基于物聯網技術的設施農業服務平臺設計

安徽省宿州市氣象局 盧 俞 王 穎

安徽省宿州市埇橋區是全國重要“國家綠色農業示范區”，目前建立無公害蔬菜標準化生產基地30萬畝，在西二鋪鄉溝西村一個地方擁有無公害蔬菜大棚3000多畝[1]。

物聯網技術[2]也稱為傳感網技術，它綜合了傳感器技術、現代網絡及無線通信技術等，將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，以實現科學管理。蔬菜大棚種植，作為設施農業的重要組成，物聯網技術在現代設施農業建設中有著廣泛的應用[3]。

作為埇橋區設施大棚種植的典型，溝西村的種植管理方法是粗放型的，大棚內環境因子通過直接人工讀取的辦法獲得，各環境因子數據缺少或者積累不夠，難以形成有效的科學種植和管理。現代通信與信息技術，特別是數據無線傳輸技術的發展，為解決目前的現狀，提供現實可能性。

1.設施農業信息服務設計思路

利用物聯網技術，對蔬菜大棚實施科學種植和管理，一種實踐方法是在大棚內建立設施農業小氣候自動儀，實時獲取棚內的溫度、濕度、輻射等作物生長的環境因子，通過GPRS通信無線傳輸到中心機房相關數據服務器上；依據數據服務器建立網站實現對實時資料管理與監控，并對數據進行科學處理分析，歸納一種較適宜的管理指導建議，通過手機短信發送給種植管理者；同時，在大棚外設置LED電子屏，將溫度、濕度、太陽輻射等數據實時直觀顯現，為菜農從事農業生產提供參考。

以西二鋪鄉溝西村為例，蔬菜大棚采用水泥構架，相間大約10米，沿路或呈直線排列。根據無線電管理法規，允許無線發射的通信距離為20米左右[4]。我們設計以5個大棚為一組，以中間大棚的小氣候自動儀為中心節點，無線接收其它4個分節點的數據，將數據匯聚一組進行傳輸，其電路框圖如圖1。

2.服務平臺遠端的設計實現

遠端電路設計主要完成溫度、濕度、太陽輻射等環境因子的數據采集，數據的發射與接收，移動GPRS通信的傳輸。供電系統由一塊12V/7AH充電電池、一塊10W太陽能電池板及太陽能充電控制器和一塊10W的蓄電池組成。

2.1 數據傳感器

數據傳感器采用集成化的設備。小氣候自動儀由AV-10TH型空氣溫濕度傳感器、AV-20P型太陽總輻射傳感器，AV-410BP型氣壓傳感器，AV-10T型暴曬溫度傳感器各一套組成，參數如表1所示。

2.2 數據處理（單片機）模塊

數據處理模塊主要完成傳感器采集數據的接收、轉換和傳輸功能。以溫度數據處理為例，由ADC0809模數轉換器[5]和MCS-51單片機系列芯片[6]組成。

分節點電路由ADC0809和MCS-51系列8051單片機構成。ADC0809是TI公司生產的8位逐次逼近式模數轉換器，是一種單片CMOS器件，可直接分時進行A/D轉換。在MCS-51單片機系列芯片中，8051是片內有ROM/EPROM的單片機，用這種芯片構成的系統簡單、可靠。

中心節點電路采用主從雙CPU結構，選用MCS-51單片機系列芯片中的AT89S52(分別用主CPU和從CPU表示)。主CPU主要用來完成與GPRS通信模塊和LED電子屏的數據的通訊功能；從CPU主要用來對溫度傳感器的數據進行轉換和接收其它分節點傳輸的數據，并與主CPU進行數據傳遞。

2.3 發射電路和接收電路

發射電路和接收電路功能實現主要是通過TX5000和RX5000芯片[7]完成。TX5000發射器和RX5000接收器芯片的工作頻率均為433.92MHz，工作電壓為2.2～3.7V，工作溫度范圍為-50～+100℃，數據傳輸率高達115.2kbp。

數據傳輸的通信協議如圖2，數據列由字符數字組成，與LED電子屏內容一致，分四行顯示，DATA為接收信息標題，①②③④為指定的行控制碼，“*”號為接收到的信息數值；第一行顯示小氣候自動儀位置，其它三行顯示該自動儀大棚的環境因子數值，五個大棚的數據輪流顯示。

接收程序：程序流程如圖3（左）。以啟動開始的主程序，在寄存器、定時器初始化后，進入接收循環。主程序的接收處理過程：如果檢測到字符“DATA”，就禁止中斷，停止接收處理中的發射；在接收期間，檢測到“A、B、C、D、E”等字符，如果與預先約定的不符合，接收處理就此點中止。

