农业物联网之温室监测系统

　　农业物联网是现代化农业的重要组成部分，建设高效、许多发达国家如美国、英国、日本特别注重对农业生态环境的监测与保护。一方面，加强农业生态立法等政策性保护措施；另一方面，综合运用高科技手段构建先进的农业生态环境监测网络，通过先进的传感器感知技术、信息融合传输技术和互联网技术，将物联网技术融合其中，建立覆盖大区域的农业信息化平台，实现对农业生态环境的自动监测，保证农业生态环境的可持续发展。本文仅以温室监测系统为例进行分析。

　　1 温室监测系统组成

　　温室监测系统由无线传感器监测网络和远程数据中心两部分组成。

　　无线传感器监测网络：由智能传感器节点组成。实时采集土壤水分、土壤温度等参数，所有节点数据最终路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过移动网络转发到远程数据中心。智能节点为湿度传感器和温度传感器，安装不同的传感器可以做到对农业生产环境的多方位监测。远程数据中心：负责数据的接收、存储和时空分析。数据中心对数据的处理应用就在物联网的应用层完成。

　　2 温室监测系统感知层设计

　　农业物联网感知层由各种信息感知设备以及信息感知设备网关组成，信息感知设备采集并捕获各种农业相关信息，信息感知设备网关把信息感知设备与物联网网络层进行互联，从而对收集到的数据进行上传。信息感知设备包括湿度 /温度/气体浓度等各种传感器、RFID标签、GPS、摄像头等感知终端；信息感知设备网关包括传感器网关、RFID 读写器等。

　　感知层包含两项技术：一是数据采集与感知技术，二是传感器网络组网和协同信息处理技术。一般来说，数据采集和网络接入（组网）即构成传感器网络，是数据采集的基础网络。数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标志、视频数据。

　　针对农作物生长特点，借鉴国内外已有的先进研究成果，我们把传感器以及传感器网关作为物联网感知层组成要素来进行感知层设计。传感器感知网由分布在农田中多个智能传感器节点组成，实时采集土壤水分、土壤温度等参数。

　　感知网基于 ZigBee 无线通信协议组建网络，所有节点数据最终路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过 3G 无线通信传输方式转发到温室远程数据中心，监测网络中的所有节点均为有源节点，可以采用太阳能供电模式，也可以采用外接蓄电池方式实现供电。远程数据中心负责数据的接收、存储和时空分析。

　　部署无线传感器网络时，对于传感器放置位置的选择应注意如下问题。

　　第一，对于同一块农田，低功率节点模块通信覆盖范围较小。如果提高节点部署密度，必然增加投入成本，但是能较好地保证环境监测变量的采样密度。

　　选择高功率模块可以较好地保证网络连通性，较少节点数量，从而降低成本，这样可能导致所采集的数据失去该农田空间相关性，因此在农田部署传感器节点时需综合分析通信和采样这两个因素。

　　第二，根据农作物高度来调节节点天线放置的高度。针对农田具体覆盖作物，设计适宜的节点天线放置高度，这样有利于减少信号传输的路径损耗。

　　第三，每个节点能与最近两个节点进行通信，提高传感网络的可靠性。在网络拓扑结构设计中，每个作为终端设备的传感器节点在有效通信范围内至少能够与两个以上的作为路由器的传感器节点通信，以保证一条链路出现故障时不会影响到整个网络的正常通信。

　　3 网络层功能扩展

　　农业物联网网络层主要是指用于实现更加广泛的网络互联、信息承载、接入认证、网络安全防范、用户鉴权与计费等功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过多年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要，但是通信、网络技术还有较多有待完善的地方。

　　软件和算法：构建物联网应用的一大挑战是缺乏一个通用的软件构建方法，如何将不同环境中的软件组合成一个复合功能的系统，以及如何应用大量不相关的软件模块来构建我们需要的软件是要解决的问题。

　　认证、鉴权和计费：运营商网络需要提供对物联网感知层的接入鉴权、授权与计账等功能。网络发现：物联网网络会动态变化和不断演变，可能随时添加新的“物体”到网络中，现有的网络拓扑结构会不断变化。在物联网应用场景下，自动发现机制和映射能力对于整个通信与网络的管理是至关重要的。