1、山东商业职业技术学院毕业设计 毕业设计（论文） 题目： 基于物联网的智能农业系统设计及实 现 山东商业职业技术学院毕业设计 1 目 录 目 录 . 1 前言 . 2 ABSTRACT . 4 第一章 绪论 . 5 1.1 背景 . 5 1.2 物联网应用 . 6 1.3 物联网架构图 . 8 第四章 传感层 .15 4.1 传感层设计 . 15 4.2 传感节点设计 . 15 4.3 网关节点设计 . 16 第五章 传输层 .18 5.1 传输层系统设计 . 18 5.2 目标设计 . 18 第六章 应用层 .20 6.1 系统设计 . 20 6.2 传感节点的主程序设计 . 20 6.3 网
2、关节点的主程序设计 . 20 第七章 智能协同控制器与农业物联网应用层的接口 .22 第八章 物联网的应用 .25 8.1 区域试验工程 . 25 8.2 目标和重点任务 . 27 8.3 试验布局 . 30 8.4 条件保障 . 33 第九章 案例及解决方案 .35 9.1 案例 . 35 9.2 解决方案 . 37 第十章 总结与展望 .39 致谢 .40 参考文献 .41 山东商业职业技术学院毕业设计 2 前言 物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。物联网以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物
3、理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。物联网在农业上的应用将 会使农业生产方式产生重大变革，会急速促进我国农业生产问题上面临的种种问题。 本文简要的复述了这个智能农业理念，给出了有关物联网的相关定义和基本功能。结合智能农业大系统架构，论述了农业物联网的框架以及与智能农业系统的接口问题。其重要结论如下： （ 1）智能农业应当是包含农业大系统智能控制在内的体系。基于农业复杂大系统智能控制的智能农业是一个递阶型网络控制大系统，并且是可以形成闭环的。其“智能”特性表现在：大系统的自愈性、自主的智能协同性和调控性； （ 2）农业物联网仅仅
4、是一个网络，它不具备担当对农业系统进行调 控的能力； （ 3）智能农业系统的有序、有效的运转离不开农业物联网的网络技术支持，但是农业物联网必须具备信息的双向流动能力； （ 4）要达到农业物联网的有效应用必须要拓展其功能，必须构建一个物联网网络控制器。同时在应用层与智能农业系统的智能协同控制器之间应具备友好的接口与界面； 山东商业职业技术学院毕业设计 3 摘要 物联网作为信息产业的第三次浪潮 ,在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题 ,例如分布在广域空间的信息获取 ,高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决 策等 ,将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。农业生产过程中 ,温度、湿度
5、、光照强度、 C02浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长 ,传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准 ,只能算是粗放式管理 ,在这种管理方式下 ,通过人的感知能力管理上述环境参数 ,无法达到准确性要求 ,要实现现代农业的智能化管理 ,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。因此 ,本文设计了基于物联网的智能农业监测系统 ,该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。论文首先详 细阐述物联网和农业物联网的内涵和体系结构、农业物联网的关键技术和未来发展。介绍了数据融合的相关概念 ,并提出了 KDF 算法用于系统对感知数据的处
6、理。 KDF 算法是基于卡尔曼滤波的数据融合算法 ,能够达到减少冗余信息、降低能量消耗以及消除干扰使获得的感知数据更加准确的目的。其次 ,论文给出了系统的总体设计 ,并根据设计要求 ,以 MSP430F5438 微处理器、射频模块 CC2520、射频放大前端 CC2591 以及 SHT10 温湿度传感器等环境感知传感器为核心 ,构建了传感器硬件节点。传感器节点的软件以 Z-Stack 协议栈为基础 ,成 功的实现了无线 Mesh 网络的组建和数据的可靠传输。最后 ,论文介绍了上位机监测软件 ,上位机监测软件基于 B/S 架构 ,使用 JSP 语言在 MyEclipse 环境下开发 ,具有良好的
7、人机交互前台界面；后台采用 MySQL 数据库 ,完成环境参数数据和其他有用信息的存储；将整个系统通过 Tomcat 服务器在线发布 ,系统便可以接入到 Internet 中 ,形成 “ 底层 (传感器 ) Internet 网络 远程监控 ” 的结构 ,使连入互联网的计算机均可以访问。对系统从功能实现角度来开展的实验结果显示 ,该系统可以正常稳定的工作 ,无线传感器节点可以正常 构建无线 Mesh 网络 ,可以进行数据可靠传输 ,系统通过 Tomcat服务器在线发布 ,用户可以在任何 台与 Internet相连的 PC机上登录本系统进行数据查询和系统管理 ,实现远程监测的功能 ,并且本系统采
8、用的节能机制达到了很好的节能效果 ,且采集数据的精度符合要求。 关键词： 农业物联网 ； 无线传感器网络 ； 数据融合 ； B/S 架构 山东商业职业技术学院毕业设计 4 ABSTRACT The Internet of things as the third wave of information industry, its application in agriculture will solve the problem of a series of science and technology, such as distributed in wide area space informa
9、tion acquisition, high efficient and reliable information transmission, and geared to the needs of different applications of intelligent decision-making, etc., will is a booster to the transformation of traditional agriculture to modern agriculture and the accelerator. Agricultural production proces
