Advances in Engineering Research, volume 150

4th International Conference on Machinery, Materials and Computer (MACMC 2017)

Intelligent Farmland Management System with Low-power Consumption Based on the Internet of Things

Zhigang Wang¹

1 Huanghe Science amp; Technology College, Zhengzhou, Henan province, China

Keywords: Internet of things, Intelligent agriculture, Low-power consumption, Information acquisition .

Abstract. The global demand for green technology and energy efficiency is driving the development of a new intelligent agriculture with low-power consumption based on the Internet of things. This kind of Internet is constantly being used in intelligent agriculture. The new wireless network can work for a longer time with battery. In the life cycle of the application, it requires little or no maintenance. Therefore, reducing node power consumption becomes the difficulty and key point of the Internet of things. Because this system is a scientific research, which needs constant practice. We need to do experiments seriously and solve the problems timely. In this way, we can make an economical and practical intelligent agricultural monitoring system with low-power consumption based on the Internet of things to serve the agricultural industry.

Introduction

The global demand for green technology and energy efficiency is driving the development of a new intelligent agriculture with low-power consumption based on the Internet of things. This kind of Internet is constantly being used in intelligent agriculture. The new wireless network can work for a longer time with battery. In the life cycle of the application, it requires little or no maintenance. Therefore, reducing node power consumption becomes the difficulty and key point of the Internet of things. Low- power consumption is mainly composed of wireless network, low-power node query system and low-power node processor. The low-power consumption of nodes is divided into hardware low-power consumption and software low-power consumption. There are four major wireless communication modes: send mode, receive mode, idle mode and sleep mode. The power consumption mainly focus on the first three. The start-up power consumption is also very high.

In recent years, with the rapid development of computer technology and wireless sensor technology, the intelligent agriculture based on the Internet of things has attracted more and more attention from experts and scholars. The Internet of things has been rapidly promoted and applied in the intelligent agriculture, especially for the greenhouse. Environmental factors in the greenhouse such as temperature, humidity, illumination, CO₂ concentration have great influence on crop production. Traditional way of manual control is hard to meet the requirements of scientific and rational planting. At present, the system of automatic monitoring of the above environmental factors is not widely available in China. Whats more, because of the expensive price, it is not suitable to import the control system of large multi-span greenhouse with multifunction from foreign countries. Here are some advantages of the system mentioned in this paper comparing with the intelligent agricultural monitoring systems at home and abroad.

The application of low-power consumption technology. According to the working state of the node, there are three states: 'Operation', 'Dormancy' and 'Deep dormancy'. The 'Operation' mode starts when it is collecting information, and the other time is in the modes of 'Dormancy' and 'Deep dormancy', which effectively reduces the power consumption of the node.

The efficient application of wireless self-organizing mesh network on the intelligent agriculture. The networking of wireless self-organizing mesh network and node control technology are applied to the node communication of the Internet of things, which effectively improved the node safety. Since nodes are net transmission, each node can be transmitted as a relay. While there may be individual node damaged, other nodes can communicate by passing the damaged node.

Copyright copy; 2018, the Authors. Published by Atlantis Press.

This is an open access article under the CC BY-NC license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/).

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The application of Internet of things technology on intelligent agriculture can achieve both the refined management and control of agricultural science and the further improvement of labor efficiency.

Because this system is a scientific research, which needs constant practice. We need to do experiments seriously and solve the problems timely. In this way, we can make an economical and practical intelligent agricultural monitoring system with low-power consumption based on the Internet of things to serve the agricultural industry.

Through the scientific research, a kind of information acquisition system which takes intelligent agriculture monitoring as the core and is easy to operate will be developed to save the monitoring costs for agricultural production. Thus the cost of agricultural products will be reduced.

The Internet of things of intelligent agriculture and the node acquisition system with low-power consumption are mainly connected by the temperature sensor, the soil sensor, the humidity sensor and the temperature controller, the humidity controller, air tester, and the automatic sprinkler irrigation system. Through WIFI device server, the data such as temperature, humidity, soil aridity can be delivered to the remote intelligent system in real time. Then the data will be sent through mobile phones or handheld terminals to agricultural workers and experts, which will provide data basis to their remote guidance and scheme decision. Then the guidance will b

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基于物联网的低功耗智能农田管理系统

王志刚

中国河南省郑州黄河科学与技术大学

关键词：物联网，智能化农业，低功耗，信息采集。

摘要：对绿色技术和能源效率的全球化需求正在驱动一个基于物联网的低功耗智能农业的发展。这种互联网不断应用于智能农业中。新的无线网络可以使用电池来工作更长的时间。所以在应用程序的生命周期中，它几乎不需要维护。因此，降低节点功耗成为物联网的难点和关键。因为这个系统是科学研究，需要不断的实践。我们需要认真做实验，及时解决问题。这样，就可以基于物联网，构建经济实用、低功耗的智能化农业监控系统，为农业产业服务。

