農業物聯網數據交互方法的研究與應用

夏毅軍 田彬 羅學恩

摘要 研究了一種農業物聯網數據交互方法，設計物聯網基于TCP/IP的數據交互流程和數據動態中轉表觸發存儲機制，完成數據的接收、轉發和存儲。同時，分析了農業領域知識，將物聯網采集控制數據與農業領域知識結合起來，建立農情數據字典，使農業生產者易于理解和使用農業信息數據。

關鍵詞 農業物聯網；數據交互；農情監測；遠程采集控制

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）28-0199-04

Abstract A kind of data interaction method for agricultural Internet of Things was studied.The data interaction flow and triggering and storage mechanism of data dynamic transit table for Internet of Things based on TCP/IP were designed to accomplish the datas receiving， retransmission and storage.Meantime， the knowledge of agricultural field was analyzed， and the acquisition and control data of Internet of Things were combined with knowledge in agricultural field.The agricultural condition data dictionary was constructed， which made agricultural producer understand and use agricultural information data easily.

Key words Agricultural Internet of Things；Data interaction；Monitoring of agricultural condition；Remote acquisition and control

農情監測是指對農業生產布局、農業環境狀況和災害等過程的監控，進而有效掌握農業生產狀況[1]，指導農業生產管理活動。隨著農業物聯網技術的快速發展，農情監測信息的獲取方式從傳統的人工獲取逐漸過渡到應用物聯網技術自動遠程獲取。農業物聯網體系架構由3個部分組成：感知農情數據的感知層、傳輸數據的網絡層和數據分析處理的應用層。現有的農業物聯網技術重點在網絡層和應用層解決數據交互的問題，常用的方法是通過使用網關節點向感知傳感器設備等發送命令[2]，傳感器節點接收到命令后，向網關節點反饋感知的數據，網關節點將節點的數據上傳到應用層供用戶使用和決策[3]，但現有的方法無法有效解決維持型物聯網數據量大、碰撞多和實時性差等問題[4-5]。如何保證數據可靠穩定的交互，進而使農業物聯網用戶準確有效地控制作物生產是目前亟需解決的問題之一。面對海量的農情數據，筆者設計了一種農業物聯網數據交互方法，設計數據接收存儲轉發流程和動態觸發存儲機制，完成數據的實時更新存儲，同時分析了農業領域知識，建立農情數據字典，使農業生產者易于分析和使用農業物聯網數據，進而實現遠程管理人員有效全局管理配置作物資源。

1 農業物聯網數據交互模塊總體結構

農情物聯網數據交互模塊總體結構如圖1所示。農情監測首先要分析農業領域知識，使用物聯網傳感器采集作物生長環境等農情信息。設計農業物聯網數據交互模塊，拋棄現有農業物聯網方法中使用GPS模塊、以太網或者WIFI形式的匯聚節點進行網關節點與傳感器數據交互的方式[6]，通過TCP/IP協議（即傳輸控制/網際協議）建立終端與服務器之間點對點的連接，將感知層采集的數據通過TCP/IP協議存儲在下位機服務器端單一結構的實時更新數據表中。當服務器端中間表發生更新時，設計數據接收存儲模塊，觸發器實時調用存儲過程，將此時更新的數據存儲到服務器端的實時表及歷史記錄表中。同時，分析農業領域知識，建立農情數據字典，將農情信息與存儲的實時歷史數據結合起來，完成農情數據的解析、處理及展示，用戶通過Web端瀏覽器數據平臺可及時便捷地查看當前農情狀況。

2 農業物聯網數據交互關鍵模塊

2.1 服務器端數據接收存儲流程

服務器端數據接收存儲模塊是傳感器數據接收存儲的關鍵部分，多線程程序在感知到傳感器采集的實時數據后立刻將數據更新到中轉數據表中，中轉數據表接收更新操作指令后立即觸發存儲過程，存儲過程根據數據字典進行數據解析，將數據實時更新到實時表和歷史數據表中。服務器端數據接收存儲流程如圖2所示。整個過程的每個階段都包含日志的記錄，對該過程的每個環節進行監測及問題及時上傳處理。

