随着农业信息化和无线通讯技术的发展,利用便携式智能设备采集农田信息正在成为一种重要手段。为了解决果园信息采集问题,本文开发了一个基于ZigBee与RFID的苹果果园信息采集系统。系统硬件部分由PDA、ZigBee协调器模块(连接ZigBee无线传感器网络)、RFID模块以及服务器等组成。系统软件部分包括一个运行于PDA端的嵌入式果园信息采集系统以及一个运行于服务器端的远程服务器端果园数据交换系统。无线便携终端PDA阅读果树RFID信息,确定数据采集果树对象,通过集成于PDA的ZigBee协调器采集该果树周围布设的ZigBee无线传感器网络获取的信息(果树生长环境、果树生长状态以及传感器本身工作参数),随后即可使用自定义的数据交换协议将采集数据发送至服务器,同时更新PDA端显示。服务器端接收数据后,保存到相应数据库并返回结果反馈信息。试运行表明,系统工作稳定,运行可靠,可实现果园果树数据的采集与保存,为后续数据分析提供服务,在农业生产领域具有一定的使用和推广价值。 With the development of agricultural information technology and wireless communication technology, the use of portable intelligent equipment to collect farm information is becoming an important means. In order to solve the problem of orchard information collection, an apple orchard information acquisition system based on ZigBee and RFID was developed in this paper. The hard-ware part of the system is composed of PDA, ZigBee coordinator module (connecting ZigBee wireless sensor network), RFID module and server. The software part of the system includes an embedded orchard information collection system running on the PDA side and a remote server terminal data exchange system running on the server side. The wireless portable terminal PDA reads the fruit tree RFID information, determines the data to collect the fruit tree objects, and collects the information obtained by the ZigBee wireless sensor network arranged around the fruit tree (the fruit tree growth environment, the fruit tree growth state and the sensor itself parameters) through the ZigBee coordinator integrated in the PDA, and then the custom can be used. The data exchange protocol sends the collected data to the server and updates the PDA display. After the server receives the data, it saves it to the corresponding database and returns the feedback information. The trial operation shows that the system is stable and reliable, and can realize the collection and preservation of the orchard fruit tree data, provide service for the follow-up data analysis, and have a certain use and promotion value in the field of agricultural production.
吕智超1,郑立华2*,乔军1
1中国农业大学网络技术中心,北京
2中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室,北京
收稿日期:2018年11月18日;录用日期:2018年11月30日;发布日期:2018年12月7日
随着农业信息化和无线通讯技术的发展,利用便携式智能设备采集农田信息正在成为一种重要手段。为了解决果园信息采集问题,本文开发了一个基于ZigBee与RFID的苹果果园信息采集系统。系统硬件部分由PDA、ZigBee协调器模块(连接ZigBee无线传感器网络)、RFID模块以及服务器等组成。系统软件部分包括一个运行于PDA端的嵌入式果园信息采集系统以及一个运行于服务器端的远程服务器端果园数据交换系统。无线便携终端PDA阅读果树RFID信息,确定数据采集果树对象,通过集成于PDA的ZigBee协调器采集该果树周围布设的ZigBee无线传感器网络获取的信息(果树生长环境、果树生长状态以及传感器本身工作参数),随后即可使用自定义的数据交换协议将采集数据发送至服务器,同时更新PDA端显示。服务器端接收数据后,保存到相应数据库并返回结果反馈信息。试运行表明,系统工作稳定,运行可靠,可实现果园果树数据的采集与保存,为后续数据分析提供服务,在农业生产领域具有一定的使用和推广价值。
关键词 :果园,信息采集,协议,PDA,ZigBee,RFID
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农业作为我国的第一产业,是支撑国民经济建设与发展的基础,是我国粮食安全和社会经济可持续发展的可靠性保障 [
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议 [
射频识别即RFID (Radio Frequency IDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触 [
目前,国内外的信息采集系统的开发主要有以下三种方式 [
通常,由于果园的自然环境及果树分布特点,各种基于PDA的采集系统主要由四个部分组成:采集,控制,远程接收和传输四个部分 [
图1. 信息采集系统基本结构图
各种信息采集系统原理结构基本相同,但是具体实现方法有一定程度的差别。目前国内外的信息采集系统的具体构成主要有以下特点:
1) 采集部分
有PDA内置传感器模块,也有外接模块采集甚至人工采集。PDA本身内置了一些采集功能模块,比如GPS、RFID阅读器,或者PDA通过与之相连的串口去连接ZigBee模块从而获取ZigBee网络的采集信息。还有,人工使用设备采集作物信息后录入到PDA,不过效率低下,但硬件成本低 [
