空中农业无线传感网环境监测系统.pdf

李 鑫 张 黎 黎 肖 文 等 空 中 农 业 无 线 传 感 网 环 境 监 测 系 统 江 苏 农 业 科 学 空 中 农 业 无 线 传 感 网 环 境 监 测 系 统 李 鑫 张 黎 黎 肖 文 易 金 刘 文 达 沈阳农业大学 辽宁沈阳 沈阳市信息中心 沈阳市信用中心 辽宁沈阳 摘 要 针对水稻生长密集 环境复杂 种植面积大 难以实现人工入田信息采集等问题 基于物联网构建水稻环境 监测系统 采用蓝牙低能耗 通信以多旋翼无人机为中继节点进行自组网来收集感知层数据 并且可以通过云 服务器进行汇集 可视化 存储 实现了大面积 远距离 低功耗的水稻生长环境监测 结果表明 在同等条件下 使用 该监测系统与传统收集方式相比 收集便捷 性价比高 该检测系统不但结构相对简单而且实用性高 成本较低 可靠 性较好 能够满足稻田作物生长生理性状与产量关系环境信息监测的要求 可在农业生产中智能化地采集到高分辨率 的环境信息 采集节点单次使用寿命满足水稻生长周期要求 能够有效提高农业精准管理的现代化程度和普及程度 关 键 词 蓝牙低功耗 多旋翼无人机 智慧农业 自组网 环境监测系统 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 收稿日期 基金项目 国家重点研发计划 编号 辽宁省教育厅课题重点项目 编号 作者简介 李 鑫 男 河南驻马店人 研究方向为嵌入式系 统 通信作者 张黎黎 高级农艺师 主要从事农业信息化建设 智慧农业 是进入 世纪的第 个 年 在 新一代信息技术飞速发展的背景下 结合当前世界 范围内大数据 云计算 移动互联网等现代信息技 术的发展特点和我国农业产业链转型升级发展的 现实需要 提出引领农业可持续发展的新理念 它 是基于信息技术的现代农田精耕细作技术 快 速 准确地监测水稻生长环境 长势状况是作物栽 培调控和生产管理的核心内容 是农业生产管理部 门制定决策 施行措施的重要依据 及时获取农业 现场信息是进行现代化农业精准管理的重要基础 这就需要有更快捷 准确度更高 成本更低廉和多 元化信息的支持 进行感知数据汇聚 处理通过 农业物联网获得的与农田生产相关的客观数据 进而借助生产管理人员的经验和智慧来利用好客 观数据进行分析 做出科学 节本 增效的管理决 策 再通过精准的农业技术进行部署 从而获得更 高的综合效益和稳定性 多旋翼无人机由于结构简单 价格相对低廉的 特点 逐渐应用在智慧农业领域 结合无人机的 特点提出一种适用于水稻田环境的空中农业无线 传感网环境监测系统 可作为规模化与集约化农业 推动节本 增效 实现农业可持续发展的示范实例 系 统 架 构 基于蓝牙低能耗 技术的传感网 主要分 为主机和从机 个部分 整个系统是由抗高湿传感 器节点 无人机 中继器 云端平台 移动端组 成 系统结构如图 所示 总 体 方 案 抗高湿传感器使用耐候性能较好的亚克力板 作为外壳材料密封核心电路 使核心部分与外界完 全隔离 对于传感器部分的防湿处理 采取胶体密 封管脚的方式 使它与外部隔离 而传感器与主控部 分连接的导线 采用热缩管密封 根据具体情况再 在外壳内加入适量的干燥剂来去除水汽 图 采用 小型四旋翼穿越机为平台搭载 主机通信装置和 安全数码 卡存储模块作为空 江苏农业科学 年第 卷第 期 中网络中继节点的数据接口 通过在稻田环境中 接地飞行与田间数据采集节点进行数据交互 它只承担感知层数据的收集和转发 并在移动过程中 暂存这些数据 最终将数据通过机载通用无线分组业 务 汇集至云服务器进一步处理 图 采用 平台辅助分析中继节点上传数据 图 使用平台配套 应用程序 可定制相关 应用 方便实时查看 图 系 统 硬 件 设 计 数 据 采 集 节 点 为简化设计和接线方便 温湿度采集使用单总 线的 并采用 作为辅助温度测量 抗高湿传感器如图 是常用的数字温度 传感器 测温范围极其宽泛 图 存 