介绍

对绿色技术和能源效率的全球化需求正在驱动一个基于物联网的低功耗智能农业的发展。这种互联网不断应用于智能农业中。新的无线网络可以使用电池来工作更长的时间。所以在应用程序的生命周期中，它几乎不需要维护。因此，降低节点功耗成为物联网的难点和关键。低功耗主要由无线网络、低功耗节点查询系统和低功耗节点处理器组成。节点的低功耗分为硬件低功耗和软件低功耗。无线通信模式主要有四种：发送模式、接收模式、空闲模式和休眠模式。电力消耗主要集中在前三个方面。启动功耗也很高。

近年来，随着计算机技术和无线传感器技术的飞速发展，基于物联网的智能农业越来越受到专家学者的关注。物联网技术在智能农业，特别是温室农业中得到了迅速的推广和应用。温室内温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子对作物生产影响很大。传统的人工控制方式难以满足科学合理种植的要求。目前，我国尚未广泛应用上述环境因子自动监测系统。此外，由于价格昂贵，不适合从国外引进多功能大跨度温室控制系统。通过与国内外智能农业监控系统的比较，说明了本系统的一些优点。

低功耗技术的应用。根据节点的工作状态，有三种状态：“操作”、“休眠”和“深度休眠”。“操作”模式是在收集信息的时候开始的，其他时间处于“休眠”和“深度休眠”模式，这有效地降低了节点的功耗。

无线自组织网状网络在智能农业中的高效应用。根据无线自组织网格网络的组网和节点控制技术应用于物联网的节点通信中，有效地提高了节点的安全性。由于节点是网络传输，所以每个节点可以作为中继来传输。虽然可能存在单个节点受损，但是其他节点可以通过传递受损节点进行通信。

物联网技术在智能农业中的应用，既可以实现农业科学的精细化管理与控制，又可以进一步提高劳动效率。

因为这个系统是科学研究，需要不断的实践。我们需要认真做实验，及时解决问题。这样，就可以基于物联网，构建经济实用、低功耗的智能化农业监控系统，为农业产业服务。

通过科研，研制出一种以智能农业监测为核心、操作简便的信息采集系统，以节约农业生产的监测成本。这样农产品成本就会降低。

智能农业物联网和低功耗节点采集系统主要由温度传感器、土壤传感器、湿度传感器和温度控制器、湿度控制器、空气检测仪和自动喷灌系统连接。通过WIFI设备服务器，可以将温度、湿度、土壤干旱等数据实时传输到远程智能系统中。然后，这些数据将通过移动电话或手持终端发送给农业工人和专家，这将为他们的远程指导和方案决策提供数据基础。然后把指导送到农民那里帮助他们管理农田。

数据中心分析实时采集的温室环境参数。如温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶片湿度、露点温度等。数据中心不仅进行相应的统计报告，而且进行趋势分析，并通过直观的图形和曲线向用户显示。中心还根据农作物要求提供各种声光报警信息。例如，当温度和湿度超过设定值时，系统将自动开启或关闭温度控制器、湿度控制器或自动喷灌设备等。为远程制导和方案决策提供数据依据。然后把指导送到农民那里帮助他们管理农田。

图1.无线收发模块硬件框图

温室环境参数的采集由ARMLPC2148控制。如温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶片湿度、露点温度等。它还控制温度控制器、湿度控制器和自动喷灌系统。收集的数据通过无线模块发射，并从控制中心接收命令。

为了从单片机的角度研究这个问题，我们首先需要讨论物联网的各种功耗模式。根据加工要求，单片机的功耗模式应具有不同的预设工作模式。嵌入式单片机可以使用其外围设备之一来采集周围环境的信号。在收集一定数量的样品之前，它可能没有其他事情要做。然后，在采样每个数据之间，单片机可能处于“休眠”或处于超低功耗待机模式。一旦应用程序读取了足够的数据，单片机就可以轻松切换到“全速操作”模式。这意味着SCM被唤醒并以其最大速度运行。SCM通常接收一些类型的调用事件，以便从各种低功耗模式退出。触发事件可以由外部激励信号(例如I/O引脚电平翻转)或内部处理器活动(例如由定时器外围设备触发的中断事件)触发。SCM支持的特定功耗模式是不同的，但是通常这些模式有一些共同点。典型的功耗模式如下：

