集系统，利用蓝牙技术可以解决传统温室现场布线繁琐等问题，成为无线技术很好的应用方向，但蓝牙技术发展数年，一直受到芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。而随着现代无线传感器网络的产生和发展以及ZigBee的兴起，农业必然将逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来进行农业生产。传感器将可以收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息，这些信息和采集信息的地理位置经由Zigbee网络传送到中央控制设备，便能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

今天，农业信息工作全面启动，″金农工程″、″企业上网″、863在农业的应用等都离不开数据库建设，计算机和网络的普及，给农业产业升级带来机遇，电脑知识和网络技术的普及将有力推进农业信息化。数据库随着网络的普及，应用领域在不断扩大，企业管理、信息传播等都离不开数据库的默默支持，组建一个成功的数据库能有效推进一个企业走向成功，对国家来讲，建立一系列完整的农业数据库对实现资源的高度共享，创造一个良好有序的生产生活环境，促进国家的经济繁荣和发展意义深远，对农业来讲，实现信息共享，促进生产和流通的有序进行，加快成果的研究和转化步伐。

虽然国内在农业智能信息化方面已经做了很多研究并且有了一些很好的实际应用，2008年浙江大学提出基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控系统研究，同一年南京大学提出基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统的研究，但这些并未真正意义上实现农业的自动化智能管理。而针对远程智能调控农业现场环境以及将农业数据库与农业智能管理结合的的研究和实现并未见报道。200710156210.X号发明专利公开了一种基于ZigBee的无线传感器网络的温室环境监测系统。该系统分为整个温室群和单个温室内两个层次，单个温室内给予ZigBee星型网络的监控网和整个温室群基于ZigBee网状结构的监控网，系统包括可任意布置的无线传感器节点、用于驱动温室内执行机构的无线执行器驱动节点；用于管理本地温室内的无线节点并兼具中继功能的温室无线路由节点、用于收集温室群的环境数据以实现对所有温室管理的温室无线中央控制器。其缺点是：1.此发明只能对温室环境实施监控，不能远程根据温室环境自动的进行调整，温室自动化管理程度不高。2.此发明针对温室设计，不适于复杂多变的农业生产领域。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于ZigBee无线通信技术的农业环境智能分析系统，构造一套低成本、便于安装、灵活部署、智能化的大型农业无线传感器监控网络，以避免传统有线方式采集点布置困难、系统成本高、安装维护难度大的问题。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种远程农业信息智能分析系统，它包括：无线传感器，用来采集农业现场的信息，其输出与无线传输模块连接；控制器，是各种用来调整农业现场环境的设施，其输入与无线传输模块连接；无线传输模块，将无线传感器采集的农业信息传送给中央节点，接收中央节点传来的控制命令，将控制命令传给控制器；中央节点，通过上位机与3G网卡通信，3G网卡与互联网连接，从而将传感器采集的农业信息通过互联网发送到数据中心；数据中心、服务器端智能分析系统，数据中心储存收到的农业信息，服务器端智能分析系统对此农业信息进行分析，并根据分析结果进行相应调控，调控由控制器实施。

本发明的另一个目的是提供一种农业环境调控方法，它可实现远程监控和调控农业现场，另外在系统中集成专家数据库，提供各种农作物种植模式，用户可以根据实际情况选择或参考相应的种植模式，设定智能调控规则，从而实现自动调控农业现场调控设备，使农业现场环境得到改善。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种对农业环境进行调控的方法，其包括以下步骤：

1)在农业现场安装部署无线传感器、控制器、无线传输模块，在数据中心的配置页面中配置无线传感器、控制器的地址信息；2)登录农业信息智能分析系统，在数据中心的控制器智能控制页面初始化调控规则；3)开启系统智能调控；4)上位机定时将无线传感器采集的农业环境信息上传到数据中心，与此同时系统定时遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，然后与数据中心获得的传感器最新采集的农业环境信息进行比较，如果符合满足调控规则的条件，则将获得与此条调控规则相关的控制器信息以及控制器要采取的调控操作，然后在配置文件中获得控制器的地址，形成控制信息，再通过网络向有关控制器发送控制指令；5)控制器执行控制指令。

此外：

在步骤1)中，数据中心配置提供各种农作物种植模式的专家数据库，每种种植模式有相应的一套调控规则；在步骤2)中，在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义的种植模式，如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据选择的模式进行调控。

还可以根据自身情况完善专家种植模式。

在步骤2)中，在系统控制页面中可以根据自身情况，定义自己的种植模式，制定自己的调控规则。

本发明基于ZigBee的无线传感器网络、3G网卡、Internet结合使用，实现了远程管理农业现场的调控环境设备，农业人员无需到农业现场即可实现对农业现场的管理和监控，对农业现场的环境调控更加及时，有效的提高了农业生产的效率，同时又减少管理的劳动强度，进一步实现了农业管理自动化，提供的专家数据库，使用户对农作物的管理更加专业化、科学化。其具有以下有益效果：

