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摘要：针对果园环境智能监测的需求，设计了一种基于农业物联网果园环境监测系统。该系统由网络高清红外智能球、土壤节点、环境节点、网关节点和远程控制中心组成，能够对果园农场内土壤温湿度、叶面湿度、空气温湿度、风速风向、太阳辐射、紫外线辐射、雨量、大气压力等进行实时在线监测，并转发给控制中心，控制中心对数据进行处理并用各种图表格式显示出来。经过2年多的稳定运行，系统具有操作简单、方便直观、配置灵活、功耗低、网络容量大等优点。
关键词：果园环境监测；农业物联网；智能监测
中图分类号： S126；TP277文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0391-04
物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，具有良好的市场效益，广泛地应用于农业生产上，能够有效地控制农作物的生长，提高农作物产量和品质，实现农作物的高产、高效、优质、生态、安全[1-2]。农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，就是运用各类传感器、RFID、视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息；通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息的多尺度的可靠传输；最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标[3]。在现代果园农场中，实现果园数字化、信息化是未来发展的趋势，实现果园环境智能监测有利于增强柑橘产业决策和管理能力[4]，对环境、土壤和果树信息进行智能监测预测具有重要的意义。
1果园环境智能监测系统总体结构
系统应用于全国首家果园精准生产示范基地，即江西千里山（通津）种植基地。果园智能监测系统的拓扑结构[5]如图1所示，包括5个部分：网络高清红外智能球、土壤节点、环境节点、网关节点和远程控制中心。网络高清红外智能球具有远程监控、网络传输和智能高清的特点，白天自动聚焦提供清晰图像，晚上能利用红外灯进行图像的清晰识别[6]。土壤节点和环境节点均拥有各种传感器、低能耗微处理器和短距离无线通信模块，负责感知信息参数并把相关数据发送往网关节点；网关节点电源充足，容量较大，通信能力较强，转发节点采集的信息至远程控制中心；远程控制中心接收网关节点发来的数据包，再进行分析处理智能显示，同时下达动作指令。
2设备开发
2.1网络高清红外智能球
网络高清红外智能球由景赛AC24V3A专用适配器供电，采用海康威视高端智能球。在网络高清红外智能球中内置云台，云台由运转平稳、反应灵敏、定位准确的精密步进电机驱动，再加上精巧的机械驱动装置，支持水平360度连续旋转。这样就可以按照用户的意愿，实时调节角度，实现预置点定位、自动翻转、巡航扫描和花样扫描等功能[6]。网络高清红外智能球内置网络视频服务器，支持服务器端本地回放，同时也可以编码成H.264标准的信息流存储在本地服务器的硬盘和发送至远程客户端。远程客户端登入到服务器端，通过转发的方式访问网络高清红外智能球，远程客户端在内置网络视频服务器的协助下通过UDP打洞的方式访问网络高清红外智能球。通过访问网络高清红外智能球实现云台、智能球的远程控制。
2.2土壤节点设计
图2为土壤节点的结构。土壤节点主板主要包括MCU微处理器，nRF2401无线通信模块，温度、水分、叶面湿度以及模拟量采集电路，实时时钟模块，UART模块，Flash模块，电源模块等[7]。土壤节点配备了4个温度传感器、4个湿度传感器和1个叶面湿度传感器。4个温度传感器和4个湿度传感器位于土壤10、20、40、60 cm的深度。通过预先设定8个不同的ID，将采集的土壤环境信息发送给网关节点。土壤温度传感器是由2根长4.6 m线引出的银灰色不锈钢探头组成，该探头的不锈钢端长64mm，用于测量空气温度、土壤温度和水分温度。土壤湿度传感器是Irrometer公司的电阻型传感器，通过间接标刻度的方法来测量土壤湿度。叶面湿度传感器由低压双励磁电路和电导率检测电路组成的传感网，用于检测植物表面的水分和计算湿度持续的时间。图3为土壤节点传感器的细节图。
2.3环境节点设计
环境节点主板与土壤节点基本相同，不同的是传感器类型不同。环境节点可以监测空气温湿度、风速风向、雨量、太阳辐射、紫外线辐射等参数。除了采集的信息参数不同，环境节点的软硬件设计与土壤节点是一样。在此不再重述。
2.4网关节点设计
网关节点在整个监测系统中具有重要作用，距离中央计算机300 m。网关节点由转发器、开关电源、串口服务器、蓄电池和交换机组成。所有设备都放置在防尘、防水IP67防护等级的野外密封防护箱里。转发器通过短距离无线模块与土壤节点和环境节点通信，实现柑橘土壤信息、果园环境信息和柑橘信息的实时采集，传输至控制中心达到信息存储的目的。图4为转发器安装配置图。图5为网关节点的结构图。
3控制中心设计
控制中心通过串口服务器与现场的传感网络连接。为了安全控制中心采用C/S结构设计，应用程序分为客户端和服务器端。客户端负责执行用户要求服务并将需要服务的内容申请至服务器，同时将服务器返回的内容反馈给用户。控制中心通过服务器端构建MySQL数据库。服务器端正常是市电供电，当正常交流供电中断时，控制中心采用了UPS供电，将蓄电池输出的直流变换成交流持续供电的电源设备。为了保障系统的稳定安全的运行，控制中心在内部网络和外部网络之间构建了一个网络安全系统，采用了防火墙。
