农业生产信息采集技术的发展方向.doc

农业生产信息采集技术的发展方向摘要: 数据采集是农业信息化建设实践中的重要环节, 网络化的数据采集系统依据不同对象有不同的模式: 有线局域网络型数据采集系统、无线数据传输型数据采集系统以及新兴的无线传感器网络。关键词: 农业生产信息采集技术; 微处理器; 局域网; 无线数传; 无线传感器网络一、引言当今在推进农业信息化建设的实践中, 信息采集技术是不可缺少的重要环节。信息化的源头应该从高新技术的应用和低成本、高效率设备获取客观信息入手, 用信息技术提升与改造传统产业, 对建设节约型社会和可持续农业系统的意义重大, 因此, 农业信息化装备技术创新和产业化必须得到重视。农业活动大都是在广域空间进行的, 所以要研究的有: 农田空间分布信息快速获取先进传感技术; 畜禽饲养环境及个体信息采集技术; 智能化数据存储、变换与处理技术; 网络化数据传输技术及实用装置的开发;农业生产过程管理决策支持系统的推广应用; 智能控制农业装备应用系统的开发和先进适用的应用系统集成技术等。我国农业科技工作者经过多年的努力取得了一定的成绩, 开发出一些农用数据采集装置, 诸如: 可用于温室大棚的智能温湿度传感器、土壤水分测试仪、土壤养分测试仪; 在畜禽养殖方面开发出可用于奶牛饲养的采食量数字化测定技术, 奶牛体重、体况、运动量、环境信息、产奶量等信息采集系统, 基于RFID( 射频标识) 技术的牛个体识别、牛体重自动测量无线局域网节点一体化技术的数据无线传输, 通过互联网实现对牛场的远程管理。然而, 目前农业信息数据采集中绝大多数是处于封闭环境的自成系统, 采集到的数据临时贮存在数据采集器内,后经由导线自RS232/485 串行导出, 这与当今以互联网为平台的网络技术有一定的距离。虽然有RS232 转TCP/IP 的相关产品以打补丁的方式解决网络化的问题, 但这是不完美的。推进农业信息化中普遍面临的一个重要问题就是信息资源的共享。信息共享是信息化的核心问题。分布式异构资源的共享是网络时代的瓶颈, 网格技术将是解决应用层面的互联互通, 消除信息孤岛, 实现信息资源共享的一个重要发展方向。在我国农业信息采集技术领域内作者认为可从三方面努力。二局域型数据采集系统在有条件的地方, 例如以环境监测为目的的温室大棚, 可构建有线局域网络型数据采集系统。在监测的范围内有机地分布若干以微处理器为核心的数采单元, 并经由网线连接至网络集线器。每个数采单元具有传感器感知、数据前端处理、输出控制、网络传输的功能, 其本质就是一个网络节点( 单元) 。硬件基本组成有通用型的模拟量、数据量接口、微处理器单元、网络接口芯片以及电源供给部分, 硬件结构见图1： 软件方面包括: 嵌入式实时操作系统RTOS、数据采集与转换、TCP/IP 协议。可实现将采集到的数据封装成TCP/IP 协议包上传至测控中心, 也可解析测控中心发来的命令包并驱动执行机构完成控制任务。三、无线数据传输型数据采集系统在农业领域内的数据采集大多数是在广域空间内进行的, 数据源距目的地相对较远, 不具有稳定的电源供给和安全可靠的环境。这就要求数据采集单元具有低功耗、自备电源、无线数传、价格低廉、装卸简便等特点。近年来在无线数传方面已有迅猛的发展, 数传电台、GSM短消息、光纤接入等方式、GPRS 等技术有了长足的发展。但是这些技术手段都是需要运行费用的, 而无线数传模块工作在ISM频段工作频率( 315/433/868/915Hz) , 使用时无需申请频点。国内已有若干商业产品, 例如: 迅通公司的nRF 系列、上海桑锐公司的SRWF 系列、北京捷迈公司的系列等。将数据采集与无线数传模块结合构成无线数传型数据采集单元。在实际应用中由于无线数传模块的频道数较少, 故通常只进行点对点的通信方式, 但也可在此基础上为每一个采集单元分配一个地址, 并与上位机组成无线网络系统。系统以半双工主从查询方式工作, 上位机定时向外发送广播地址数据包, 每个节点收到广播包后与自己的地址比较, 相符则回传采集到的数据, 若地址不符则进入休眠状态以降低能耗。但这并非是真正意义上的网络系统, 单元间并不发生通信联系, 而只与上位机通信。鉴于农业领域应用的特殊性, 笔者认为数据采集装置结合无线数传模块的应用是农业数据采集及传输的一个发展方向。四、无线传感器网络 早在上世纪70 年代, 就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形,可以把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步, 传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力, 并通过与传感控制器的相联, 组成了有信息综合和处理能力的传感器网络, 这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始, 现场总线技术开始应用于传感器网络, 人们用其组建智能传感器网络, 大量多功能传感器被运用, 并使用无线技术连接, 无线传感器网络逐渐形成。2000 年12 月IEEE 成立了IEEE802.15.4 工作组,致力于定义一种供廉价、固定、便携或移动设备使用的且复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术无线传感器网络( WSN) , 它由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点, 成为近期国际上网络研究的重要热点之一。无线传感器网络是新一代的传感器网络, 具有非常广泛的应用前景, 其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国, 非常重视无线传感器网络的发展。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时, 更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术, 商业周刊预测的未来四大新技术中, 无线传感器网络也列入其中。可以预计, 无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势, 它的出现将会给人类社会带来极大的变革。