1.应用自动控制和电子计算机等技术手段实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。农业现场环境主要包括水环境、温度环境、光照环境、土壤环境。这些环境直接影响农作物的生长，所以对农业现场环境进行实时监控和智能调控，有利于农业物的生长，而且对农业现场环境的调控是系统根据调控规则自动实施的，无需人工参与，在一定程度上减少了农业管理的劳动强度，实现农业的自动化管理。

2.提供了专家数据库，为智能调控规则的设定提供了可靠的依据，从而使农作物获得了更科学化、专业化的管理，提供了一个农业信息共享的平台，处于此平台的用户可以更加及时准确的获得农业信息。

3.实现了3G网卡在农业信息采集和智能调控上的应用，实现了客户端与上位机的B/S网络连接，不仅满足了双向通信的要求，而且数据传输更加快速、稳定。

4.采用低成本的嵌入式操作系统Linux，嵌入式Linux os是开放源代码的，不存在黑箱技术；Linux源代码注释丰富，文档齐全容易解决各种问题；Linux内核小、效率高，在价格上极具竞争力，适合我国国情。

5.整套农业信息智能分析系统安装方便，部署灵活，而且整体价格不高，适合农业大规模应用，另外从设计角度上说此系统设计灵活，适合复杂多变的农业生产领域。

附图说明

图1是远程可管理的农业信息智能分析系统示意图；

图2是智能规则设定功能图；

图3是智能调控程序流程图。

具体实施方式

本发明涉及远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法。下面详细说明。

如图1所述，本发明涉及的远程农业信息智能分析系统是一种基于ZigBee的无线传感器网络，它包括无线传感器、控制器、无线传送模块、中央节点。无线传感器用来采集农业现场的温度、湿度、光照、土壤含水量等信息。控制器是指各种用来调整农业现场环境的设施，比如喷淋、电灯等设备。无线传输模块功能是将传感器采集的农业信息传送给中央节点，接收中央节点传过来的控制命令，将控制命令传给控制器。中央节点通过上位机与3G网卡通信，3G网卡与Internet连接，从而将传感器采集上来的实时农业信息通过互联网发送到数据中心，系统软件对数据中心的数据进行智能分析。

当传感器、控制器以及ZigBee无线网络搭建完毕以后，农业信息智能分析系统在通电后进行初始化，首先在配置文件中配置各类无线传感器、各种控制器的802.15.4地址信息。本发明提供专家数据库，专家数据库中提供各种农作物种植模式，每种种植模式含有相应的一套调控规则，每套调控规则都是农业专家针对农作物各自的生长特性经过长时间的研究总结实际经验制定的，所以每套调控规则都有很强的针对性、实用性。如图2所示，农业信息智能分析系统首次使用时，在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义自己的种植模式。如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据你选择的模式进行调控，还可以根据自身情况完善专家种植模式，使其实用性更高；如果选择自定义种植模式，可以根据自身情况，定义自己的种植模式，制定自己的调控规则，例如当温度大于15℃时，电灯关闭。智能调控规则设置完毕后，系统将根据这些规则在传感器数据上传时对农业现场环境信息进行判断，并通过农业现场的控制器进行调控。系统的所有用户共享专家数据库，用户可以互相交流，进行信息共享，从而使不同种植领域、相同种植领域的人处在一个公共的农业信息网络中。

本发明涉及的智能调控农业现场环境的方法具体可分为农业信息采集上传、智能分析、调控农业现场环境三部分。其中：

农业信息采集上传具体过程如图1，传感器开始采集信息，传感器实时采集农业现场环境信息，将信息传送到无线传输模块，无线模块将信息变为XXXXXXXX320的格式传送，信息前八位为无线发送模块地址，第九位为传感器所在端口号，九位以后为传感器的电流值(传感器最初采集的数值以电流方式上传)。无线模块的信息上传到中央节点，中央节点通过485总线将特定格式的数据上传到上位机。上位机根据配置文件中信息，将信息由XXXXXXXX320格式转换为传感器名称@域名@值的格式(例如：T1@sip.video.com@55.3333，其中T1是指传感器的名称、sip.video.com是指传感器所属区域、55.333是指传感器的值。)传给3G网卡，3G网卡通过Internet将数据传到数据中心。

农业信息智能分析过程如图3：上位机每十秒钟将传感器采集的实时数据上传到数据中心，放入数据库的实时数据表中，系统每隔十秒钟遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，读取实时数据表中数据，进行比较，如果满足调控规则的条件，也就是说通过监测发现此时农业现场环境对农作物的生长将产生不良影响，系统将获得与此条调控规则相关的name(控制器的名称)、domain(控制器所属区域)、off/on(控制器要采取的调控动作)，将其转化成name@domain@off/on格式的控制命令，以name为主键在配置文件中查找3G网卡的ip地址，根据3G网卡的ip地址通过internet将控制命令传给3G网卡。

