趙建強(qiáng)

摘 要：為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究，基于物聯(lián)網(wǎng)透徹感知、可靠傳輸和智能處理作用的特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)組成。詳細(xì)描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件功能、服務(wù)器通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理流程和Web智能監(jiān)控系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)園區(qū)的部署運(yùn)行表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，易于使用，擴(kuò)展維護(hù)方便，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感器;GPRS;Web

中圖分類號(hào)：TP18 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了新的發(fā)展模式和支撐技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知，可靠傳送和智能處理三大特征。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可利用其“感知，傳輸和控制”為農(nóng)業(yè)提供智能信息技術(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐和推動(dòng)下，出現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過(guò)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)（GIS）、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（ES）、遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，精確調(diào)整土壤的施肥、濕度、用藥等，最大限度的降低農(nóng)業(yè)資源消耗，提高產(chǎn)量，降低環(huán)境污染，節(jié)約成本，達(dá)到環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)大棚是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的核心要素，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)和智能，必須解決大棚中環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制的問(wèn)題，傳統(tǒng)依靠人力監(jiān)測(cè)和控制的方法存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力，低效以及人對(duì)環(huán)境影響等問(wèn)題。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)，并通過(guò)在大棚內(nèi)部署各類無(wú)線傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，再上報(bào)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理端，使管理者可以利用手機(jī)或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀態(tài)信息，并且可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開(kāi)啟或關(guān)閉指定的調(diào)節(jié)設(shè)備（如遮陽(yáng)簾、澆灌系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、加熱器等），調(diào)節(jié)大棚中農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化管理。

1 ?信息感知系統(tǒng)的功能架構(gòu)

農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)總體分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1所示為農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)的架構(gòu)圖。圖中最底層是最末端，也是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸層采用CDMA/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最上層的管理控制基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。末端的傳感器節(jié)點(diǎn)基于ZigBee無(wú)線通信協(xié)議組網(wǎng)。ZigBee是一種短距離無(wú)線通信協(xié)議，具有功耗低，自組織網(wǎng)，部署靈活和低成本的特點(diǎn)，非常適用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的采集。數(shù)據(jù)傳輸層由各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）和CDMA/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息的收集、存儲(chǔ)和傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)上層指令的收發(fā)，遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等功能。最上層的管理控制端構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web管理控制應(yīng)用服務(wù)和各個(gè)客戶端組成，服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收來(lái)自各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息，完成數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)。Web管理控制應(yīng)用服務(wù)實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析、匯總、查詢、統(tǒng)計(jì)和圖表展示以及遠(yuǎn)程指令的下達(dá)。這樣，授權(quán)用戶無(wú)論在何時(shí)何地，只要登錄系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)查看各大棚的情況，并可以通過(guò)Web的方式控制大棚中的滴灌、卷簾門、溫度、遮陽(yáng)簾等設(shè)備，實(shí)時(shí)調(diào)整大棚中作物的生長(zhǎng)環(huán)境。

圖1 ?農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)架構(gòu)

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?終端數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

終端數(shù)據(jù)采集就是利用部署在農(nóng)業(yè)大棚中的各類傳感器，周期性地采集土壤的溫濕度、大氣溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)議或串行接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）對(duì)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)GPRS/CDMA等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

土壤溫濕度感知通過(guò)土壤溫濕度傳感器完成。本系統(tǒng)選用YSHT5-5型土壤溫濕度傳感器，濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，精度為±1.8%RH，溫度測(cè)量范圍為-40～+123.8 ℃，精度為±0.3 ℃，功耗為80 μW。該傳感器適用于多種類型的栽培基質(zhì)。空氣溫濕度傳感器選用簡(jiǎn)單耐用的HMP60溫濕度傳感器，溫度精度±0.6 ℃，濕度精度±3%RH，工作環(huán)境溫度為-40～60 ℃。二氧化碳濃度傳感器選擇BMG-CO2-NDIR防護(hù)型二氧化碳傳感器，檢測(cè)分辨率為±10 ppm，測(cè)量精度為±5%，工作環(huán)境溫度為0～50 ℃，工作環(huán)境濕度為0～100%RH，工作電壓為24 VDC，該傳感器具有較高的靈敏度，受溫度變化的影響較小。

2.2 ?服務(wù)器通信協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器（上位機(jī)）主要完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和處理的功能。使用C# Winsock完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的解析、處理、存儲(chǔ)和分析。利用C#開(kāi)發(fā)Win Service異步數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程程序，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2008。服務(wù)進(jìn)程安裝在服務(wù)器上并設(shè)置為開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，服務(wù)進(jìn)程持續(xù)監(jiān)聽(tīng)特定端口。數(shù)據(jù)通信協(xié)議如圖2和表1所示。

數(shù)據(jù)處理流程是服務(wù)器持續(xù)監(jiān)聽(tīng)設(shè)定的通信端口。如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)上報(bào)，則接收并解析上報(bào)數(shù)據(jù)，如果上報(bào)數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤則丟棄，否則解析數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類別存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。服務(wù)進(jìn)程同時(shí)會(huì)周期性的從命令數(shù)據(jù)表中查詢下達(dá)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的命令，如果查詢到有新的命令，則按照通信協(xié)議，構(gòu)造下發(fā)命令的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并等待命令執(zhí)行的返回結(jié)果。

