精选资料湘 南 学 院大学生研究性学习和创新性实验计划项目申 报 表系 部 名称 物理与电子信息工程系 项目名称 基于ARM可视化农田数据采集处理系统项目负责人 曾飞 联 系 电 话 18973543740 电 子 邮 件 wang00dz126.com 导 师 姓 名 王焕友 王龙 _导 师 职 称 副教授 讲师 填 写 日 期 2011-4-13 湘南学院教务处制项目名称基于ARM可视化农田数据采集处理系统项目主持人曾飞学号200814060108性别男电话18973543740专业名称应用物理年级08级班级1班项目组其他成员学生姓名性别系(部)名称专业年级联系电话合作者签名肖伟男物电系电子信息科学与技术0815173540902唐群男物电系应用物理0813407416538肖云路男物电系电子信息科学与技术0815096181698王永智男物电系电子信息科学与技术0915211791058指导教师情况姓名王焕友 王龙性别男民族汉出生年月19769职称副教授 讲师专业电子信息研究方向电路系统手机号码15526263387E-mailWang00dz126.com指导老师签名一、前期工作基础1、考察项目及购买基础设施：一个好的开发项目能充分调动学生的积极性，而且可以使资金发挥它充分的价值，我们的导师在立项之前，到各大高校考察，与其他学校专业老师一起探究此项目的可行性和前景。在得到各大高校老师的肯定后，指导老师又深入农村，探究农业对信息的需求和精确度。在考虑修改再三后，最终把项目确定为基于ARM可视化农田数据采集处理系统。为了满足教学的需要，学校准备斥巨资购进嵌入式相关设备，兴办嵌入式实验室，为项目的开发提供了良好的学习环境。2、项目初步研究：虽然项目到现在才申报，但我们的指导老师早就带领我们走入了嵌入式的世界，我们项目开发小组单独购买开发学习板，从基础的单片机学起，逐步过渡到嵌入式的学习与开发，以Linux操作系统为媒介，逐步深入到嵌入式的内核，为基于ARM的农田数据采集系统项目的开发做好了学前的准备。总而言之，有指导老师的引导，我们团体的努力，我们对项目的开发抱满信心，所以乘着这次大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报的机会，申报我们的项目，希望得到学校和教育厅的支持，获取资金用于项目开发。二、项目立论依据1、项目研究的目的和意义农田环境是一个复杂的生态系统，包含土壤、肥料、水分、光照、温度、空气、生物等因子，故农业生产过程中面临许多挑战，比如：气候的变化，水资源短缺，环境污染等。生产过程中依靠经验、目测等传统方法来做决定显然是不科学的。对农田基础信息的获取和表达，不仅要针对直接相关因素进行分析，也要对关联度大但为隐性的间接因素进行分析，由此现场数据获得的快速、准确是最基本的要求，即由此产生了精细农业。 “精细农业”的核心指导思想就是要利用现代科学技术获取农田内影响作物的生长和产量的各种因素的时空差异，避免因对农田的盲目投入所造成的浪费和过量施肥施药造成的环境污染。具体而言,就是利用卫星定位系统对采集的农田信息进行空间定位；利用遥感技术获取农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息；利用地理信息系统建立农田土地管理、自然条件(土壤、地形、地貌、水分条件等)、作物产量的空间分布等的空间数据库，并对作物苗情、病虫害、墒情的发生发展趋势进行分析模拟，为分析农田内自然条件、资源有效利用状况、作物产量的时空差异性和实施调控提供处方信息；在获取上述信息的基础上，利用作物生产管理辅助决策支持系统对生产过程进行调控，合理地进行施肥、灌溉、施药、除草等耕作措施,以达到对田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的产量。精细农业的思想是利用现代电子信息技术来获取影响作物生长的因素，实施变量的农田作业管理和调控。它解决了以往的田间管理没有考虑田间因素的差异性对田间小区产量的影响，避免了以农田大片土地为单位平均播种、施肥和喷药，造成化肥和农药等农用物资的过度浪费，充分发挥了耕地的生产潜力。田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节。由大量集成了处理器、存储器和无线通信能力的传感器节点组成的具有动态拓扑结构的自组织网络称为无线传感器网络，传感器节点协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并发送给观察者。由于微传感器的体积小、重量轻，甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，因此，有人又称无线传感器网络为“智能灰尘”。无线传感器网络可以实现长距离无线通信和短距离无线通信模式的无缝连接，实现农业生产现场数据信息的远程自动采集，将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储。无线传感器网络通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输，该技术可以广泛应用在农业现场数据信息采集、农业生产设备的智能化控制等各个生产环节，对今后现代农业的发展将起到重要的支撑作用，具有重要的社会和经济意义。总而言之，项目的研究，对发展农业科技、实现农业现代化，起到了很大的推进作用；对解决农村落后、提高农民收入具有指导意义；项目的研究既有一定的学术意义，又有一定的实用价值。 2国内外研究现状我国是农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重大。在这些方面，无线传感器网络有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测。