“始终运行”模式

“休眠”或“待机”模式（保持对内存的权力）

“深度休眠”模式（关闭内存的功率以最小化功耗）

在设计物联网时，尤其要注意单片机的低功耗模式。以功耗最小的设计方法为最佳。在设计时，供应链管理大部分时间都应该以“休眠”或“深度休眠”的模式运行。当处理器以全速工作时，功耗达到最大值；当处理器处于待机模式时，功耗相对较低。有两种常见的待机模式：空闲模式和关闭模式。空闲模式可以通过中断退出，中断可以由外部事件提供。关闭模式意味着处理器停止，即使有中断也不响应。因此，它只能在重置时退出模式。为了降低系统的功耗，一旦CPU处于“空闲”状态，就可以进入空闲模式，降低功耗。如果在此期间发生外部事件，则事件可以生成中断信号，允许CPU进入运行状态。对于关闭模式，CPU只能用复位信号唤醒。编译器优化是另一种降低功耗的有效方法。编译器的作用是将高级语言（如C/C ）编写的程序翻译成可在目标机上执行的程序。换句话说，编译器为高级语言程序员提供了一个抽象层，它允许程序员编写接近实际问题的高级语言代码（而不是汇编或机器语言），以方便地解决实际问题。同时，保证了程序的可读性和可维护性，提高了软件开发的效率。此外，如果需要将程序放入新的目标机器中，则只需用相应的编译器重新编译程序而不需要重写。但在某些情况下，这样做是以牺牲程序的执行性能为代价的。编译器的效率及其产生的代码效率可以与汇编程序在专家级/机器语言程序员中编写的代码进行比较。因此，通过优化编译器可以生成效率更高的代码。总之，优化编译器可以有效地降低嵌入式设备的功耗。

针对物联网监控系统，提出了一种自组织网络的网络组织方法。对于由信息采集节点、信息发送节点和信息采集中心组成的无线数据访问系统，自组织网络的步骤包括：

信息采集节点用于信息采集。上电后，利用信息采集节点采集温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶片湿度、露点温度等环境参数的捆绑表地址。当读取成功时，捆扎台的信息地址将被物理地址替换。之后，信息采集节点的网络准备就绪。

信息发送节点用于发送信息。它接收信息采集中心发出的网络信标和场强采集指令和信号；它接收网络信标指令，以确定它是否由指定的信道发送。如果是，它将记录场强并确定是否超过转发的限制值。如果场强没有超过限制值，则节点将转发网络信标指令；接收场强采集指令，判断是否合法。如果是，它将确定指令是否是中继。如果是，将转发场强采集指令。否则，节点将根据指令进行反馈。然后，信息获取中心为信息发送节点形成一个配置表，用于建立路由。

信息发送中心收到信息采集中心的配置表以及信息采集中心确认的信息采集节点的物理地址后，将反馈信息发送到信息采集中心。信息获取中心从中央控制平台下载信息获取节点的ID映射表，在确定所有的信息发送节点都在线后，指示信息获取节点建立网络。

当信息获取节点通电时，它将读取捆绑表地址。之后，它可以用物理地址替换绑定表地址。信息采集节点的网络准备就绪。然后扫描主信道组或指定的信道组。然后进入场强采集阶段。当信息采集节点在网络中时，它将扫描指定的信道组。接收到信息采集中心发送的场强采集指令后，即可判断该指令是否合法。如果是，那么它将继续判断是否是继电器。如果是，它将继续根据中继地址转发场强收集指令。如果没有，它将确定目的地地址是否是信息获取中心。如果是，根据场强采集指令，它将有一个反馈以帮助信息采集中心采集场强。

无线数据信息采集系统自组织网络的网络组织方法的特点是：当信息采集节点不连接时，首先由主信道组扫描信息采集节点。在接收到信息采集发送中心转发的网络信标后，即可确定它们是否由指定的信道发送。如果是，它将记录相应的场强并确定它是否超过转发的限制值。在判断时，信息采集节点根据自身的场强信号利用物联网协议计算时隙数和转发匝数。然后，根据计算结果，如果达到最大转发匝数（限制值），则不会转发网络信标。否则，载波侦听协议可以用于载波侦听，并且当信道空闲时将转发网络信标。如果信道忙，信标可以转发到下一圈。信息发送节点发送节点查询信息，信息接收节点接收建立主节点的信息，建立主节点的查询列表，逐个查询区域内的所有节点，建立从节点的查询列表。之后，节点之间的通信已经完成。

在信息发送节点和信息获取节点中，它被设置为内部休眠的激活方法。所有节点以休眠模式开始，主节点可以根据场强信号的强度查询区域内的所有节点，形成节点分布图。信息发送节点在发送获取信息时，从休眠状态变为活动状态，并发送节点查询信息。信息获取节点在收到信息发送节点发送的查询信息时，从休眠状态变为活动状态，进行信息的采集和发送。信息采集节点在发送信息后，将从活动状态变为休眠状态。如果信息发送节点在某一时间内没有从信息获取节点接收到信息，则信息发送节点也将改变为休眠状态，并将信息获取节点记录为“丢失”。

利用基于物联网的智能化农田管理系统，可以快速获取农田的基本信息，包括温度、湿度、灌溉、农产品发展趋势等。有利于农产品市场销售，对农民有很大帮助。通过本课题的研究与应用项目实施后，发现物联网在智能农业中有很好的应用前景。

作者简介：王志刚，黄河科学与技术大学副教授、硕士。研究方向：嵌入式技术在通信中的应用。

致谢

基金：河南省基于物联网的智能农业云应用工程研究中心。

参考文献：

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[5]沈惠菊，佐瑞。温室生态健康的基于短消息呼叫系统〔J〕.会刊中国农业工程学会，2004，20（3）：226-228。

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