2) 控制部分
主要是操作系统的不同。目前,大部分是Windows CE,还有部分Android,很少部分其他的例如Palm OS,Linux等等。首先,使用Windows CE平台的PDA,内置有RFID阅读器、GPS、蓝牙模块。RFID阅读器用来读取某一作物的唯一标识,蓝牙用来与采集模块交换信息。PDA软件使用Visual Studio开发,开发语言为C#。PDA端地图软件使用超图GIS软件。信息远程接收系统数据存储使用SQL Server,运行环境为Windows Server或者Windows XP。同时,信息远程接收系统使用IIS搭建网站,使用Webservice方式进行数据交换。C#平台软件开发容易,但微软产品费用较高(Windows, SQL Server) [
3) 信息远程接收系统部分
主要是接收或者发送数据。一般来说,大部分选择都是Windows平台,上手比较快。信息远程接收系统主要有C/S和B/S两种结构,B/S结构又分Web Service以及普通网站(通过GET或者POST)交换数据。从开发难度上来说B/S简单些。关于数据库,大部分使用SQL Server,也有采用MySQL以及其他的免费开源数据库,MySQL是个不错的选择,但比SQL Server复杂一些。
4) 传输部分
有GPRS、3G、蓝牙、ZigBee、GPRS以及3G主要用于控制部分与信息远程接收系统部分的数据交换,GPRS覆盖范围比3G广泛,但是速度没有3G快。蓝牙以及ZigBee主要用在采集模块之间、采集模块与控制模块进行数据交换。ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间(Latency Time)和低数据速率的特点 [
综上所述,本文提出了以下解决方案,无论从成本,开发难度,还是野外作业的适应性都具有较大优势。
采集部分,使用PDA内置RFID读取器、GPS、3G模块,通过外接ZigBee模块来获取需要采集的信息。
控制部分,使用开源的Android系统以及百度地图SDK。
信息远程接收系统部分,使用Windows系统以及C#编写Server软件,通过Socket以及自己定义的一套协议进行数据交换。数据库,使用MySQL数据库。
传输部分,控制部分与采集部分之间使用ZigBee进行数据传输,控制部分与果园信息远程接收系统部分使用3G或者GPRS网络进行数据传输。
PDA通过ZigBee协调器采集ZigBee无线传感器网络的上传信息(作物生长环境、生长状态、以及传感器本身工作状态等)。
果园信息远程接收系统开发采用Visual Studio 2010 + MySQL 5.6.果园信息移动采集系统开发采用Eclipse 4.2 (Juno) + ADT + Android SDK软件开发使用的操作系统为Windows 7旗舰版Service Pack 1。总体技术路线框图如图2所示。
图2. 总体技术路线框图
准确采集和掌握果园中的各种信息是实现果园精细管理的前提,果园中的环境变化,对作物的生长影响很大,及时得到果园中的环境信息,有利于促进作物的健康生长和提高作物的质量。因此系统需要采集的信息为果园边界信息、果树信息,其中果园边界信息为边界的经度、纬度、边界点的索引以及采集时间。果树信息包含果树的基本信息(经度、纬度、RFID、采集时间)和属性信息(土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度等)。其中RFID通过RFID读取器读取,属性信息通过串口连接的ZigBee模块读取ZigBee网络的信息来获得。
为了果树精细管理,定量施肥打药的需要,
果园信息移动采集系统,功能见表1:
功能分类 | 字段 |
---|---|
果园边界管理 | 果园边界的增加、边界删除、边界清空等 |
果树信息管理 | 果树增加、果树删除、果树清空、属性信息采集等 |
果园数据管理 | 数据接收、数据解析、数据发送、数据打包等 |
可视化管理 | 地图加载、图层管理、定位管理等 |
硬件管理 | RFID信息读取、ZigBee网络信息读取等等 |
其他辅助管理 | 程序加载页面、登录、设置、帮助、操作日志、关于等 |
表1. 果园信息移动采集系统主要功能
果园信息移动采集系统主要功能如图3所示。
图3. 果园信息移动采集系统功能图
果园信息远程接收系统,功能见表2:
功能分类 | 字段 |
---|---|
数据管理 | 数据解析、数据保存、数据接收、数据打包、数据发送等 |
界面管理 | 主页、设置等 |
表2. 果园信息远程接收系统主要功能
果园信息远程接收系统功能如图4所示。
系统可行性分析即根据社会、经济和技术条件,确定系统开发的必要性和可能性。可行性分析的目的就是要用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否能够解决。并通过分析解决方法的利弊,来判定系统目标和规模能否实现,系统完成后所能带来的效益是否达到值得去投资开发这个系统的程度。
基于移动终端和物联网的果园信息采集系统的可行性主要从以下几个方面考虑:
图4. 果园信息远程接收系统功能图
1) 经济可行性
果园的科学化、精细化管理使得果园信息的采集成为必须,从而为管理提供依据。本系统开发大量采用开源产品,从而将成本降到最低。
2) 技术可行性
果园信息远程接收系统采用Visual Studio IDE、C#语言进行开发,数据库采用MySQL,果园信息移动采集系统采用Eclipse IDE、Java语言进行开发,技术上是可行的。
3) 可维护性
系统的可维护性是确保系统长期稳定运行的关键因素,易于维护的系统能够节省用户的大量时间、精力和运行成本。系统使用易于维护和管理的硬件设备和软件开发系统以及开发方法,使整个系统具有较好的可维护性。本系统可维护性较强,而且也为之后的扩展预留了接口。
Android PDA采集ZigBee网络的传感器信息以及获得位置信息后,通过无线网络发送到果园信息远程接收系统的服务器,之后,数据被保存到数据库服务器并且向果园信息移动采集系统返回指令。苹果果园信息采集系统整体架构图如图5所示。
图5. 苹果果园信息采集系统整体架构图
使用基于Android的无线手持终端PDA (果园信息移动采集系统)采集果树的各种环境信息,然后把数据传给服务器(果园信息远程接收系统)进行处理,同时在PDA上进行可视化展示。
本文设计并构建了基于ZigBee与RFID的苹果果园信息采集系统。由于Android平台的开放性、PDA的便携性、ZigBee的低数据速率以及开发难度较低、成本低等优势,在未来的农业信息采集应用中会广泛使用。
感谢郑立华老师及所有在写作期间给予我指导的老师们!
国家自然科学基金——基于光谱学和机器视觉原理的苹果树营养及长势监测诊断机理与方法研究 (31071330)。
吕智超,郑立华,乔 军. 基于ZigBee与RFID的苹果果园信息采集系统:系统设计与构建 Apple Orchard Information Collection System Based on ZigBee and RFID: System Design and Construction[J]. 农业科学, 2018, 08(12): 1409-1406. https://doi.org/10.12677/HJAS.2018.812207