在“九五”计划中，“工厂高效农业工程”已经把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项目。以下介绍几种国内外在这个领域所作的一些尝试。2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。A. Baggio 在2005 年把无线传感器网络布置在土豆田，通过测量土壤和空气湿度、温度、地下水位及气象信息等参数，来预测土豆的病虫害的发生。农作物病虫害的发生与多种参数信息相关，通过无线传感器网络测量的土壤和气象参数并不足以预测病虫害信息，而且其网络平台刚刚组建，传感器节点还没有进行装配，也没有开展相应的数据采集工作，相应实验结果未能在文献资料中找到。2007 年，澳大利亚的Tim Wark 等在牧场布置无线传感器，用以指导牧场灌溉、施肥以及放牧，并且将无线传感器节点安置在动物身上对动物吃草情况及相互交流的行为进行检测，避免了有线线路对动物生活的干扰。无线传感器网络通信便利、部署方便的优点，使其在节水灌溉的控制中得以应用。同时，节点还具有土壤参数、气象参数的测量能力，再与互联网、GPS技术结合，可以比较方便地实现灌区动态管理、作物需水信息采集与精量控制专家系统的构建，并可进而实现高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。可在温室、庭院花园绿地、高速路隔离带、农田井用灌溉区等区域，实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水工业的快速和健康发展。Digital Sun公司发展的自动洒水系统S.Sense Wireless Sensor目前受到国际上多家媒体的报道。它使用无线传感器感应土壤的水分，并在必要时与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开/关闭，从而达到自动、节水灌溉的目的。2008 年，印度的Jacques Panchard 利用Shockfish 公司的Tinynode 为传感器节点，Mamaboard 为基站组建了无线传感器网络，传感器节点间的距离为200m，不用在农业现场设置计算机，利用GPRS无线通信技术和internet 连接至远程的数据库服务器。该系统通过地面传感器组成无线传感器网络，监测土壤含盐量、湿度、温度、降水量等，另外通过地下传感器监测地下水的水位和质量，进而指导农作物进行最优耕作、灌溉和收割。但是其在设计多跳路由算法时，为了方便，假设无线传感器网络的拓扑结构不发生变化（即不会发生节点失败、节点的移动、新节点的加入等），显然，这个假设是不符合无线传感器网络设计的实际。中国在农业现场数据采集方面的研究起步相对较晚，近几年来，随着数字农业在中国的发展，有关农业现场数据采集的传感器，无线传感器网络等技术已经得到很大的提高。1996年，郑荣良等人将数据采集系统应用到植物生理需水信息的采集上，利用把植物茎部的微收缩和土壤环境温度作为植物生理需水信息的指标。试验中实现了对植物需水信息及环境温度变化信息的检测，为精准节水灌溉的实现打下良好基础，然而其没有无线传感器网络的概念，未能实现真正意义上的需水信息实时采集。2006 年孙忠富等人将基于GPRS 和WEB的监控技术应用于农业领域，通过RS-485 总线将数字传感器与PC个人计算机连接，组成现场实时监控系统，通过GPRS 无线模块与移动GPRS 网络连接，将现场采集数据实时发送到数据库服务器，并存储到数据库中。在应用程序服务器上安装一个信息发布软件，可以查询数据库服务器上的数据。2008 年刘卉，汪懋华等人基于Zigbee 无线通信协议组建Mesh 网络，所有节点数据路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过GPRS无线通信方式转发到远程数据中心。其所建立的农田土壤温湿度监测系统为精细农业时空差异性与决策灌溉研究提供了有效工具。北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络的一个测量控制区，采用不同的传感器节点构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、氧浓度等，来获得农作物生长的最佳条件，为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、执行机构标准化、数字化、网络化，从而达到增加作物产量、提高经济效益的目的。西北农林科技大学的教授认为，无线传感器网络的诸多优势，特别适用于以下方面的生产和科学研究，例如，大棚种植室内及土壤的温度、湿度、光照监测、珍贵经济作物生长规律分析与测量、葡萄优质育种和生产等，可为许多杨凌示范区内农村发展与农民增收项目带来高科技的辅助手段。此外，该项技术还为贵重药材生长条件检测与模拟、果园、高经济价值作物的生长条件分析与人工干预、林业防火防盗等提供有力手段。例如，陕西秦巴山区的许多珍贵药材的生长规律，可以通过该项技术得到精确测量，通过无线信道、卫星或互联网传输到控制中心，从而可以精确掌握这类药材的生长周期、水分、湿度、光照、雨水等资料。根据分析结果，农业人员就可以在人造环境下进行逼真地模拟，有望提高产量、改善稀有药材紧缺的现状。虽然国内已经对农业生产环境的数据采集开展了很多研究工作，然而就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：（1）网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些建筑物、山体、陡坡或其他电子信号干扰而受到影响，安全有效的进行通信是个有待研究的问