物联网生态农业

物联网时代下的

生态农业

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物联网时代下的生态农业

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摘要

党连续多年发布的一号文件都是关于农业问题的，我国又是传统的农业大国，农业关乎着我们的国泰民生。伴随着物联网时代的强势来临和微电子技术的卓越发展。农业也面临着新的。

物理网可以实时的，高效的对环境因素进行监控，集合嵌入式技术，可以自动对不合适的环境变量进行适度调节，极大地了人的生产力，和执行效率。

近年来，随着温湿溯源化种植和工厂化育秧等农业生产技术的广泛应用，实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境污染，是农业摆脱自然制约的有效手段。

关键字： 生态农业 物联网 温室大棚

目录

摘要 ........................................................................................................................................................................................................ 1 关键字： ................................................................................................................................................................................................ 2 一、 二、

前言 ......................................................................................................................................................................................... 3 选题背景 ................................................................................................................................................................................. 3

1. 生态农业背景 ............................................................................................................................................................................ 3 2. 物联网背景 ................................................................................................................................................................................ 4 3. 物联网与农业的结合................................................................................................................................................................. 4 三、

产品实例 ................................................................................................................................................................................. 5

1. 方案论证 .................................................................................................................................................................................... 5 2. 产品简介 .................................................................................................................................................................................... 5 a) b)

上位机部分 ......................................................................................................................................................................... 7 下位机部分 ......................................................................................................................................................................... 8

c) 主控板 ..................................................................................................................................................................................... 9 d)

zigbee传感器采集节点 ................................................................................................................................................. 11

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e) 指纹模块 ........................................................................................................................................................................... 12

f) 非特定语音识别模块 ........................................................................................................................................................... 13 g) h)

DHT11温湿度传感器 ..................................................................................................................................................... 13 土壤湿度传感器 ............................................................................................................................................................... 14

i) 光敏电阻 ............................................................................................................................................................................... 15 j) wife摄像头 .......................................................................................................................................................................... 16 k)

主程序 ............................................................................................................................................................................... 17

l) 指纹模块 ............................................................................................................................................................................... 18 四、 五、

致谢 ....................................................................................................................................................................................... 19 参考文献 ............................................................................................................................................................................... 19

一、 前言

随着经济的发展，时代的进步，农业的呈现形势也在悄然生息的发生着变化。从袁隆平先生的超级杂交稻，到现在众说纷纭的转基因植物；从中国传统的可持续的耕作方式，到现在新引进的鱼菜共生和无土栽培等。无不展现着农业在新时代的多样性和发展性。

党连续多年发布的一号文件都是关于农业问题的，我国又是传统的农业大国，农业关乎着我们的国泰民生。伴随着物联网时代的强势来临和微电子技术的卓越发展。农业也面临着新的。

二、 选题背景

1. 生态农业背景

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生态农业简称ECO，ECO是Eco-agriculture的缩写,是按照生态学原理和经济学原理，运用现代科学技术成果和现代管理手段，以及传统农业的有效经验建立起来的，能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业。

20世纪70年代以后，一些发达国家伴随着工业的高速发展，有污染导致的环恶化也达到了前所未有的程度，尤其是美、欧、日一些国家和地区的工业污染已经直接危及到了人类的生命与健康。于是，1972年在法国成立了国际有机农业联盟（IFOAM）。

在中国生态农业与西方的那种完全回归自然、撇弃现代投入的生态农业的主张完全不同。它强调的是继承中国传统农业的精华—废弃物质循环利用；避免常规现代农业的弊病（单一连作，大量使用化肥）。

2. 物联网背景

物联网，概括地讲，就是物物相连的互联网，即通过装置在各类物体上的射频识别（RFID）、传感器、二维码等，经过进口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，实现任务物体的沟通和对话。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

物联网（The Internet of Things）的概念提出于1999年，近几年物联网硬件环境得到了极大的改善发展，其价格也在逐步降低，进入了普通大众的生活；在软件开发与整体发展的环境上，国内物联网已经初步形成规模。

3. 物联网与农业的结合

虽然物联网已经进入到了我们的日常生活中但是，在我国的农业背景下，大规模的实施物联网

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农业也可以视为天方夜谈。我国北方和西南山区的传统农业还处在较为原始和生硬的小农耕种方式，没有实施物联网技术的环境。

实施物联网与生态农业的结合一方面适用于珍贵苗木和蔬菜大棚的培育。珍贵的苗木比如黄花梨、红豆杉、红叶梨之类的景观植物，这些植物的生态功能强、经济价值高。在培育这些植物的时候，又快又好的培育关系着巨大的经济效益，所以这些植株利用无性繁殖可以高效的获得大量的植株，在这个过程中，需要严格的保证无菌环境，气体环境，和温湿度环境。物联网便在这个过程中发挥了很大的作用，物理网可以实时的，高效的对环境因素进行监控，集合嵌入式技术，可以自动对不合适的环境变量进行适度调节，极大地了人的生产力，和执行效率。对蔬菜大棚来讲也是一样，各种植株对环境的喜好也不同，给植株保持高效的生长环境有利于植株产量的提高，而这件事情可以通过物联网技术便捷的实现，比如说zigbee低成本无线传输技术，可以实时的监控土壤的温度、湿度、酸碱度、并进行一定程度上的自我调节，通过这个手段，仅人工成本就可以节约很大一部分。