2.2 數據動態中轉表 使用觸發器技術[7]，完成農情數據轉發與存儲。當采集數據的數據表發生更新時，使用觸發器調用相應的存儲過程，將當前更新的數據存儲到對應的實時數據表和插入到歷史數據表中，進而完成實時數據更新及歷史數據存儲等功能。分析傳感器采集數據的特點，數據采集以同一地址為單位，同一時間內完成該地址下所有數據的更新存儲操作。設計傳感器采集數據存儲到單一結構數據表，可以更加高效快捷地更新數據。數據中間表如表1所示，每行存儲一個地址的所有數據，當某行數據發生更新時，調用觸發器，將該行的數據實時存儲或更新到數據庫中。

2.3 數據字典

農情監測數據字典是在分析作物的種植狀況、品種結構、管理狀況和作物長勢狀況及病蟲害狀況的基礎上，提取農情監測數據參數，實現分析與預估作物生長及災情損失、預測作物未來產量的目的。分析農情監測的主要要素包括：①作物長勢狀況，如土壤溫濕度、空氣溫濕度、降雨量、風向等作物生長環境狀況；②物聯網設備的狀態監測和控制，如外遮陽設備的展開、閉合及停止等設備狀態。分析農情監測的主要要素，建立農情數據字典

（圖3）。農情數據字典分為農情采集數據字典和農情控制數據字典2個部分。農情采集數據字典存儲用于記錄作物長勢信息的主要采集參數及參數的警戒值等基本信息。農情控制數據字典存儲控制設備的開關及對應命令的信息，使用該字典可以通過命令查找到對應開關或者根據設備開關查找到可以執行的命令。

2.4 數據解析

數據解析流程如圖4所示。當傳感器等物聯網設備上傳農情數據時，設計中轉數據表存儲實時農情數據。同時，設計中轉表實時更新觸發器，當表存在更新時，調用該觸發器進行數據庫存儲等操作，存儲過程根據已經建立的數據字典，解析上傳的農情數據，完成數據的接收存儲等工作。

2.5 數據觸發存儲

觸發器[8]是通過事件觸發的方式進行邏輯處理及數據庫操作的部件，它是一種與表事件相關聯的特殊的存儲過程。設置UPDATE觸發器，當服務器端數據庫中的某個表或字段存在更新或插入操作時， 自動觸發相應的數據解析模塊，將實時插入或更新的數據接收、解析和存儲到服務器端的數據庫表中。根據傳感器等物聯網節點的不同，設置觸發器觸發條件的邏輯表達式，將物聯網節點的數據采集映射到表字段更新的行為方式中，當邏輯表達式為TRUE時，代表對應物聯網節點設備進行采集或控制操作，實時反映物聯網采集或控制狀況。

數據存儲過程模塊是對物聯網數據或命令的解析和響應，當觸發器邏輯表達式成立，開始觸發事件，將數據的值作為參數傳遞到數據存儲過程模塊中，此時存儲過程開始運行，根據農情數據字典，自動索引到農情采集或控制設備的設備名稱、區域及數據的參數名稱，存儲過程根據農情數據字典解析的結果將中轉表更新的數據存儲到相應農情感知模塊中，完成數據解析和存儲的整個過程。存儲過程本身是已經編譯好的數據庫操作語言。使用存儲過程，建立數據插入更新存儲過程，以滿足大量實時數據快速存儲到服務器的需求。建立實時數據查詢、歷史數據查詢存儲過程，通過傳遞時間、地址等參數，快速完成數據庫海量數據的分析、處理及存儲，提高了數據存儲的速度和安全性，提高遠程數據存儲的穩定性。

