CN102098324A - 支持多协议的农业信息智能分析系统及农业环境调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的农业信息智能分析系统及方法，它通过在无线传输模块、中央节点上集成6LowPan协议栈，使无线传感器网络支持ZigBee、6LowPan协议；通过在中央节点上集成IPv6协议栈，将IPv6技术应用到无线传感器网络中。系统在数据采集层，通过基于Zigbee/6LowPan协议的无线通信技术完成农业信息的采集，在数据传输层，基于IPv6协议结合3G网卡完成无线传感器网络与Internet的互联，将农业现场采集的实时数据上传到数据中心，在数据分析层，系统读取数据中心的数据，通过智能分析完成对农业现场环境的自动化调控。本发明基于支持Zigbee、6LowPan、IPv6多协议无线通信技术来实现农业智能化管理，有效地降低了管理成本，满足了无线传感器网络在地址、安全、移动及与internet融合的需求。

Description

支持多协议的农业信息智能分析系统及农业环境调控方法

技术领域

本发明涉及一种支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的农业信息智能分析系统及方法。

背景技术

当前，以计算机技术、通信技术和自动控制技术为特征的信息化浪潮正席卷全球，成为新经济时代的基本特征。农业作为基础产业也必然会受到这场浪潮的洗礼，从而使农业信息化成为主导着未来一个时期农业现代化方向、促进农村经济发展和提高农民收入的重要途径。农业信息监测与灾害预防系统建设农业生产是经济再生产过程与自然再生产过程的辩证统一，它既服从经济规律，又要受制于自然规律。这就要求对农业生产过程进行全面的监测，按自然规律发展农业生产。只有分析掌握这些自然条件，才能因地制宜地发展农业生产。农业监测是进行这种分析的有效技术手段，是大规模、高效率发展产业化农业的技术依据。

我国农业具有偏远、分散、易变、多样等特点，针对这个特点，我们必须实现一个低复杂度、低成本、低功耗的监测系统，才可能大规模农业化，才能实现整体农业的自动化。微电子系统(Micro-Electro-Mechanism System，MEMS)、片上系统(SOC，System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就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自组织网络，非常适合应用在农业信息的监测方面。

全IP互联方式是当前讨论最为激烈的焦点问题。在无线传感器网络内部是否需要采用IPv6，是无线传感器网络协议设计需要回答的一个基本问题，其结论将在很大程度上影响今后无线传感器网络协议发展的基本走向。IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6overLR-WPAN(简称6LowPan)工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6overIEEE 802.15.4，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网。其出现推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表，其应用前景非常广阔，以其为基础的研究方兴未艾。

IPv6是下一代互联网的核心协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、支持实时业务、安全性高、移动性好等优点。将IPv6与无线传感器网络结合构建的IPv6无线传感器网络，可以满足目前无线传感器网络在地址、安全、移动及与现有网络融合等方面的需求。

802.15.4是IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间(10m直径或更小)工作的简单器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。IEEE802.15.4是一种新兴的低速率、短距离无线标准，基于它可以产生许多令人激动不已的新技术。其中，ZigBee和6LowPan就是典型的代表，Zigbee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、自组织、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。IETF 6LoWPAN的突破口在于，实现了IP紧凑、高效应用，消除了此前ad hoc标准和专有协议过于混杂的情形。这对相关产业协议发展意义尤其重大，如BACNet、LonWorks、通用工业协议(CIP)、数据采集与监控系统(SCADA)，此前设计用于特定、专门产业总线及连接中，从控制器区域网络总线(CAN-BUS)到AC电源线路。数年前，这些协议的开发人员为人们基于现代网络技术(如以太)提供了更多IP应用选项。而ZigBee和6LowPan二者融合是一个必然的趋势，他们必将推动下一代互联网与无线传感器网络的互通互联。

目前，国内将802.15.4规范以及ZigBee应用在农业信息智能分析方面的研究和实现已经有了相关的报道，但是将ZigBee、6LowPan、IPv6协议结合应用在农业信息智能分析方面的研究与实现尚未见报道。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。其缺点是农业信息数据在无线传感器网络间传输时，只支持ZigBee协议，不支持6LowPan、IPv6协议，系统在通信传输方面的可扩展性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持多协议、安全性高、扩展性强、管理成本低、智能化的大型农业信息智能分析系统及方法，由于支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议，给无线传感器网络(WSN)接入承载下一代互联网IPv6的Internet实现传感器节点与IPv6节点的全IP互联提供了可能，提高了农业信息传输的安全性，降低了农业信息智能化的管理成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种支持多协议的农业信息智能分析系统，该系统的逻辑结构分为三层：数据采集层、数据传输层、数据分析层，其中：数据采集层包括无线传感器、控制器；数据传输层包括无线传输模块、中央节点、网线、上位机、3G网卡、互联网；数据分析层包括数据中心、服务器端智能分析系统；无线传感器采集农业现场环境信息，其输出与无线传输模块连接；控制器调控农业现场环境，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到中央节点，并将调控指令送到控制器；中央节点将所有无线传输模块传来的信息进行汇总后经上位机发送到数据中心；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。

所述无线传输模块、中央节点中集成6LowPan协议，同时在中央节点中集成IPv6协议栈，使得本系统支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的数据传输。

所述控制器是用于调控农业现场环境的设施。

一种基于上述系统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。

对控制器进行调控的过程如下：控制命令转换为Ipv6数据流，通过互联网传到3G网卡，3G网卡通过中央节点将IPv6数据流发送到无线传感器网络中，控制命令在无线传感器网络中基于ZigBee/6LowPan协议传输，最终控制农业现场的控制器开启或关闭，从而使农业现场环境得到控制。