表1 數據傳感器采用集成化的設備

圖1 分節點和中心節點電路框圖

圖2 數據傳輸的通信協議

圖3 接收（左）和發射（右）電路的實現流程框圖

發射程序：程序流程如圖3（右）。利用定時器的中斷，每隔30s發射一次數據。期間，每一組數據連接發射10次；發射時，接收電路置OFF。此后，RAM內存數據以數據串的形式發射，發射結束后，RAM內的數據清空，以指定字符（這里為X）替代，如果在接收時，數據串中包含有X，則判斷為無效數據，最后接收電路置ON。

2.4 LED顯示模塊

LED顯示模塊完成蔬菜大棚內各環境因子數值的實時直觀顯示，主要由LED顯示屏和顯示控制卡組成。

LED電子屏選取UCDOS中文宋體字庫，顯示點陣中的漢字(溫度、濕度、輻射等字符)單元為16×16點，字母與數字采用16×8點(兩個字母、符號或數字視為一個漢字)為一單元。電子屏字陣數據條屏為64×128點，單色、宋體字、文字大小為16×16點，需要32塊16×16的顯示單元，按4×8塊方式拼接組成；顯示控制卡的主要功能是顯示中心節點的數據，并負責單元顯示的同步。

本模塊采用北京雨根科技有限責任公司的通信模塊，設置好參數即可運行，通信終端(DTU)有4個狀態指示燈[8]：

DATA指示燈：DTU串口向外發送數據時，此燈有規律閃爍

WAN指示燈：燈亮表示GPRS/CDMA網絡連接成功

POWER指示燈：電源正常時，燈亮

圖4 服務器端定時下載界面

圖5 服務器端實時數據顯示頁面

SIGANL指示燈：供電正常燈亮，當GPRS/CDMA網絡正常，SIM/UIM卡正確插入時，此燈有規律閃爍。

3.服務器端的設計實現

服務器端的主要功能是接收由中國移動GPRS網絡傳輸的數據包，經過處理、寫入Microsoft SQL 2000數據庫進行存儲和管理。

圖4為服務器端定時下載界面，接收數據的組網方式采用固定IP通信模式，各組中心節點直接與服務器建立鏈接，數據以TEXT文件形式定時下載，其實現界面如圖5。

Web網絡服務器運行模式為Windows Server 2003+IIS6.0，開發語言為JS和ASP網頁腳本語言，采用B/S(Browser/Server)的Web網頁數據發布模式，將已下載的TEXT文件形式的數據分解處理，寫入SQL2000數據庫中。

通過對SQL數據庫的各蔬菜大棚不同作物的溫度、濕度、輻射等環境因子數值進行處理，做出趨勢分析，根據種植作物的需求提供各種短信預警信息。比如當溫濕度超過設定值的時候，自動發送給設定的用戶群。短信群發采用移動商務中心短信平臺(簡稱：WINIC)，其發送信息的ASP源碼[9]為：

4.結束語

通過本設施農業服務平臺，加強了對蔬菜大棚的精細化種植與管理；各節點間數據的無線傳輸自制電路的實現，降低了種植管理的成本，也避免因為有線線路鋪設對菜農造成種植方面的影響。

目前，利用物聯網技術理念，通過GPRS實現傳輸功能的設施農業服務平臺還處于剛剛起步的階段。通過原始數據不斷積累存儲，進行數據的統計和預測，或者將現有數據和歷史數據進行對比，以便制作形成對廣大菜農有益的管理建議，這是建立平臺的基本出發點；同時這個平臺極大地促進現代設施農業科學化管理的進程，在現實農業生產實踐中，有著重大的指導意義。

[1]安徽先鋒網.溝西村先鋒在線信息點、氣象與農網信息點[OL].http://oa.ahxf.gov.cn/village/?WebName=lyqxepg.

[2]工業和信息化部.物聯網“十二五”發展規劃.中華人民共和國工業和信息化部,2011-11-28.

[3]齊莉.蔬菜大棚智能溫度控制系統應用研究[J].安徽農業科學,2011(30).

[4]農村實用電子制作薈萃[N].2010年電子報合訂本(下冊),2010,820-822.

[5]陳曉風.ADC0809模數轉換器的使用詳解與程序[J].福建師范大學學報(自然科學版),2001(04).

[6]鮑宏亞,李月華.MCS-51系列單片機應用系統設計及實用技術[M].中國宇航出版社,第1版(2005-9-1).

[7]霍迎輝,張學習.基于RX5000/TX5000的無線收發電路[J].國外電子元器件,2004(02).

[8]GPRS無線傳輸模塊使用說明.北京雨根科技有限責任公司.

[9]汪曉平,吳勇強,張宏林等.ASP網絡開發技術[M].人民郵電出版社.