3 數據交互模塊實現

3.1 數據采集控制命令下發

數據采集控制順序如圖5所示。命令分發分為采集命令和控制命令2個部分。當物聯網傳感器采集到農情數據后，實時通過中間件模塊自動觸發存儲到采集數據中轉表中，中轉表根據農情數據字典自動解析當前更新數據的參數名稱及農情區域，并將其存儲到對應應用系統的實時和歷史數據庫中。當用戶對采集的農情信息進行查詢時，采集數據類從已經存儲好的農情數據實時表或者歷史表中查詢出當前實時或歷史數據，完成采集數據、農情數據的查詢及更新操作。

當用戶對物聯網控制柜等進行控制時，首先下發對應開關的控制命令0/1或0/1/2（控制字典對應開關的控制量），命令直接下發到控制中轉表控制字段中，中間件以輪訓的方式對控制表進行掃描，發現命令更新立即接收。中間件接收到用戶下發的命令，首先進行命令接收確認返回確認命令9，以便通知用戶設備是否可控及設備是否處于正常工作狀態。中間件接收并確認命令后，通過TCP/IP協議完成對對應設備開關的控制操作，并返回控制結果0/1或0/1/2（正常狀態）或者9（非正常狀態）到中轉表返回字段中，中轉表命令更新時，自動觸發控制結果返回操作，根據控制數據字典表進行0/1或0/1/2命令解析，查看設備是否正常執行，并將結果返回到用戶操作界面上。

3.2 數據采集控制操作流程

采集控制操作流程如圖6所示。該系統分為客戶端、服務器端和采集控制中間模塊3個部分，其中客戶端是用戶進行采集數據預覽和控制的主要用戶界面。服務器端進行業務邏輯的處理，采集控制中間模塊負責與硬件數據的接收轉發存儲。當傳感器采集到農情數據時，自動上傳到服務器端，服務器端接收到數據后根據數據字典進行解析，進而完成數據的接收存儲過程。用戶進行農情設備控制時，首先將控制命令發送到控制中轉模塊中，模塊接收到命令返回接收確認命令。農情設備執行接收過程中，服務器端以輪訓的方式在一定時間內掃描采集控制中間模塊，當返回控制結果時解析返回到頁面，否則超時返回控制失敗。

4 案例應用

筆者以南京市東三鄉農產品專業合作聯社的農業物聯網系統提供的數據為支撐，通過傳感器連接數據交互模塊將數據更新到單一數據表中，每次更新都會觸發相應的更新觸發器事件，將數據實時更新到實時數據庫表中，并存儲到歷史數據庫表中。同時，開發農業領域知識與物聯網數據相結合的農情監測Web應用模塊，實現以農業數據為基礎，以農業知識為指導的農情監測分析。物聯網系統實現界面如圖7所示。目前，平臺遠程存儲及更新數據達10萬多條，性能快速穩定，同時平臺存儲專家知識上千條，涉及常見品種的作物管理栽培知識。平臺設計以智慧農業[9]的理念、精準農業的手段建設農業示范區，充分應用現代信息技術成果，集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術等及專家智慧，實現農業可視化遠程診斷、遠程控制、災害預警等智能管理，引領現代農業高新技術的快速發展與應用。

5 結語

（1）設計農業物聯網數據交互模塊，通過采用基于TCP/IP協議的點對點交互方法，設計數據交互流程，完成農情數據實時接收和存儲工作，保證數據傳輸存儲的可靠性和實時性，解決了客戶端應用平臺接收獲取農情信息不準確、不及時等問題，進而使農業生產者準確有效地通過信息控制作物生產。

（2）分析提取作物生長的農業領域知識，建立農情數據字典，將物聯網采集數據與農情數據結合起來，設計并開發易于農業生產者理解的Web遠程農情監測模塊，系統采用B/S架構，易于訪問，從而解決了農業物聯網數據不易理解和使用的問題。

（3）通過使用該農情監測系統，農業生產者可以快捷地查看當前作物的農情狀況，幫助農業生產者采取合理的農業生產管理措施。

參考文獻

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