1、基 于 物 联 网的 农 业 感 知数 据 融 合 应用 研 究 赵兰枝 内 蒙 古河 套 学院 理 学系 摘 要： 随着物联网技术的不断发展, 在农业领域中物联网技术得到了广泛的应用。 农业 物联网主要是通过传感器技术, 对农业领域生产和管理的数据信息进行收集, 所以农业感知数据的融合在农业物联网应 用中是非常重要的。 对农业物联网技术 及农业感知数据的特点进行了分析, 对农业物联网中农业感知数据融合的方法 进行了研究, 结合农业物联网技术应用的实际情况, 对基于物联网的农业感知 系统的硬件和软件进行了设计和研究。 关键词 ： 物联网技术; 数据融合; 无线传感器网络; 农业物联网; 作 者
2、简 介： 赵兰枝 (1971-) , 女, 讲师, 研究方向:计算机软件、 物联网和数据 库。 基 金： 河套学院校基金 资助项目 (项目编号:HYZY201623) 基于物联网的农产品 生产数据处理技术的研究 在农业生产领域, 物联网技术得到了广泛的应用。 物联网技术通过无线传感器网 络技术, 实现独立寻址的物理单位进行数据信息的互通, 促进了农业生产力的 发展。 在农业生产的环境监测中物联网技术提供了重要的技术支持, 通过传感器 对农业生产的监控信息进行采集, 在保证采集信息的准确性的基础上, 对传感 器网络的节 点数据进行信息融合。 基于物联网的农业感知数据融合技术可以减少 资源的浪费,
3、 减少数据的冗余, 提高农业数据的直观性, 便于对数据的分析和 处理。 1 农业物联网技术应 用 我国是农业生产大国, 物联网技术在农业生产中的应用实现了农业生产信息化 的管理。 农业物联网技术在农业生产环境中的应用, 改变了传统的农业生产管理 模式, 保证了农业生产中产品的质量, 实现了农业的现代化生产。 物联网在互联 网的基础之上, 实现了物与物之间的数据交换和传递。 物联网技术不受地理位置的限制, 在无线传感网络中, 以节点的方式分布在任何的农业 生产环境中。 农业 物联网中应用的传感器功能, 主要是对农作物生长环境的温度、 湿度和光照以及 二氧化碳等参数数据进行采集和分析。 农作物的生
4、长与环境条件以及光合作用的 关系也是 非常密切的, 对生长环境的光照强度的有效控制, 采用科学的方法对 数据的采集和处理, 有利于提高农作物的生长效果。 在农业物联网中, 压力传感 器和降水量传感器的应用也是非常重要的, 因为农业生产的过程与气象参数的 变化有着紧密的联系。 在农业水产品生产领域中, 水体深度和温度传感器对农业 水产品的生长过程进行监测, 可以有效地提高农业水产品的生产质量。 在农业生 产领域, 农业物联网可以对各种数据信息对象进行监测, 农业物理网感知层通 过网络技术对数据进行传输, 并采用信息技术对数据进行分析和处理。 农业物联 网感知数据对象包 括大气环境和土壤环境等,
5、这些感知数据对象在农业生产和 管理中起到重要的作用。 2 农业物联网数据融 合算法应用 农业物联网的数据信息量非常大, 无线传感器网络中的节点对数据的处理能力 有限, 所以对农业物联网的数据进行融合是非常重要的。 主要是对数据融合算法 的研究主要是在无线传感器网络中进行了分析的。 在农业物联网的数据融合技术 可以在一定程度上减少数据的冗余度, 提高无线传感器网络的鲁棒性。 数据融合 技术提高数据信息的准确度, 也提高了数据采集的效率, 减少了建立重复数据 链路的难度。 数据融合算法中的决策级别算法是一种 高层的算法, 决策级别算法 和特征级别算法在数据融合计算上比较类似, 主要是对数据进行特征
6、提取并对 数据进行分析, 具有目标性和容错性的特点。 特征级别算法适合应用于不同的传 感器中, 可以对传感器采集的数据进行特征提出, 然后把特征矢量汇总到特征 对象的总矢量里, 再对数据特征进行识别, 在网络上的灵活性比较高。 贝叶斯估 计算法主要是在静态的数据融合中采用的一种算法, 针对模糊特性的数据进行 概率分布计算, 通过概率分布对传感器采集的数据进行融合。 数据融合算法还可 以采用基于推理的神经网络算法, 根据一定的规则对数据信息 进行推理, 神经 网络算法可以有效地对数据进行处理, 并且具有容错性高和时效性高的特点。 3 农业感知系统软件 设计 在农业感知系统设计中软件设计是系统的核
7、心灵魂, 在软件的设计上主要是对 网络节点的软件功能进行了设计, 并通过代码方式实现了上位机监控界面的设 计。 3.1 软件 开发环 境 系统的功能需要软件进行实现, 软件开发环境是在 IAR Emhedded Workbench IDE 编译环境进行设计的, 为用户提供了高效的应用程序开发环境, 可以更快速地 对应用程序进行开发设计和功能调试。在 32 位和16 位的微型处理器中 IAR Rmhedded Workbench 应用很广泛, 针对不同架构实现解决方案的统一, 在代码设计中提高了代码的可靠性。 在物联网的无线传感器网络中 Z-Stack 作为最基本 的协议基础, 提供了分层结构的