10、s, the temperature, humidity, light intensity, concentration of our fleet, moisture, and other nutrients such as the growth of the crops, the common effect of natural factors of traditional agricultural management way far not reached the standard of fine management, can be extensive management, in t
11、his kind of management mode, through people awareness of management environment of these parameters, cannot meet the accuracy requirements, in order to realize intelligent management of modern agriculture, to establish a practical, reliable, long-term monitoring of agricultural environment monitorin
12、g system is very necessary. Therefore, this article designed the agriculture intelligent monitoring system based on Internet of things, the system can accurately in real time for the growth of the crops and environmental information for remote monitoring of the information. Paper first elaborated th
13、e connotation of Internet of things and Internet of things of agriculture and architecture, the key technology of Internet of things of agriculture and the development in the future. Introduces the related concepts of data fusion, and proposed the KDF algorithm for system processing of sensory data.
14、 KDF algorithm is the data fusion algorithm based on kalman filter, can achieve reduce the redundant information and reduce energy consumption, and eliminate the interference to make a more accurate perception of the data obtained. Secondly, the paper gives the overall design of the system, and acco
15、rding to the design requirements, with MSP430F5438 microprocessor CC2520, rf module, rf amplifier front-end CC2591 and SHT10 such as temperature and humidity environment perception as the core, to build a sensor node hardware. Sensor node software based on the Z - Stack protocol Stack, successful im
16、plementation of the wireless Mesh network form and reliable transmission of data. Finally, the paper introduces the PC monitoring software, PC monitoring software based on B/S structure, using JSP language under the environment of MyEclipse development, has a good human-computer interaction interfac
17、e at the front desk; The background using the MySQL database, complete environmental parameter data and other useful information storage; The entire online system by the Tomcat server, the system will be able to access to the Internet, the formation of “the underlying (sensor), the Internet network,
18、 remote monitoring of the structure, make the computer are connected to the Internet can access. The system from the perspective of functions in order to develop the experimental results show that the system can be normal and stable work, wireless sensor nodes can be normal to build wireless Mesh ne
19、twork, can undertake data reliable transmission, online system by the Tomcat server, the user can in any PC - units are connected to the Internet login this system for data query and management, realize the function of remote monitoring, and this system adopts the mechanism of energy saving achieved