储 模 块 从机采用 带电可擦可编程只读存储 器 存储芯片用 集成电路 总线方式和 通信 主机用 大小的 卡存储从机节点采集的 数据 蓝 牙 通 信 模 块 蓝牙主控芯片是 的 此芯片是 符合低能耗规范和私有的 片载系统 它支持 的数据 速率 可同时挂载多个不同类型的传感器模块 模 块 主控芯片 通过向 模块发送 指令 上传数据 建立连接 以 方式发送数据 数据采 江苏农业科学 年第 卷第 期 集以及无线通信和执行控制都由 实现 需要注意的是 芯片的工作电压为 为实现电源的匹配须设计电源匹配电路完成 到 的转换 设计中为主机增加了升压 模块 其电路如图 所示 系 统 软 件 设 计 蓝 牙 主 机 传感网主机采用基于 操作系统抽象层 的 片载系统 系统开机初始化进入搜索 发现模式 搜索地面从机信号 设备发现完成后系 统进入数据传输模式 建立连接开启数据链路接收 数据 通过 串行外设接口 通信存储所收集的 数据 数据接收完成后由从机断开连接 链路关闭 延迟等待 重启搜索发现模式并且屏蔽该设 备地址避免重复接收 机载的 可以将暂存在 片载 中的数据备份上传至云服务器由 平台可定制应用做可视化分析处理 图 蓝 牙 从 机 系统上电初始化进入休眠模式开启广播 调用 周期采集事件 等待主机进入广播范围进行连接 配对成功与主机建立连接 蓝牙由广播模式切换为 数据传输模式 开启数据链路上传采集数据 已上 传数据等待被复写 考虑到日常为日间作业 所以 通过定时器周期唤醒系统节省电量 图 平 台 是由我国移动打造的 物联网开 放平台 平台能够帮助个人或企业快速部署设备 实现接入与连接 轻松完成产品开发部署 提供综 合性的物联网解决方案 平台会提供设备全生命周期管理相关 工具 它帮助开发者快速实现成规模的设备的云端 管理 它具有开放的 应用程序编程接口 接口 推进个性化物联网应用系统的构建 图 测 试 分 析 在沈阳农业大学道南试验田进行测试试验 共 有 块试验田 设置 个采集节点 采集时间为 年 月 日 采样周期为 使用无人 机搭载主机 飞过节点上空接收数据 存储在 卡 江苏农业科学 年第 卷第 期 中 采集同一时间 个节点的温度和湿度 由图 图 可以看出 温度和湿度曲线变化趋势基本 一致 并且 个节点所测 组温湿度数据偏差 不大 误信率约为 通过器件数据手册得到在 理想条件下器件工作的相关数据 包括不同工作状 态的工作电流 传输距离 传输速率 在完成整机 装配的情况下 由于地上采集节点需要联网 所以 会出现延迟等待 图 可以看出建立连接需要 延迟 断开连接需要 延迟 数据延迟为 在实验室中运用多次测量取平均值的方法 测得系统在不同工作状态的工作电流如图 所示 可知在采集状态下工作电流偏差为 在接受 状态下偏差为 在发送状态下偏差为 在休眠状态下偏差为 在最大 功率下测得有效传输距离和在最大功率 不同距离 下的平均传输速率监测数据传输速度如表 所示 可以看出实际传输距离为 理论值为 因为此环境监测系统在 以上 丢包率和错误 率较高 使准确率较低 数据传输速度为 理论上传输速度为 偏差为 在实测环境下 实现温湿度信号的采 集 数据准确 传输稳定 实现了预期对于水稻环 境监测的目的 表 传 输 距 离 与 传 输 速 度 监测指标 实测值 理论值 传输距离 传输速度 结 论 本研究从硬件和软件 个方面介绍基于无人机 中继平台的无线传感器网络农田环境监测系统 利 用多旋翼无人机作为中继节点 构建水稻环境监测 系统 实现大面积 远距离 低功耗的水稻生长环境 监测 该设备将 芯片作为主控 依托光敏 传感器 温度传感器 湿度传感器等模块采集水稻 田生长环境信息 并处理 存储 传输 采用核心 芯片与诸多传感器分离的思想 有效地将作品核心 部分远离高温 高湿的环境 使用多个纽扣锂电池 供电 加之蓝牙 自身的低功耗性质 使其具有超 长的工作时间 同时 考虑到稻田区域分布分散 同时使用多架无人机时数据不易汇集的情况 为空 