4系统测试与应用
系统部署在经度115°54′，纬度28°54′，海拔260 m的万安果园农场。网络高清红外智能球测试预置点、自动聚焦、日夜模式、三维智能定位和巡航扫描等功能。
关键词：果园环境监测；农业物联网；智能监测
中图分类号： S126；TP277文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0391-04
物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，具有良好的市场效益，广泛地应用于农业生产上，能够有效地控制农作物的生长，提高农作物产量和品质，实现农作物的高产、高效、优质、生态、安全[1-2]。农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，就是运用各类传感器、RFID、视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息；通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息的多尺度的可靠传输；最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标[3]。在现代果园农场中，实现果园数字化、信息化是未来发展的趋势，实现果园环境智能监测有利于增强柑橘产业决策和管理能力[4]，对环境、土壤和果树信息进行智能监测预测具有重要的意义。
1果园环境智能监测系统总体结构
系统应用于全国首家果园精准生产示范基地，即江西千里山（通津）种植基地。果园智能监测系统的拓扑结构[5]如图1所示，包括5个部分：网络高清红外智能球、土壤节点、环境节点、网关节点和远程控制中心。网络高清红外智能球具有远程监控、网络传输和智能高清的特点，白天自动聚焦提供清晰图像，晚上能利用红外灯进行图像的清晰识别[6]。土壤节点和环境节点均拥有各种传感器、低能耗微处理器和短距离无线通信模块，负责感知信息参数并把相关数据发送往网关节点；网关节点电源充足，容量较大，通信能力较强，转发节点采集的信息至远程控制中心；远程控制中心接收网关节点发来的数据包，再进行分析处理智能显示，同时下达动作指令。
2设备开发
2.1网络高清红外智能球
网络高清红外智能球由景赛AC24V3A专用适配器供电，采用海康威视高端智能球。在网络高清红外智能球中内置云台，云台由运转平稳、反应灵敏、定位准确的精密步进电机驱动，再加上精巧的机械驱动装置，支持水平360度连续旋转。这样就可以按照用户的意愿，实时调节角度，实现预置点定位、自动翻转、巡航扫描和花样扫描等功能[6]。网络高清红外智能球内置网络视频服务器，支持服务器端本地回放，同时也可以编码成H.264标准的信息流存储在本地服务器的硬盘和发送至远程客户端。远程客户端登入到服务器端，通过转发的方式访问网络高清红外智能球，远程客户端在内置网络视频服务器的协助下通过UDP打洞的方式访问网络高清红外智能球。通过访问网络高清红外智能球实现云台、智能球的远程控制。
2.2土壤节点设计
图2为土壤节点的结构。土壤节点主板主要包括MCU微处理器，nRF2401无线通信模块，温度、水分、叶面湿度以及模拟量采集电路，实时时钟模块，UART模块，Flash模块，电源模块等[7]。土壤节点配备了4个温度传感器、4个湿度传感器和1个叶面湿度传感器。4个温度传感器和4个湿度传感器位于土壤10、20、40、60 cm的深度。通过预先设定8个不同的ID，将采集的土壤环境信息发送给网关节点。土壤温度传感器是由2根长4.6 m线引出的银灰色不锈钢探头组成，该探头的不锈钢端长64mm，用于测量空气温度、土壤温度和水分温度。土壤湿度传感器是Irrometer公司的电阻型传感器，通过间接标刻度的方法来测量土壤湿度。叶面湿度传感器由低压双励磁电路和电导率检测电路组成的传感网，用于检测植物表面的水分和计算湿度持续的时间。图3为土壤节点传感器的细节图。
2.3环境节点设计
环境节点主板与土壤节点基本相同，不同的是传感器类型不同。环境节点可以监测空气温湿度、风速风向、雨量、太阳辐射、紫外线辐射等参数。除了采集的信息参数不同，环境节点的软硬件设计与土壤节点是一样。在此不再重述。
2.4网关节点设计
网关节点在整个监测系统中具有重要作用，距离中央计算机300 m。网关节点由转发器、开关电源、串口服务器、蓄电池和交换机组成。所有设备都放置在防尘、防水IP67防护等级的野外密封防护箱里。转发器通过短距离无线模块与土壤节点和环境节点通信，实现柑橘土壤信息、果园环境信息和柑橘信息的实时采集，传输至控制中心达到信息存储的目的。图4为转发器安装配置图。图5为网关节点的结构图。
3控制中心设计
控制中心通过串口服务器与现场的传感网络连接。为了安全控制中心采用C/S结构设计，应用程序分为客户端和服务器端。客户端负责执行用户要求服务并将需要服务的内容申请至服务器，同时将服务器返回的内容反馈给用户。控制中心通过服务器端构建MySQL数据库。服务器端正常是市电供电，当正常交流供电中断时，控制中心采用了UPS供电，将蓄电池输出的直流变换成交流持续供电的电源设备。为了保障系统的稳定安全的运行，控制中心在内部网络和外部网络之间构建了一个网络安全系统，采用了防火墙。
4系统测试与应用
系统部署在经度115°54′，纬度28°54′，海拔260 m的万安果园农场。网络高清红外智能球测试预置点、自动聚焦、日夜模式、三维智能定位和巡航扫描等功能。