基于物联网的设施温室监控系统中无线传感器节点设计

设计具有低成本、低功耗、易扩展的设施温室监控设备,深入研究无线网络构成,从而优化网络结构、降低组网难度、提高组网效率;采用MSP430F149为核心的处理器;采用CC2530射频芯片实现无线传输;提供多种协议接口方便传感器的扩展,给出了土壤温湿度、空气温湿度、光照传感器的选型和指标参数;由设计的无线传感器节点作为WSN中的全功能设备同时充当路由节点,搭建了MESH型的无线传感器网络结构;经测试,通过硬件设计及网络结构搭建,系统具有结构简单、组网快捷、数据传输可靠性高等优点,能较好地满足无线传感器节点在设施温室监控中的应用。

基于植物全生育期的精量智能灌溉控制器设计

根据设施温室作物种植灌溉的节水需求,设计了一款基于植物全生育期的智能精量灌溉控制器。控制器选用高性能MCU为核心;采用HMI作为系统和用户之间信息交换的桥梁;采用流量传感器控制植物精量灌溉;采用短距离无线通信和GPRS相结合的传输方式在农业物联网架构中充当中间件设备;根据用户需求设计了可供用户选择的3种智能灌溉策略,采用专家辅助决策的知识挖掘技术制定植物全生育期的灌溉处方。试验表明,系统运行稳定,操作简便,节水效果明显,有较大的推广应用空间。

基于FRAM和NB-IOT的设施温室智能环境采集系统设计

针对设施温室环境数据采集及传输的特点,分别对现有数据存储技术及无线传输技术进行对比分析,最终采用FRAM存储和处理滞留数据,具有低功耗、长寿命、防篡改等特点;采用NB-IOT技术搭建远距离无线传输路径,以其强连接、高覆盖的特点提高数据与指令传输过程中的可靠性,与传统技术相比成本更低;同时设计了具有低功耗特性的MSP430FR5x芯片作为系统核心,采用C++ Builder和Mysql设计了服务器守护监听程序。经测试,系统能够有效适应农业智慧生产条件下低频率、小数据量的传输要求,有效降低功耗的同时确保了数据传输的连贯性。

太阳能供电的电子式土壤水势测量仪设计

针对当前土壤湿度测量设备使用过程中易受外界环境影响、自动化程度低等问题,设计了具有数据自动存储/下载、太阳能与锂电池互补供电功能的电子式土壤水势测量仪。该测量仪采用测量系统的负压差近似表示土壤水的基质势,通过土壤张力数据的测量反映出土壤含水量的状况。采用STMicroelectronics(ST)公司STM32F103RCT6芯片作为主控制器,采用停机模式设计了系统低功耗工作流程;采用太阳能辅助锂电池进行能量存储与供应,设计了相应的供电及保护电路;采用主控制器内部A/D进行数据采样,并进行粗差剔除。测试表明,对采样的1 440组数据采用8阶多项式进行曲线拟合,决定系数R为0.998 6,RMSE为1.047,拟合度好,测试周期内电池电压值均保持在4 V以上,系统始终能够保持充足的能量对系统进行供电,与传统土壤水分张力计相比测量精度和准确度更高,数据存储、下载更加方便。

多参数环境因子对黄瓜叶面湿度影响研究

为研究在日光温室环境下多因子对黄瓜叶面湿度影响情况,采用人造叶片电阻模拟叶面湿度值,试验针对天津地区日光温室环境安装小气候检测设备,分别对温室内湿度群数据(空气湿度RH,叶片湿度RHL,土壤湿度RH_(10)、RH_(20)、RH_(30)、RH_(40))和温度群数据(空气温度T,土壤温度T_(10)、T_(20)、T_(30)、T_(40)),以及太阳辐射W进行数据采集,通过相关分析和主成分分析方法探讨各指标之间的关系。结果表明,除空气温度T和土壤温度T_(40)与土壤湿度RH_(30)以及土壤温度T_(20)与太阳辐射W间无显著相关性(P>0.05)外,其他指标间均存在极显著的相关性(P<0.01);经主成分可将12个指标分为3个主成分,主成分I为土壤温度指标(T_(10)、T_(20)、T_(30)、T_(40))和土壤湿度指标中的RH_(10)、RH_(20)、RH_(40),主成分Ⅱ为空气温湿度指标(T、RH)、太阳辐射指标(W)和叶片湿度指标(RHL),主成分Ⅲ为土壤湿度指标中的RH_(30)。综合而言,本试验所选11个环境因子指标中,叶面湿度受空气温湿度和太阳辐射的影响较大,主要表现为空气温度和太阳辐射高,空气湿度低,则叶面湿度亦低,其他环境因子指标对其影响相对较小。

设施蔬菜物联网管理系统的构建及应用

针对设施蔬菜种植过程中传统粗放种植向数字化智能种植方式的转变需求,本着实用、灵活、扩展性强的原则,构建了天津市设施蔬菜物联网管理系统。系统由感知层、传输层、数据存储层和应用层组成,通过对系统数据库结构、专家系统、操作界面、物联网系统的合理设计,实现蔬菜设施种植过程中的各个生育时期的专业参数自动分析和控制。