Zigbee 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时, 通过跳ZigZag 形舞蹈来告知同伴, 达到交换信息的目的。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术, 亦包含寓意。ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee 采取了IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点: 省电、简单、成本又低的规格; ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用层。1. 传感器网络结构( 见图3)2传感器节点结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成( 图4) 。传感器模块负责监测区内信息的采集和数据转换; 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据; 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信, 交换控制信息和收发采集数据; 能量供应模块为各传感器节点提供运行所需的能量, 通常采用微型电池。3. 传感器网络协议栈( 图5) 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;数据链路层负责数据帧、帧检测、媒体访问和差错控制;网络层主要负责路由生成和路由选择;应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。此外还有三个管理平台, 它们是:A量管理平台, 管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节约能量。B动管理平台, 检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由, 使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。C务管理平台, 在一个给定的区域内平衡和调度任务。4. 传感器网络的特点大规模网络为了获得精确信息, 在监测区域内通常部署大量传感器节点, 通过分布式处理大量的采集信息, 能够提高监测的精度, 降低对担搁传感器的精度要求; 大量冗余节点的存在, 使得系统具有很强的容错性; 大量节点能够增大覆盖的监视区域, 减少洞穴或盲区。自组织网络在传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能精确设定, 节点间的相邻关系预先也不知道。这就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因下列因素而改变:环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化, 甚至时断时通;网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;新节点的加入。上述这些因素要求传传感器网络系统能够适应这些变化, 具有动态的系统可重构性。可靠的网络传感器网络适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域, 传感器节点可能工作在露天环境中, 遭受太阳暴晒或风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。这些都要求传感器节点非常坚固, 不宜损坏, 适应各种恶劣环境条件。以数据为中心的网络在互连网中, 网络设备用网络中唯一的IP 地址标识, 资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP 地址。因此目前的互连网是一个以地址为中心的网络。传感器网络是任务型的网络, 传感器网络中的节点采用节标号标识, 由于传感器节点随机部署, 构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的, 用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身为查询或传输的思想, 形成传感器网络是一个以数据为中心的网络。5.传感器网络在农业领域中的应用在我国对于无线传感器网络的研究刚刚兴起, 已有一些产品问世, 但在农业领域中的应用尚属空白, 急待我国农业科研人员奋起努力填补这项空白, 使我国在种植业和养殖业的环境信息、生命信息的数据采集及传输技术能跟上世界科技前进的步伐。无线传感器网络是一种新的数据采集技术, 在农中大规模布置传感器节点可以域的土壤温度、土壤水分、光照等环境参数进行全天候不间断的观察,采集的数据经由汇聚节点最终传送给观察者, 为该农田的种植规划的制定和田间管理提供可靠的基础依据。在养殖方面除对诸如牛、鸡、猪舍的环境参数做常规的数据采集之外, 还可对生命信息进行数据采集, 例如: 采集牛个体的基础体温和脉搏, 超限后立即报警,使该牛能及时得到医疗和救治, 最大限度的减少养殖户的损失。五、农业信息采集技术面临的问题和对策中国属于发展中国家, 与发达国家相比我国农业领域中计算机技术、数据采集技术的应用还相当薄弱,某些方面甚至还是空白; 由于农业经济基础差, 农业基层单位用不起新技术, 因此推广起来有相当的难度, 笔者认为应从以下几个方面考虑:1.适合对路的科技产品。根据笔者多年从事饲料厂计算机生产控制的体会来看, 饲料生产之所以应用计算机全在于有了它可以提高产量和产品质量,这是手工生产所不能比拟的。2. 针对不同的使用对象, 研发高、中、低不同层面的数采科技产品, 因此价格也会有高低之分, 这样才有利于推广应用, 因为售价往往起决定性的作用。3. 加强宣传, 提高科技兴农、科技强国的观念, 引导农户增强使用科技新产品应用于农业生产的意识,促进农产品产量和质量的提高。