圖2 ?數(shù)據(jù)包組成圖

（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)示例CN=1210;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110346;01-Rtd=20.910;02-Rtd=46.907;03-Rtd=536.000;04-Rtd=931.000&&

（2）感知節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)示例CN=1212;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110138;State=3.734&&

（3）大棚控制命令示例QN=20080114093600000;CN=3096;MN=20050708S00001;SN=00002;CP=&&IO0=1;IO1=0&&

表1 ?數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)

名稱 類型 長(zhǎng)度 描述

請(qǐng)求編號(hào)QN 字符 20 精確到毫秒的時(shí)間戳：QN=YYYYMMDDHHMMSSZZZ，用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)命令請(qǐng)求，用于請(qǐng)求命令或通知命令

命令編號(hào)CN 字符 4 命令編號(hào)見(jiàn)6.5中命令列表

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

唯一標(biāo)識(shí)MN 字符 14 網(wǎng)關(guān)把該編號(hào)固化到非易失存儲(chǔ)器中，用作網(wǎng)關(guān)自身的身份識(shí)別。編碼規(guī)則：前7位是設(shè)備制造商組織機(jī)構(gòu)代碼的后7位，后7位是設(shè)備制造商自行確定的此類設(shè)備的唯一編碼

感知節(jié)點(diǎn)

唯一標(biāo)識(shí)SN 字符 5 感知節(jié)點(diǎn)把該編號(hào)固化到非易失存儲(chǔ)器中，用作感知節(jié)點(diǎn)自身的身份識(shí)別。編碼規(guī)則：暫無(wú)。

總包號(hào)PNUM 字符 4 PNUM指示本次通訊總共包含的包數(shù)

包號(hào)PNO 字符 4 PNO指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的包號(hào)

數(shù)據(jù)CP 字符 0≤n≤960 CP=&&數(shù)據(jù)區(qū)&&

2.3 ?Web監(jiān)測(cè)和控制端設(shè)計(jì)

Web信息監(jiān)測(cè)和控制模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以形象、直觀的圖表方式展示給管理者，并提供對(duì)大棚設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。該模塊采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)， 基于Asp.net開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶授權(quán)管理、系統(tǒng)信息配置、大棚設(shè)備控制、傳感器數(shù)據(jù)匯總查詢、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示等功能。圖3所示為Web展示的控制端系統(tǒng)界面。

圖3 ?Web展示控制端系統(tǒng)界面

管理人員經(jīng)授權(quán)登錄此系統(tǒng)后，可以查看各個(gè)大棚的實(shí)時(shí)和歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，比如大棚實(shí)時(shí)的土壤溫濕度、土壤溫濕度的歷史匯總數(shù)據(jù)等。還可以根據(jù)當(dāng)前大棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)際情況，向大棚風(fēng)扇、滴灌、補(bǔ)光、加溫和卷簾等設(shè)備發(fā)送控制指令，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度、光照、通風(fēng)等，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

大棚的管理控制命令主要包括風(fēng)機(jī)控制、遮陽(yáng)簾控制、室內(nèi)溫濕度控制、灌溉控制四個(gè)方面。風(fēng)機(jī)控制的主要作用是調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度和二氧化碳濃度。當(dāng)大棚內(nèi)濕度過(guò)高時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大棚空氣快速流動(dòng)，從而降低濕氣。在大棚溫度、二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，通過(guò)通風(fēng)也能降低溫度和二氧化碳濃度。遮陽(yáng)簾的主要作用是控制大棚內(nèi)空氣溫度和光照強(qiáng)度。在大棚內(nèi)溫度過(guò)高、光照強(qiáng)度太高時(shí)放下遮陽(yáng)簾，在夜間通過(guò)拉上遮陽(yáng)簾可以保持大棚內(nèi)溫度。室內(nèi)燈光控制可在光照強(qiáng)度不高的陰天或者夜間通過(guò)開(kāi)啟補(bǔ)光燈來(lái)增加大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，促進(jìn)作物的光合作用、降低二氧化碳濃度等。室內(nèi)溫濕度控制，包括加溫和降溫操作。降溫一般采用遮光、濕簾、通風(fēng)等操作解決。加溫的方式采用熱水加溫和熱氣加溫，利用管道在大棚內(nèi)循環(huán)散發(fā)熱量等。增加濕度則可以通過(guò)噴霧或地面灑水等進(jìn)行，降濕主要采用通風(fēng)、使用干燥劑等方式。灌溉控制，灌溉控制的主要作用是在監(jiān)測(cè)到土壤濕度不夠時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟灌溉設(shè)備對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文提出的這種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)，可對(duì)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和控制，避免了人工實(shí)地檢測(cè)耗時(shí)耗力，獲取數(shù)據(jù)有限，并容易出錯(cuò)等問(wèn)題。管理人員可以隨時(shí)隨地通過(guò)Web端實(shí)時(shí)查看大棚環(huán)境情況并能根據(jù)當(dāng)前大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制大棚作業(yè)設(shè)備，調(diào)節(jié)大棚中的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功后部署到農(nóng)業(yè)園區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，易于擴(kuò)展，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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