三、 产品实例

1. 方案论证

近年来，随着温湿溯源化种植和工厂化育秧等农业生产技术的广泛应用，实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境污染，是农业摆脱自然制约的有效手段。

2. 产品简介

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如图4.1，范例作品是以宏晶公司的IAP15F2K61S2为主控芯片，通过物联网无线传感器技术中zigbee技术。采用星型方式，用以实现对分散节点数据的采集.自动监测系统分布在各个检测点的传感器自动收集包括生态园温度、湿度、光照、土壤湿度等环境参数，zigbee将这些数据和地理位置信号传送到协调器同时广播所有收到的参数给下位机，并控制灯的亮灭，拉帘的关闭，水泵的通断等。使用指纹识别技术控制门关闭，增加安全系数。使用非特定语音识别技术控制灯的亮灭，拉帘的关闭，在室内安装语音控制的操作臂，方便运输东西。当检测到东西时wife摄像头可用电脑上位机和Android手机客户端实时的观察生态园内现况，实现人机交互。

图4.1正面外观图

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图4.2背面外观

本作品由上位机和下位机组成，通过zigbee实现两者之间的通信。

a) 上位机部分

1.1 上位机是基于LabVIEW2013平台开发。通过zigbee完成与下位机（IAP15F2K61S2）数据的采集。

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图4.3 上位机界面

图4.4 上位机界面

b) 下位机部分

下位机是搭载了IAP15F2K61S2主控板、zigbee传感器底板、指纹门禁、非特定语音控制模块、wife摄像头、机械手臂的生态园模型。通过IAP15F2K61S2控制zigbee实现传感器信息的采

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集，控制风扇，水泵使系统达到稳定，指纹门禁，语音控制等使生态园的更加智能化、人性化。

IAP15F2K61S2主控板、zigbee传感器底板、指纹模块、非特定语音识别模块、DHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器、光敏电阻、火焰传感器、红外对管、步进电机、直流电机、128液晶显示屏、水泵、舵机。

图4.5 MCU处理结构

IAP15F2K61S2主控对数据采集与处理、基于zigbee协议栈传感器数据处理与传输、指纹门禁控制、非特定语音模块的识别与控制、上位机控制函数部分。

c) 主控板

主控板是以IAP15F2K61S2为核心，增加了zigbee连接口、128液晶显示口、蜂鸣器、按键、开关、指示灯。

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图4.6 主控板原理图

图4.7 主控板PCB图

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d) zigbee传感器采集节点

zigbee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，其主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。zigbee是一种无线连接，可工作在868MHz、915MHz和2.4GHz的3个频段上。使用zigbee协议栈可实现一对多传

图4.8 zigbee原理图

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图4.9 zigbee PCB图

e) 指纹模块

指纹模块是一款由高性能指纹对比算法等软硬件组成，与指纹敏感器相连接嵌入指纹识别软件，就是完整的指纹识别模块；我们作品运用IAP15F2K61S2开发指纹门禁系统，并用主控控制门的开闭，同时对各类手指类型适应性强，尤其对于干手指识别率高，在北方冬天有明显的优势；体积小巧，

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图4.10 指纹模块

f) 非特定语音识别模块

IAP15F2k61S2通过电平转换模块与LD3320语音识别芯片，通过构建SD卡文件系统实现非特定人语音识别关键词动态编辑功能，当收到关键词时根据不同关键通过串口输出hex码，IAP15F2k61S2主控接收数据并控制操作臂等。

g) DHT11温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

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图4.11 温度传感器

h) 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器又名：土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器主要用来测量土壤容积含水量，土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型，FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)。

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图4.12土壤湿度传感器

i) 光敏电阻

光敏电阻又称光敏电阻器（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）或光导管photoconductor），常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光明电阻器的阻值迅速下降。

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图 4.13光敏电阻

j) wife摄像头

无线摄像头是将无线接收器嵌入到摄像头，利用WiFi实现视频的无线传输，通过红外对管检测是否有人靠近通过舵机控制移动摄像头。

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图4.14 wife摄像头

k) 主程序

Zigbee采集传感器数据通过串口传给IAP15F2K61S2主控芯片，主控芯片采集数据并保存在数组中，主函数调用数组中数据通过128液晶屏显示，并控制风扇，水泵等。

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图4.15 流程图

l) 指纹模块

IAP15F2K61S2通过串口控制指纹模块识别是否有指纹输入，当有指纹输入时打开门，进入门内红外对管检测到有人进入时自动关闭门。

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IAP15F2K61S2通过SPI总线控制LD3320语音芯片，语音芯片接收到数据时自动发送校验码，为下次读写寄存器做好准备，当检测到语音识别列表对应的关键字时，关闭SPI总线打开SD卡读取SPI总线通过扇心区地址读取数据，并通过喇叭播放。

四、 致谢

感谢秋实电子工作室为我提供的实物资源，和文件资源。

五、 参考文献

[1]尹育新,戎宏娜.浅谈一种全新的网络技术一物联网[J]．信息系统工程,2OlO(2)：105-106

[2]王宝云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009,(12):1-7.

[3]邵文佳.物联网技术应用展望[A].企业技术开发,2010年7月，第29卷第14期.

[4]徐涛.物联网发展现状及问题研究[A].中国市场,2010年第32期。

[5]王光辉.物联网战略的国际观察与思考[EB/OL].(2OLO-O6-22)

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