农业物联网系统解决方案

1、托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展!农业物联网系统解决方案随着经济社会的发展，农业已经越发智能化智慧农业是农业生产的高级阶段 是集新兴的互联网、移动互联、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生 产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通 信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在 线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。基于ZigBee技术的智慧农业解决方案，成本低廉，是一般人都能负担的价格； 控制更简单，让每一位刚接触的人都能轻松使用；功耗更低、组网更方便、网络 更健壮，给您带来高科技的全新感受。您的温室大棚

2、规模越大，基于ZigBee技术 的智慧农业解决方案在使用中，要准确及时地操控所有设备，最值得关注的应该 就是网络信号的稳定性。鉴于温室大棚的网络覆盖区域比较广泛，我们贴心为您 呈现物联无线组网！智慧农业能有效连接物联Internet通信网关和超出物联Internet 通信网关有效控制区域的其它ZigBee网络设备，实现中继组网，扩大覆盖区域， 并传输网关的控制命令到相关网络设备，达到预期传输和控制的效果。基于先进 的ZigBee技术，物联无线中继器无需接入网线，就可自行中继组网，扩散网络信 号，让网络灵活顺畅运行，保障您的所有设备正常运行。主要采集温湿度，从而 控制农植物的水分和光照。关键词:

3、物联网；智慧农业；云计算；物联网架构；ZigBee托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展!目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第一章绪论1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 智慧农业产生背景1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 物联网技术智能化管理1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 系统简介1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Docum

4、ent 第二章总体方案3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 可行性分析3风险分析3区域经济侧重风险分析3 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 国际经济风险分析4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 第三章系统设计5 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 智慧农业物联网技术分析5总体设计6智能农业控制系统6云计算系统8 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 数据

5、储存与访问设计8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 系统功能架构8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 系统部署架构8主要硬件设备9CC2530 介绍9 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 芯片引脚功能9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 第四章总结13II托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展!第一章绪论智慧农业产生背景农业信息技术是我国现代农业科技的重要内容，大力推进“信息化与农业现 代化融合”

6、是我国现代农业发展方向。“农业物联网”即利用物联网技术，即通 过相应的智能传感器设备实时监控农业种植环境，并将各个相应的数据通过数据 采集设备，经过无线网络系统传送到信息控制中心，进而对农业种植环境进行调 节，智能控制农作物健康生长所需环境如温度、湿度以及光照、土壤温度、含水 量，及时灌溉系统。实现农业种植综合生态信息的自动检测，对环境进行自动监 控。物联网技术智能化管理农业是关系着国计民生的基础产业，我国传统农业在向现代农业发展中面临 着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量，改善生产效益 低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需 要。因此，关于

7、农业物联网技术的研究势在必行。物联网是以感知为目的的，实 现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。物联网可以很好地应用到诸多领域， 农业即是其中之一。通过在农业种植系统中安装相应的只能控制系统，实现对整农作物种植环境 中各个参数的实时监控，及时掌握农作物生长环境的一些参数，并根据参数变化 适时调控来掌控农作物最佳的生长环境，将生物信息获取方法应用于无线传感器 节点，为温室精准调控提供科学依据。系统简介基于物联网技术的农业种植监控系统核心包括以下几部分：1）感知层：顾名思义，感知层相对于物联网而言，类似于人类的感觉器官， 主要是用于识别物体并进行信息采集。信息感知层通过采用先进的传感技术，即托托

8、普云农一一致力于中国农业信息化的发展!利用温度、湿度、光照、风速等各种传感器，得到农业生产过程中的精细化信息， 如设施内温度、湿度、光照情况、CO2浓度、土壤湿度、营养液浓度等信息，是 对植物生长状况进行判定的基础。数据感知与采集，实现种植环境中的土壤湿度、 空气温度湿度、光照及自动灌溉系统的实时感知的试纸传送到ZigBee协调器节点 上；2）应用层：信息应用层通过对数据进行科学处理而制定相应的管理决策，从 而实现对农业生产过程的控制。例如利用无线传感器网络获取作物生长环境的温 湿度、光照强度等信息，并对各类信息进行分析，依据制定的管理策略，与传动 机构进行通讯，控制传动机构，进行自动灌溉、施