本发明实现了基于ZigBee、6LowPan多协议的无线传感器的网络中的数据传输，提高了农业信息智能分析系统在通信传输方面的扩展性和安全性，将IPv6技术应用到无线传感器网络中，满足了无线传感器网络在地址、安全、移动及与互联网融合的需求。其具有以下有益效果：

1.通过在中央节点、无线传输模块上集成6LowPan协议栈，使无线传感网络支持基于ZigBee和6LowPan协议的无线传输，提高了系统的安全性、可扩展性；

2.因为6LoWPAN进一步扩展了IP连接功能，自动实现了与其他ip设备间的互操作，能消除复杂网关的支持(只需一道本地802.15.4协议网关)，所以本发明实现对农业信息智能分析时，在一定程度上降低了农业智能化管理的成本；

3.将IPv6与无线传感器网络结合构建的IPv6无线传感器网络，可以满足目前无线传感器网络在地址、安全、移动及与现有网络融合等方面的需求。

附图说明

图1是基于ZigBee6、LowPan、IPv6多协议的农业信息智能分析系统的系统示意图；

图2是农业信息智能分析流程图。

具体实施方式

本发明涉及支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的农业信息智能分析系统及方法，本发明提出了，面向802.15.4规范，支持Zigbee、6LowPan、IPv6多协议无线通信技术在农业智能分析方面应用的实现方法。具体的说是通过在无线传输模块、中央节点上集成6LowPan协议栈，使无线传感器网络支持ZigBee、6LowPan协议；通过在中央节点上集成IPv6协议栈，将IPv6技术应用到无线传感器网络中。农业信息智能分析系统在数据采集层，通过基于Zigbee/6LowPan协议的无线通信技术，完成农业信息的采集，在数据传输层，基于IPv6协议结合3G网卡完成无线传感器网络与Internet(互联网)的互联，将农业现场采集到的实时数据上传到数据中心，在数据分析层，智能分析系统读取数据中心的数据，通过智能分析，完成对农业现场环境的自动化调控。

下面详细说明。

如图1所示，本发明系统的逻辑结构分为三层：数据采集层、数据传输层、数据分析层。数据采集层包括农业现场环境数据的无线传感器、控制器；数据传输层包括无线传输模块、中央节点、网线、上位机、3G网卡、Intenet；数据分析层包括数据中心、服务器端智能分析系统。其中：

无线传感器负责农业信息的采集，无线传输模块负责将无线传感器采集的农业信息传到中央节点，中央节点负责将所有无线传输模块传过来的信息进行汇总后通过网线传输到上位机，数据中心负责储存农业现场的采集数据，服务器端智能分析程序负责对数据信息进行分析，并根据分析结果进行相应调控。控制器是用于调控农业现场环境的设施。

本发明在无线传输模块、中央节点中集成6LowPan协议，同时在中央节点中集成IPv6协议栈，使本发明的无线传感器网络支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的数据传输。

农业信息采集上传的过程：农业环境信息由传感器采集，通过基于ZigBee/6LowPan协议的无线传感器网络传输到中央节点，信息在中央节点上转换成IPv6数据流，通过上位机上传到3G网卡，3G网卡再通过Internet将IPv6数据流传输到数据中心。

本发明根据数据中心数据智能分析发送控制指令过程如图2：首先，在农业现场安装部署传感器、控制设备完毕以后，在配置页面中配置传感器、控制设备的地址信息。其次，登录农业信息智能分析系统，在控制柜智能控制页面初始化调控规则，如：平均温度高于15℃时，卷帘全部上升。当准备工作完成之后，系统智能调控开启。智能调控规则设置完毕后，系统将根据这些规则对农业现场环境进行调控。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，而与此同时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，然后与数据中心获得的最新传感器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，也就是说现在农业现场环境会对农作物的生长产生不良影响，此时系统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，由控制器执行控制指令。控制器是指用于调控农业现场环境的设施，如喷淋、电灯等设备。

本发明根据控制命令对控制器进行调控的过程如下：控制命令转换为Ipv6数据流通过Internet传到3G网卡，3G网卡通过中央节点IPv6数据流发送到无线传感器网络中，控制命令在无线传感器网络中基于ZigBee/6LowPan协议传输，最终控制农业现场的控制器开启或关闭，从而使农业现场环境得到控制，农作物可以更好更快的生长。

Claims (5)

1.一种支持多协议的农业信息智能分析系统，其特征在于：

该系统的逻辑结构分为三层：数据采集层、数据传输层、数据分析层，其中：

数据采集层包括无线传感器、控制器；

数据传输层包括无线传输模块、中央节点、网线、上位机、3G网卡、互联网；

数据分析层包括数据中心、服务器端智能分析系统；

无线传感器采集农业现场环境信息，其输出与无线传输模块连接；

控制器调控农业现场环境，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到中央节点，并将调控指令送到控制器；

中央节点将所有无线传输模块传来的信息进行汇总后经上位机发送到数据中心；

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.如权利要求1所述的农业信息智能分析系统，其特征在于：

所述无线传输模块、中央节点中集成6LowPan协议，同时在中央节点中集成IPv6协议栈，使得本系统支持ZigBee、6LowPan、IPv6多协议的数据传输。

3.如权利要求1所述的农业信息智能分析系统，其特征在于：

所述控制器是用于调控农业现场环境的设施。

4.一种基于权利要求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。

5.如权利要求4所述的对农业环境进行调控的方法，其特征在于：

对控制器进行调控的过程如下：控制命令转换为Ipv6数据流，通过互联网传到3G网卡，3G网卡通过中央节点将IPv6数据流发送到无线传感器网络中，控制命令在无线传感器网络中基于ZigBee/6LowPan协议传输，最终控制农业现场的控制器开启或关闭，从而使农业现场环境得到控制。

Images