中中继节点添加了 上传数据汇集在云服务器 上的功能 该监测物联网可以克服空间和距离限 制 提高自组网灵活性 大幅度延伸传感网覆盖 程度 江苏农业科学 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 参 考 文 献 何 玲 陈长喜 生猪屠宰自动化监管系统的物联网构建 江苏农业科学 唐英姿 蒋 峰 远程无线高精度温室大棚环境监控系统设计 江苏农业科学 梁莉娟 基于 的农业温室环境远程监测系统 江苏 农业科学 白雪琛 无人机多余度飞行控制系统设计与应用研究 杭 州 浙江大学 邹向阳 谭 彬 何青云 无线传感器节点中的 蓝牙低功耗 研究 现代电子技术 冯荣华 农田环境的无线传感器网络监测系统设计与实现 福州 福建农林大学 孙玉文 基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现 南京 南京农业大学 刘媛媛 朱 路 黄德昌 基于 与无线传感器网络的农田 环境监测系统设计 农机化研究 韩文霆 吴普特 郁晓庆 等 农业环境信息无线传感器网络监测 技术研究进展 农业工程学报 增刊 徐显荣 高清维 李中一 一种用于农业环境监测的无线传感器 网络设计 传感器与微系统 刘志强 基于无线传感器网络的仓库环境监测系统设计与实现 长沙 国防科学技术大学 魏登峰 精细农业向智慧农业演进发展的趋势 访中国工程 院院士汪懋华 农村工作通讯 魏 宁 宁 林 奕 冉 周 翼 虎 南 京 市 城 镇 用 地 扩 张 特 征 与 驱 动 力 分 析 江 苏 农 业 科 学 南 京 市 城 镇 用 地 扩 张 特 征 与 驱 动 力 分 析 魏 宁 宁 林 奕 冉 周 翼 虎 南京农业大学公共管理学院江苏南京 摘 要 揭示城镇用地利用变化时空格局特征 剖析城镇用地扩张的内在机制 是控制引导城镇用地合理扩张的基 础 以南京市为研究区 采用扩张强度 景观形状指数 破碎度指数 分离度指数以及扩张方位分析等对南京市 年的城镇用地时空变化格局特征进行定量描述 同时 采用曲线拟合模型定量分析城镇用地扩张的驱动 力 结果表明 年南京市城镇用地面积 景观形状指数 破碎度指数和分离度指数分别为 到 年分别为 年来 南京市城镇用地扩张强度为 主要向北西北 北东北方位扩张 扩张面积分别为 南京市城镇用地扩张主要驱动力为人 口增长 经济发展 居民收入增加 固定资产投资 交通改善 土地政策和土地资源禀赋等因素 城镇用地扩张特征的 定量描述和驱动力分析将为城镇用地合理配置提供理论和实际支持 关 键 词 城镇用地扩张 时空特征 驱动力分析 扩张强度 景观性状指数 破碎度指数 分离度指数 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金 编号 作者简介 魏宁宁 男 山东济宁人 博士研究生 研究方向 为土地资源可持续利用 世纪被称为 城市的世纪 世界城市人口在 年占比仅为 年占比为 年占比达到了 到 年 约 的世界人口 将定居在城市 我国城镇化起步较晚 年 改革开放以后 伴随着工业化进程的加速 我国城 镇化发展经历了一个起点低 速度快的发展过程 年 城镇常住人口从 亿人增加到 亿人 城镇化率从 提升到 年均 提高 个百分点 伴随着城镇人口的增加 作为 承载城镇人口生活和生产活动的城镇用地也迅速 扩张 越来越多的耕地 林地和农村居民点被占 用 城镇用地的扩张不仅影响城镇的发展 而且影 响区域粮食安全和生态环境 因此 必须对城镇 用地扩张进行有效管理 其中 揭示城镇用地利用 变化时空格局特征 剖析城镇用地扩张的内在驱动 机制 是控制引导城镇用地合理扩张的基础 城镇用地扩张研究经历了从定性描述到定量 计算的过程 众多学者基于遥感系统 地理 信息系统 利用定量指标对城镇用地扩张的 形态和方向 空间演变过程 农地非农化以及城镇 用地内部分化等一系列问题进行了广泛的研 江苏农业科学 年第 卷第 期