20、 good energy saving effect, and data accuracy meets the requirements. Keywords: Agricultural Internet of things; Wireless sensor network (WSN); Data fusion; B/S architecture 山东商业职业技术学院毕业设计 5 第一章 绪论 1.1 背景 农业是当今世界农业发展的趋势，中国作为一个农业大国，对于精准农业的需求更为迫切，怎样合理经济地以少投入获得多回报，这不仅是可持续发展的要求，更是社会进步的体现。农田的环境监测是支撑精准农业技
21、术的关键，实时、方便、有效地采集农业环境参数是实现精准农业的重要基础。 农业物联网，即在大棚控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、 PH 值传感器、光传感器、 CO2 传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、 PH 值、光照强度、土壤养分、 CO2 浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或 作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 随着世界各国政
22、府对物联网行业的的政策倾斜和企业的大力支持和投入，物联网产业被急速的催生，根据国内外的数据显示，物联网从 1999 年至今进行了极大的发展渗透进每一个行业领域。可以预见到的是越来越多的行业领域以及技术、应用会和物联网产生交叉，向 物联方向转变优化已经成为了时代的发展方向，物联网的发展，科技融合的加快。 农业物联网：物联网被世界公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。他是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在这背后，则是在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、 移动通信网 等各种通信网路交互传递，从
23、而实现对世界的感知。 传统农业，浇水、 施肥、打药，农民全凭经验、靠感觉。如今，设施农业生产基地，看到的却是另一番景象：瓜果蔬菜该不该浇水？施肥、打药，怎样保持精确的浓度？温度、湿度、光照、二氧化碳浓度，如何实行按需供给？一系列作物在不同生长周期曾被 “ 模糊 ” 处理的问题，都有信息化智能监控系统实时定量 “ 精确 ” 把关，农民只需按个开关，做个选择，或是完全听 “ 指令 ” ，就能种好菜、养好花。 山东商业职业技术学院毕 业设计 6 1.2 物联网应用 农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络， 通过各种传感器采集信息， 以帮助农民及时发现问题， 并且准确地确定发生问题的位置，
24、 这样农业 将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。 （图 1.21） 实时监测功能 山东商业职业技术学院毕 业设计 7 通过传感设备实时采集温室（大棚）内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据；将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台，服务服管理平台对数据进行分析处理。 远程控制功能 针对条件较好的大棚，安装有电动卷帘，排风机，电动灌溉系统等机电设备，可实现远程控制功能。农户可通过手机或电脑登录系统，控制温室内的水阀、 排风机、卷帘机的开关；也可设定好控制逻辑
25、，系统会根据内外情况自动开启或关闭卷帘机、水阀、风机等大棚机电设备。 查询功能 农户使用手机或电脑登录系统后，可以实时查询温室（大棚）内的各项环境参数、历史温湿度曲线、历史机电设备操作记录、历史照片等信息； 登录系统后，还可以查询当地的农业政策、市场行情、供求信息、专家通告等，实现有针对性的综合信息服务。 警告功能 警告功能需预先设定适合条件的上限值和下限值，设定值可根据农作物种类、生长周期和季节的变化进行修改。 当某个数据超出限值时，系统立即将警告信息发送给相应的农 户，提示农户及时采取措施。 农业物联网区域试验工程工作方案 为贯彻落实党的十八大精神，切实促进工业化、信息化、城镇化和农业现代
26、化同步发展，充分利用现代信息技术改造传统农业，不断提高农业资源利用率和劳动生产率，推动农业发展向集约型、规模化转变，提升农业现代化水平。农业部决定启动农业物联网区域试验工程（下称区试工程），选择有一定工作基础的天津、上海、安徽三省市率先开展试点试验工作。为确保区试工程顺利进行，制定如下方案。 山东商业职业技术学院毕 业设计 8 1.3 物联网架构图 （图 1.31 物联网架构整体框图） 山东商业职业技术学院毕业设计 9 第二章 智能农业理念的内涵和架构 目前以农业复杂大系统为基础从大系统控制论和智能控制系统角度对智能农业的研究 已逐渐引起重视。从控制系统角度来阐述智能农业体系的应用层面，就是将
27、各种技术集成在一起，将农业系统看成一个闭环的可控大系统，从更高的角度看农业系统的整体智能调控问 题。基于大系统控制理念的智能农业要具备的两个要素： （ 1） 反馈控制。在该体系中，从信息给定、处理、核心调控，再到信号的采集、反馈都应该形成闭环； （ 2）自主控制。所谓自主控制包含三层含义：一是系统的控制核心具备自适应的调整能力； 二是系统的控制模型具备自学习和自整定能力；三是系统具备一定的自愈能力。 图 1 是文献一基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶型智能农业体系模型。在这个大系统中，分别对农业系统的产前、产中和产后的各个环节构建各自的农业子系统，并设计了系统的三个级别。而各个子系统均受各自的局部协同控制器的智能调控， 同时应用多目标优化等智能手段做系统自适应寻优。 而处于该系统宏观级的协调控制器则通过观测递阶和递阶信息流，借助于 Internet 网络将智能决策全局优化作为给定去约束各个局部协同控制器，从而达到整体系统的智能 化和管控高效、合理化。 （图 2.1 基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶智能农业体系模型）