9、肥、加温、控光等，同时对异 常信息自动报警。该系统负责对采集的数据进行存储、信息处理和控制指令的下 达，为用户提供分析 决策依据，用户可随时随地提供电脑灯终端进行查询。物联网技术的农业种植环境监控管理系统功能结构框图如图1.1所示。图1.1系统功能结构图托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展!第二章总体方案可行性分析由于农村地区村民想摆脱农耕生活，中国东部、南部及中部地区数百万公顷 的农田冬季遭弃耕。农业部的统计资料显示，中国南部16省2150万公顷农田冬 季无人耕种，占16省总耕地面积的46.6%以上。中国农业科学院研究员卢布表示， 这一现象可能是因为“农民不愿意把时间花在种地上，而是想要

10、去城里工作赚更 多的钱。”现在新一代的打工潮中不断出现年轻的90后面孔，但农田里劳作的人 们可谓真是书本上读到的“农民伯伯”，年轻一代的劳动力在农村流失巨大，日 出而作日落而息的生活对他们似乎毫无吸引力。农业作为一个古老的行业，在历 朝历代的中国都是立国之本。中国是一个农业大国，却不是农业强国。土地分散、 生产效率低、技术落后等导致的竞争力不强一直都是阻碍我国农业发展的重要因 素。中国农业大部分还处于靠天吃饭的局面，随着科学技术的发展，农业的工业 化、信息化是趋势所在 目前农业信息化技术在农业中的应用已经从零散的点的 应用发展到全面应用，信息的有效沟通和高效利用使得农业生产系统、农业管理 系统

11、、农业市场系统、农村生活系统等农业系统的运转更加有效、智慧，物联网 技术的发展将真正促成智慧农业的诞生。农业的可持续发展、和谐农村、农业资 源的有效利用和环境保护，这些被不断提及和关注的问题会得到更优化的解决方 法。风险分析区域经济侧重风险分析我国是世界上的农业大国，但又是耕地严重不足的国家，目前我国人均耕地 面积排名世界第126位，仅占有世界人均耕地面积的40%。因此，发展智慧农业 具有长远和现实意义。我国幅员辽阔，农业自然条件复杂，农业机械化综合水平较低，在农业生产 领域，电子、计算机和信息等技术的应用还较少，因此全面推广智慧农业尚有一 定困难，但可以在规模化和机械化程度较高的地区，如新疆

12、、黑龙江等地区的大 型农场率先开展智慧农业技术应用。对于经济发达、城市化程度高的地方，要建托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展！立合理的土地流转机制，引导农户发展适度规模经营，进行智慧农业试验，逐步 推广智慧农业技术。此外，应广泛建立适合于家庭联产承包分散经营的智慧农业 技术体系，以提高农业生产效益。尤其要提及的是，我国西部地广人稀，有较好的规模经营基础，从自然条件 来说，比较适于开展智慧农业；西部地区占主导的是第一产业，第三产业并未得 到充分发展，但如果发展基于知识之上的新技术，西部的产业结构可以得到进一 步优化；另外西北地区现阶段水资源开发利用方式不合理，管理落后，灌溉方式 不当引起土

13、壤沙化、草场退化和土地次生盐碱化，目前全国水土流失面积约80% 发生在西部，每年新增的荒漠化土地也大多分布在西部地区。智慧农业系统中在 自动监测控制条件下的精准灌溉工程技术，如喷灌、滴灌、微灌和渗灌等，可大 大节约西部水资源利用率。作为长远策略，我国可以县或乡为单位，研究建立区域性土壤养分信息系统， 分区指导当地的养分管理和肥料合理施用，逐步建立起适合小规模分散经营体制 下的智慧农业信息化管理模式。面对我国农业发展相对落后的现状和国际市场的挑战，我国应不失时机地大力发展智慧农业，使之成为我国农业普及现代信 息技术、实现农业现代化的突破口。长期以来的实践证实，现代农业离不开现代信 息技术，后者打