调控农业现场环境过程：控制命令传到3G网卡，3G网卡将其传给上位机，上位机根据配置文件中信息，将格式为name@domain2off/on的信息转换为XXXX:XXXXXXXXn1或XXXX:XXXXXXXXXn0，其中前四位是控制器所属无线传输模块连接的中央节点的端口号，：后八位是控制器所属无线传感器模块的地址，n是控制器连接到无线传输模块的端口号，0/1是控制器要采取的调控动作(1为开启，0为关闭)。转换完毕后，上位机将格式为XXXX:XXXXXXXXn1或XXXX:XXXXXXXXn0的控制命令，传给中央节点，中央节点根据八位地址信息找到与控制器连接的无线发送模块，无线发送模块根据端口号n找到控制器，控制器根据1/0，进行开启或关闭操作，从而使农业现场环境得到相应的调节，使得农作物生产可以避免不宜环境的影响。

另外根据农作物的生长需要，可以随时通过系统的控制柜智能控制页面增加、删除、修改调控规则，调控规则涉及温度、湿度、光照等环境属性，通过对调控规则的设置，系统可以很精确地调控农业现场环境。在农业信息智能分析系统初始化完成后，农业现场环境的远程调控是完全自动进行的，完全不需要人工参与。

本发明从功能上可以分为数据采集层(环境信息采集)、数据汇总层(数据中心)、数据分析层(智能分析管理)。在数据采集层内部，传感器与中心节点主要采用无线传感器网络进行通信，避免了在农业现场布线复杂，安装不方便，不能灵活部署的情况，实现了数据采集层的自组网，大规模部署。数据采集层通过3G移动卡与数据汇总层通信，数据传输快而安全，而且可以远距离传输。而数据汇总层跟数据分析层是通过Interent通信的，数据传输稳定、快速、安全。综上所述，本发明根据无线传感器网络、3G网卡、Interne各自优点，实际情况实际分析，将无线传感器网络、3G网卡、Internet结合使用，完美地实现了远程智能调控农业现场环境。所提供专家数据库，使得智能调控更加科学化、专业化。

本发明方法首先在农业生产所涉及的空间内，部署无线网络，然后通过该网络传输农业生产中所需要的各类农业信息，包括：光照信息、空气温度信息、湿度信息、土壤含水量信息、土壤温度信息等；收集到的信息通过互联网连接，将数据发送到数据中心，实现农业信息的智能分析，数据中心通过固定网、移动网等多种方式提供公共可访问的农业生产信息，并可以通过数据中心，远程实施对农业设备的操纵，实现农业生产的远程管理。本发明基于包含因特网、3G移动网等公共网络来建设中央管理的农业信息智能分析系统的方案，有效地利用了公共网络提供给农业生产人员远程的农业信息收集和操作的功能，有效提高了农业生产的效率，减少了管理劳动强度。

Claims (5)

1.一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于它包括：

无线传感器，用来采集农业现场的信息，其输出与无线传输模块连接；

控制器，是各种用来调整农业现场环境的设施，其输入与无线传输模块连接；

无线传输模块，将无线传感器采集的农业信息传送给中央节点，接收中央节点传来的控制命令，将控制命令传给控制器；

中央节点，通过上位机与3G网卡通信，3G网卡与互联网连接，从而将传感器采集的农业信息通过互联网发送到数据中心；

数据中心、服务器端智能分析系统，数据中心储存收到的农业信息，服务器端智能分析系统对此农业信息进行分析，并根据分析结果进行相应调控，调控由控制器实施。

2.一种基于权利要求1的系统对农业环境进行调控的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在农业现场安装部署无线传感器、控制器、无线传输模块，在数据中心的配置页面中配置无线传感器、控制器的地址信息；

2)登录农业信息智能分析系统，在数据中心的控制器智能控制页面初始化调控规则；

3)开启系统智能调控；

4)上位机定时将无线传感器采集的农业环境信息上传到数据中心，与此同时系统定时遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，然后与数据中心获得的传感器最新采集的农业环境信息进行比较，如果符合满足调控规则的条件，则将获得与此条调控规则相关的控制器信息以及控制器要采取的调控操作，然后在配置文件中获得控制器的地址，形成控制信息，再通过网络向有关控制器发送控制指令；

5)控制器执行控制指令。

3.如权利要求2所述的对农业环境进行调控的方法，其特征在于：

在步骤1)中，数据中心配置提供各种农作物种植模式的专家数据库，每种种植模式有相应的一套调控规则；

在步骤2)中，在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义的种植模式，如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据选择的模式进行调控。

4.如权利要求3所述的对农业环境进行调控的方法，其特征在于：

还可以根据自身情况完善专家种植模式。

5.如权利要求2所述的对农业环境进行调控的方法，其特征在于：

在步骤2)中，在系统控制页面中可以根据自身情况，定义自己的种植模式，制定自己的调控规则。

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