冷链运输监测中无线传感器节点设计

针对当前冷链运输监控系统中存在无线传感器节点功耗大、使用时信道易冲突且协议复杂的问题,设计了一种基于无线传感器网络的冷链运输远程监控系统中的无线采集节点。选择以MSP430F149为核心的处理器,采用SHT11与PT1000双传感器测量温、湿度,完成对不同精度温区的温、湿度数据采集;采用SX1212无线芯片实现无线传输。另外,自主设计了星型自组无线传感器网络协议,针对冷链运输特点设计了物理层,并采用二叉树与动态帧时隙ALOHA的融合算法以避免碰撞。测试结果表明,通过硬件设计及使用自主协议,系统具有功耗低、组网迅速等优点,能较好地满足无线传感器节点在冷链运输环境中的应用。

基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统

针对当前对智能节水灌溉的需求,为精准农业提供科学依据,设计了基于ZigBee无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的土壤墒情监测系统。本设计研发了集环境自动监测传感器、无线智能控制终端和数据采集传输终端于一体的低功耗智能传感器节点,重点阐述了其软硬件设计,控制器采用低功耗单片机Msp430F149。本设计采用ZigBee无线传感器网络,能实现信息采集节点的自动部署,数据自组织传输,可应用于温室、农田等区域,有助于更好的节能节水,有效地提高农作物单位面积产量。初步测试结果验证了该系统的合理性与实用性。

设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统的设计及试验

设计了设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统,该系统通过环境传感器实现对环境对象感测,精准获取设施蔬菜的全生育期的环境参数;设计了"土壤含水量下限+小额灌溉"的灌溉策略模式,结合设施蔬菜全生育期的环境参数形成闭环回路,驱动文丘里比例施肥机进行有效水肥灌溉完成对设施蔬菜的精细化耕作。结果表明,该系统能够按照预设间隔时间有效监控设施蔬菜的环境参数,并能在设定的土壤湿度参数范围内启动或者浇灌,实现智能浇灌,比传统的自动浇灌系统更加高效。

一种BP网的学习速率与动量项自适应算法

针对BP网络学习速率和动量项参数较难选取以及学习过程中学习效率较为低下的问题,提出BP网络的改进算法模型—AB网络模型,来选取学习速率和动量项的参数值,即通过一个为给定先验知识的A网,动态调节另一个执行实际应用的B网中的学习速率和动量项的参数值,并以此提高整个网络的学习效率.实验结果表明,通过AB网络自适应调整参数的算法比普通BP算法的学习效率大大提高.在实际应用中,我们可以通过AB网络自适应调节的方法,对学习速率参数和动量项参数进行合适的选取.

基于OpenCV的Android手机植物叶片几何参数测量系统

通过Android手机对植物叶片图像进行处理以测量其长、宽、周长、面积等几何参数,避免其他测量方法的缺点,提高数据采集效率。首先,获取含有已知尺寸矩形框的叶片图像。然后,对图像进行校正以消除倾斜失真。在校正阶段,采用了更为鲁棒的特征点检测法代替可能出现错误结果的Hough变换法来处理矩形框,得到其4个角点。根据求得的角点与标准图像的角点对图像进行映射得到校正图像。最后,处理校正图像计算叶片几何参数。参数计算提出以叶片轮廓为基础的方法,所有参数均通过对轮廓的处理求出,提高了计算效率。此外,基于轮廓求面积不需要对叶片进行形态学处理消除空隙及不连续,还可避免统计像素方法中将噪声像素误认为叶片造成的计算不精确。在求叶片长、宽时,给出了2种方法供用户根据叶片实际形状选择。另外,在编程方面,采用了Open CV-Android-SDK,大幅提高了图像处理速度。结果表明,精确度测试中,对打印出的规则图形几何参数测量的结果误差均在2%以内;而实际叶片的测量结果中长、宽的误差在2%以内,周长误差小于4%,面积误差低于3%。耗时测试中,相同图像处理算法采用Open CV后,处理速度明显提升;对多部不同配置手机的测试中,处理1幅分辨率为2448×3264的叶片图像的耗时均在3 s以内。另外,对于同一叶片图像,不同手机测量的结果完全一致。实验表明,该系统不仅操作简单、速度快、通用性强,而且对叶片几何参数的测量精确度也较高。

物联网技术在设施农业中的应用及其研究方向

初步探讨了目前制约我国农业物联网向纵深发展的主要瓶颈问题,提出缺乏应用研究是关键因素。设施农业物联网应用研究要结合生产实际和未来发展趋势,重点在5个方面,包括数据的积累与分析、研究适宜的应用模式、开发适用的傻瓜化的物联网管理系统、研究制订农业物联网应用标准、加强作物生理生态信息的监测与研究。

基于物联网技术的日光温室黄瓜智能灌溉控制系统研究

采用无线传感器采集温室内空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光照强度等信息,利用无线传输协议实现数据的自动获取、传输及控制.当土壤水分传感器监测到土壤含水量低于设定阈值时,系统自动启动电磁阀,进行滴灌作业,可实现黄瓜幼苗期、结果初期、结果盛期、结果后期智能灌溉控制,较常规滴灌作业节水15％～20％.