14、造的智慧农业无疑将改造世界农业，并孕育世界农业未来的新希 望。国际经济风险分析分析2016年世界范围内智能农业市场发展状况、智能农业行业特点和智 能农业市场需求。先不谈市场状况如何，单是先前几大国际巨头的行动就已 经让我们预先看到了 2016年智能农业行业稳定的发展前景。先来看一组数据：美国农业部最近的调查报告指出，由于国内智慧农业 发展迅速，正在为推动美国农业出口创造更大的盈余。前年发布的美国2015 年贸易数据证实了美国在农作物种植方面的杰出才能。虽然从总体上看，美 国2015年商品和服务贸易逆差进一步扩大，再次下滑近5000亿美元，但农 业出口同比增长了几乎1/3,创造了近400亿美元的

15、贸易盈余。在2015年， 美国农业出口额为1158亿美元，创历史新高。美国农业部长汤姆表示：“如今的数据显示，全球对美国食品和农产品 的需求正在飙升。”他指出，智慧农业每年可为美国农民节约数百万美元，托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展!并避免了使用不必要的化肥和杀虫剂，从而显著降低了规模化农业对环境的 冲击。去年美国农业出口打破纪录，比2013年创造的上个纪录1148亿美元 多出了近10亿美元。第三章系统设计智慧农业物联网技术分析射频识别技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，该技术与 互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内的物品跟踪与信息共享。射频识 别技术在食品行业中主

16、要应用于食品的跟踪和溯源。应用射频识别技术系统可确 保食品供应链的高质量数据交流，可确保食品源的清晰，实现产品追踪，从而实 现质量监控和追溯。同时，射频识别技术与传感器技术相结合，可以感知食品加 工和储藏过程中环境的状态信息，因为环境因素对食品品质影响很大，记录分析 这些因素就显得十分重要。利用无线通信技术可以方便地把这些状态信息及其变 化传递出来。条码技术：条形码是由美国的N.T.Woodland在1949年首先提出的。它算得 上是最古老最成熟的一种识别技术它也是自动识别技术中应用最广泛和最成功的 技术。由于条形码成本较低有完善的标准体系已在全球散播，所以已经被普遍接受。 条形码是由宽度不同

17、、反射率不同的条和空按照一定的编码规则（码制）编制成的， 用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符，即条形码是一组粗细不同,按照 一定的规则安排间距的平行线条图形。它的基本工作原理为,由光源发出的光线经 过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换 器上，使之产生电信号，信号经过电路放大后产生模拟电压，它与照射到条码符号上 被反射回来的光成正比再经过滤波、整形形成与模拟信号对应的方波信号,经译码 器解释为计算机可以直接接受的数字信号。磁卡识别技术:我们常用的磁卡是通过磁条记录信息的。磁条技术应用了物理 学和磁力学的基本原理。磁卡技术的优点是数据可读写，即具有现场改变

18、数据的能 力数据的存储一般能满足需要，使用方便、成本低廉。这些优点使得磁卡技术的应 用领域十分广泛，如信用卡、银行ATM卡、现金卡（如电话磁卡）、机票、公共汽车 票、自动售货卡等。磁卡技术的缺点是数据存储的时间长短受磁性粒子极性的耐托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展！久性限制使用寿命短、信息容量小，常常依赖于外界的数据库，另外，磁卡存储数据 的安全性一般较低，如磁卡不小心接触磁性物质就可能造成数据的丢失或混乱，要 提高磁卡存储数据的安全性能，就必须采用另外的相关技术。农业传感器技术是农业物联网的核心，主要用于采集各类农业信息，包括空 气温度、湿度等环境指标参数，畜禽养殖业中的有害气体含量