8、工作模式环境。 3.2 上位 机监控 主界 面 农业感知数据融合系统在监控登录界面的设计上主要针对美化区, 版本信息系 区和登录区进行主要的设计。 登录区显示用户登录界面的主要信息, 用户在登录 区可以按照管理员分配的权限对系统平台进行操作, 输入账号和密码进行登录。 登录主界面是用户使用系统的接口, 对登录主界面的 设计采用简明快捷的方式, 在对用户登录密码进行验证的设计上采用加密算法技术, 密码算法是以 MD5 的 算法为主, 这也是充分考虑到 MD5 加密算法的不可逆性。MD5 加密算法保证了密 码的安全性, 在很多软件的密码加密算法中是主要的加密方式。 密码查询代码设 计: 上位机登录
9、界面设计图如图 1 所示。 图1 登录界面图 下载原图 4 农业感知系统硬件 设计 4.1 总体 结构 农业物联网获取农业生产数据信息的主要方式是通过感知技术来实现的, 农业 物联网感知系统中的无线传输技术实现了农业信息的实时获取, 并采用智能技 术对数据信息进行处理, 完成对农业生产的整个过程的控制。 农业感知系统总体 结构如图2 所示。 图2 农业感知系统总体结构图 下载原图 农业物联网感知系统是在技术结构的基础上建立的农业物联网感知系统体系结 构, 感知层主要是农业基础的数据信息, 是智能化农业生产的基础。 传输层是把 传感器收集的各 种数据信息传输到互利网或者客户端, 在这个过程中要保
10、证数 据信息的安全性和准确性, 实现远距离的数据通信。 处理层通过信息技术手段对数据信息进行汇总和分析。 应用层是根据农业生产中用户的实际需要, 对操作平 台进行设计和搭建。 4.2 传感 器硬件 节点 结构 在农业感知系统的硬件设计中, 设计的主要部分是主控制器模块的设计和无线 传感器节点的设计。 传感器节点硬件设计图如图 3 所示, 主控制器模块的设计主 要是完成数据的控制和处理功能, 无线通信模块的设计主要是实现不同传感器 节点之间的数据正常通信, 把传感器采集到的数据信息传 递到控制模块和数据 处理中心, 在数据传递的过程中以 Zigbee 协议为基础进行数据信息的传递。传 感器模块主
11、要功能是对当前信息进行采集, 并进行安全传递。 图3 节点硬件整体结构设计图 下载原图 4.3 主控 系统设 计 在对系统的主控制器系统硬件的设计中, 传感器芯片采用耗能低并且功能强的 Atmegal32 位芯片作为主要的硬件进行设计。 系统的存储结构的设计采用哈弗存 储结构, 哈弗存储结构具有数据和程序并行存储的特性, 并且在外设功能上性 能很好, 哈弗结构中的输入和输出接口支持 JTAG 接口模式。Atmegal32 位芯片 具有很完善的电路功能, 可以保证单片机硬件的正常运行。 在 Atmegal32 位芯片 的工作系统中, 对复位时间的控制可以通过对熔丝位的改变来实现, 并且具有 很强
12、的下载仿真功能。在通信模块的设计中采用 MAX233 串口通信芯片。在无线 传输模块的设计上无线控制芯片采用 CC2630 芯片, CC2630 无线控制芯片能耗低, 并且具有高的稳定性, 在无线传感器网络中采用 CC2630 芯片可以降低成本, 提 高整体性能, 性价比非常高。CC2630 芯片采用 IEEE 802.16 协议进行工作, 微 控制器内核的性能非常优越, 在系统的编程内存大小可以达到 256KB, 对硬件 的调试功能非常支持。在物联网的无线传感器网络中, CC2630 无线控制芯片的 强大的抗干扰性和高灵敏度, 为Zigbee 无线传感器网络提供了重要的技术支 持。 5 结语
13、 物联网技术在农业领域中的应用, 促进了农业信息化的发展。 物联网技术可以采 集农业生产的数据并对数据进行传输和处理等操作, 数据融合算法提高了农业 生产数据的准确性, 进一步实现了对农业生产数据的智能化监测。 参考文献 1 王海涛.基于竞争机 制的无线传感器网络 MAC 层协议的研究综述J. 现代计 算机 (专业版) , 2009, (07) . 2 赵春江, 薛绪掌, 王秀, 等. 精准农业技术体系的研究进展与展望J.农业 工程学报, 2003, (04) . 3 黄漫国, 樊尚春, 郑德智, 等.多传感器数据融合技术研究进展J. 传感器 与微系统, 2010, (03) . 4 王圣伟, 刘刚, 冯娟, 等.基于消息转发模式的农业物联网应用层云计算集 成研究J. 中国农业大学学报, 2013, (04) .