基于STM32的冷链运输监测系统数据汇转模块

针对冷链运输监测集中监管、局域分布和整体流动的特点,设计冷链运输监测系统。重点介绍以STM32微处理器为控制核心的数据汇转模块,以及针对冷链运输环境而设计的基于SX1212芯片的无线模块的无线自组网络。该系统能有效监测温/湿度、电池电量和行车路线信息,减少了物流损耗。与ZigBee方案相比,该方案的功耗更低。

基于容灾备份的设施温室环境监控系统关键技术的研究

目前大部分设施温室环境监控系统在系统的安全性、稳定性方面考虑较少,为了提高环境采集数据传输的稳定性,防止因为协调器故障而导致系统瘫痪,提出了并联模式的基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议(Zig Bee)的多协调器备份工作机制来降低由于单协调器出现故障而导致系统瘫痪的概率,起到负载均衡及失败转移的目的,以保证农业数据的安全;最后进行系统测试和分析。结果表明,该系统能有效保证采集到的环境数据无故障传输。

设施温室节能型传感器节点的选型与设计

以设施温室传感器节点的绿色节能为设计理念,以降低系统功耗和高效利用能量为目标。采用绿色可再生的太阳能资源作为节点的能量来源;采用功耗低、性价比高的MSP430芯片作为处理器单元主控芯片;采用具有功耗低、信号强度高、传输距离远、传输过程中信号衰减小等特点的433 MHz频率作为无线传输单元传输频率;采用单晶硅太阳能板和高性能锂充电电池组成供电系统单元。详细阐明各单元选型依据,并通过硬件电路和软件程序进行优化,进一步降低功耗。通过试验对节点的功耗进行了计算,并对节点使用太阳能充电情况进行测试。试验结果表明,通过选型与设计,系统能够实现设定目标。

低功耗风光互补电源控制系统

以无线电监测基站为工程背景,设计了一种为其供电的风光互补电源控制系统,设计过程中着重考虑了系统的低功耗。系统通过LIN总线实现对分布式电池组、太阳能电池板和风机的控制。设计了一种无干扰的电源切换方法。基站和工作站之间需要进行远程数据传输,以太网控制器经由无线AP实现工作站与基站之间的数据传输和对基站的远程监控。

当前农业物联网安全面临的问题

农业物联网技术因其高效、精准、节省人力等优势,逐渐在农业领域得到推广。但其在提升农业效率的同时,也面临许多安全问题。由于农业物联网技术与农业生产、经营、管理、服务息息相关,一旦出现安全问题,则可能造成严重损失。本研究从农业物联网特征的角度出发,分别从设备的限制、设备无人看管、多样性与互相依赖、数据完整性与保密性、新技术的威胁、从业人员缺乏安全意识6个方面对农业物联网面临的安全问题进行了阐述,并介绍了如传感器轻量级加密、基于数据分析进行设备故障检测、运用区块链技术保证数据完整性等应对措施。随着农业物联网技术的发展与普及,其在农业领域的应用范围也必将更加广泛,只有采取有效的措施来应对其面临的安全问题,才能让物联网技术安全助力农业高质量发展。

不同生育期水分供应对设施甜瓜产量和品质的影响

为天津地区设施温室甜瓜栽培制定合理的灌溉制度提供参考,在春季温室甜瓜不同生育阶段进行3种灌溉梯度〔充分灌溉(0.9EP)、轻度亏缺(0.6EP)、中度亏缺(0.3EP),EP值通过连续跟踪有经验种植户灌溉习惯进行测算〕、4个灌溉关键节点(定植水、缓苗水、膨瓜水和成熟水)试验。结果表明:设施甜瓜关键生育节点有效灌水能够对其生长和节水产生明显效果,有效增加膨瓜期水量和提高甜瓜产量;6个处理中以T5处理〔定植期、膨瓜期、成熟期灌水量均为0.9EP,缓苗期灌水量0.3EP(EP=1381.61m^3/hm^2)〕能够较合理地平衡节水与甜瓜产量关系,提高甜瓜品质,甜瓜产量达35586.09kg/hm^2,水分利用率8.85%,VC含量22.09mg/100g,可溶性固形物含量11.98%。T5模式可作为日光温室春茬甜瓜推荐的最佳灌溉制度。

基于Android的互联网植物医生服务平台

病虫害的诊断和防治是保障农业安全生产的重要环节,诊断的实时性和防治的有效性是必须解决的首要问题。本文建立了基于Android的互联网植物医生服务平台,创建了农作物病虫害数据库、诊断规则库,并通过基于Android智能手机的植物医生APP提供农业病虫害专家远程诊断和基于专家系统的自助诊断,建立了全天候的病虫害诊断服务模式,使农民"足不出户"即可得到植保专家的防治指导,解决作物生产过程中"求医难"的问题。另外,专家还可根据农民咨询的情况,对病虫害的分布与发生进行分析预警。