19、，种植业中的光、 温、水、肥、气等参数，以及水产养殖业中的酸碱度、氨氮、溶解氧、浊度、电 导率等参数。遥感技术从不同高度的平台上，使用不同的传感器，对地球表层各类地物的 电磁波谱信息进行收集，并进行分析处理。遥感技术利用地面目标反射或辐射电 磁波的固有特性，通过观察目标的电磁波信息以达到获取目标的几何信息和物理 属性的目的。在智慧农业采集地面空间分布的地物光谱反射或辐射信息，实施全 面监测，同时根据光谱信息，进行空间的定性与定位分析，从而提供大量的田间 时空变化信息。农业信息感知技术在智慧农业中运用最广泛的是无线传感网络。无线传感网 络采用无线通信方式，由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，

20、负责感知、 采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。蓝牙是一种短距离无线通信技术 规范，能够实现数据和语音通信，蓝牙通信带宽为1Mb/s，一个“蓝牙”主设备 最多同时与7个其他的“蓝牙”设备通信，支持点对点和点对多的连接，使用灵 活的无基站组网方式。目前主要的应用场景有数码相机图像传输，计算机、手机 等的交互会议，耳机、游戏机等的电子娱乐产品等，汽车产品等。Wi-Fi是IEEE 定义的无线网络通信的工业标准，主要特点是可靠性高、速度快，在开放的环境 通信距离达到300 m以上，在相对封闭的环境里通信距离在100 m。组网灵活、 成本低、可移动性好，与现有的有线以太网络非常容易整合。但是其明显

21、的缺点 是信号强度影响其稳定性，抗干扰性不好，且设备的功耗非常高。目前，Wi-Fi 应用在如手机、PAD等的便携式电子产品中，有效解决校园网或办公室无线局域 网的无线接入问题。总体设计智能农业控制系统托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展！智能农业控制系统的架构如图3.1所示，本模块主要由控制中心、传感中心、 工作中心构成。控制中心由STC90C51芯片作为中枢负责控制传感器与工作器的 工作。传感中心由温度传感器、湿度传感器、光强传感器、二氧化碳浓度传感器构成，与控制中心相连，主要负责向控制中心传输数据。工作中心主要由滴灌设备、智能灯和排气扇组成，负责调节大棚的湿度、光 照、温度与二氧化碳浓

22、度。 工作过程：传感中心获取大棚内的模拟信息传递给 控制中心，控制中心根据用户设定的数据的阈值控制工作中心进而调控大棚内部 的环境趋近于用户设定的值。图3.1总体功能架构图收费车道的设备主要包括智能控制器、显示器、收费键盘、专用操作台、电 动栏杆、环形线圈、RFID读写天线及辅助设施等，实现数据采集、外设控制、数 据上传及收费等功能。后台服务管理系统设备主要由监控中心系统服务器、管理 工作站等设备组基于物联网的智能停车场管理系统的设计与实现成，实现对车辆 出入场数据、财务管理、各类数据查询、统计以及报表管理、人员管理和稽核管 理等功能。收费车道通过计算机网络与后台服务管理系统相联。/托普云云福

23、系中国农业信息化的发展！云计算指将计算任务分布在资源池上，使应用系统实现根据需要获取存储空 间及软件服务。面对智慧农业中的大量数据，云计算可以实现信息存储资源和计 算能力的分布式共享，超级强大的信息处理能力同时也为大量信息提供支撑。我国近年来开展云计算对于农业生产的应用，在农业相关领域的应用都有研 究。目前农业云体验平台包括农业信息智能搜索与服务平台和绿云格平台，通过 这2个平台能够实现农业市场信息和实用技术的准确获取与分析，为农业主管部 门、企业及农户个人提供个性化检索，同时提供全方位的农业生产环境远程管理 服务。数据储存与访问设计系统控制中心（安卓系统）连入以太网，实时的将每个大棚中的环境

24、信息传 递到远程服务器并保存，远程服务器端根据不同的数据来源将数据存储到数据库 中。客户端将设置大棚内部环境参数信息存储到远端的服务器 数据库中，大棚控 制系统读取服务器中的设置参数并通过蓝牙技术反馈到单片机控制系统中。客户 端读取服务器数据库中大棚内部环境近期（每日，每周）的参数信息并通过折线 图显示。系统功能架构智慧农业按照功能细分应用层，管理层，基础功能层与数据层，把整个复杂 的系统从功能逻辑上进行模块化，明确体现了模块内功能点与不同模块之间的数 据交互，调用关系，为后面的数据库设计与详细实现提供了清晰的思路。系统部署架构云端与智慧农业是web应用，运用需要web服务器。云端部署在云服务

25、器中， 具有公网IP，从外界可以通过网络进行访问，app是访问云端服务器进行数据请求 与交换。农场端运行在车场中，与农场内的硬件设备；摄像头、传感器等组成一 个内网系统，通过统一接口，跟云端进行数据交互与同步。托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展！主要硬件设备CC2530 介绍.CC2530 是基于 2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 上的一个片上系 统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530芯 片结合了 RF收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其 他模块的强大的功能。如今CC2530主要

26、有四种不同的闪存版本： CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。其具有多种运行模 式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很 短，使其进一步降低能源消耗。.CC2530包括了 1个高性能的2.4 GHz DSSS （直接序列扩频）射频收发器核 心和1个8051控制器，它具有32/64/128 kB可选择的编程闪存和8 kB的RAM, 还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可 编程I/O弓|脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530是一款功耗相当低的 单片机，功耗模式3下电流

27、消耗仅0.2UA,在32 k晶体时钟下运行，电流消耗 小于1uA。 CC2530芯片使用直接正交上变频发送数据。基带信号的同相分量和 正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通滤波，变频到所设定的信道上。当需 要发送数据时，先将要发送的数据写入1288的发送缓存中，包头是通过硬件产生 的。.最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz,后 经天线发送出去。CC2530有两个端口分别为TX/RX, RF端口不需要外部的收发开 关，芯片内部已集成了收发开关。CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI 通信模式的FLASH,可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电

28、压为2.7v 到3.6v。CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。天线的最大增益为+ 3.3dB,天线面积为25.7X7.5mm。该天线完全 能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz2.480GHz）。芯片引脚功能致力于中国农业信息化的发展!SCXLCJIMm&sox 哥总0 ZEL-Q00托托普云农GNDGNDGNDGNDP1_5P1 4P1_3Ri/P1 .1DVDD2RBIASJWDD4VDDIAVDD2RF NRF PAVDD3X0SC_02 XOSC_Qi AVDD5图3.1CC2530引脚图AVDD1 2

29、8电源（模拟）AVDD2 27电源（模拟）AVDD3 24电源（模拟）AVDD4 29电源（模拟）AVDD5 21电源（模拟）AVDD6 31电源（模拟）2-V-3.6-V模拟电源连接2-V-3.6-V模拟电源连接2-V-3.6-V模拟电源连接2-V-3.6-V模拟电源连接2-V-3.6-V模拟电源连接2-V-3.6-V模拟电源连接DCOUPL 40电源（数字）1.8V数字电源去耦。不使用外部电路供应。托托普云农一一致力于中国农业信息化的发展！DVDD1 39电源（数字）2-V-3.6-V数字电源连接DVDD2 10电源（数字）2-V-3.6-V数字电源连接GND -接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。GND 1，2，3，4未使用的连接到GNDP0_0 19 数字 I/O 端口 0.0P0_1 18 数字 I/O 端口 0.1P0_2 17 数字 I/O 端口 0.2P0_3 16 数字 I/O 端口 0.3P0_4 15 数字 I/O 端口 0.4P0_5 14 数字 I/O 端口 0.5P0_6 13 数字 I/O 端口 0.6P0_7 12 数字 I/O 端口 0.7P1_0 11数字I/O端口 1.0-20-mA驱动能力P1