基于異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息綜合管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)

王 新，張圓圓，許 苗，邢 博,2，曾 浩

?

基于異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息綜合管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)

王 新1，張圓圓1，許 苗1，邢 博1,2，曾 浩1

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

針對(duì)中國(guó)當(dāng)前農(nóng)業(yè)無線監(jiān)測(cè)中農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，監(jiān)測(cè)終端各不相同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兼容性差的問題，該文圍繞異構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)范化設(shè)計(jì)和管理，開發(fā)了面向差異化農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)終端的一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將不同監(jiān)測(cè)終端上傳的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化；基于XML（extensible markup language）和Visual Basic 6.0開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口，將不同終端數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式解析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；基于PHP、MySQL數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器及網(wǎng)站網(wǎng)頁技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)。利用開溝機(jī)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行田間試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)耕深和跟蹤機(jī)具，試驗(yàn)表明：網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口能實(shí)時(shí)接收并正確解析終端數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的曲線顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和控制終端的遠(yuǎn)程控制、軌跡繪制的功能；通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)的軌跡和平臺(tái)顯示軌跡對(duì)比，軌跡精確。該研究解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)及終端硬件差異問題，把單機(jī)測(cè)控應(yīng)用擴(kuò)展至廣域網(wǎng)，可應(yīng)用于農(nóng)機(jī)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息化共享有著重要作用。

監(jiān)測(cè)；互聯(lián)網(wǎng)；信息技術(shù)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)共享；標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理接口；通訊協(xié)議

0 引 言

近年來，受益于遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化體系框架初步成型，各涉農(nóng)職能部門在農(nóng)業(yè)信息資源的利用與整合方面開始積累一定經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)業(yè)信息服務(wù)也取得了一定成效[1-3]。-

但現(xiàn)有遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多只是有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將其在距離和空間上進(jìn)行延伸，將數(shù)據(jù)傳輸通道由電纜突破到無線網(wǎng)絡(luò)，其監(jiān)測(cè)實(shí)質(zhì)并沒有發(fā)生變化。而各高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的研究多集中于監(jiān)測(cè)技術(shù)本身的優(yōu)化、監(jiān)測(cè)終端的布局組網(wǎng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[4-12]。且每一種作物需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)均不相同，導(dǎo)致下位機(jī)的開發(fā)千差百異。同時(shí)受制于摩爾定律的影響，硬件飛速發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)尚未建立[13-14]，各設(shè)備無法兼容，各無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法互通共享，進(jìn)而重復(fù)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象極為普遍，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大量浪費(fèi)。

此外，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)僅作為數(shù)據(jù)傳輸通道，不參與數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的分析，這無疑是對(duì)于服務(wù)器及互聯(lián)網(wǎng)資源的浪費(fèi)。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)信息化體系的建立，必須要打破各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間的閉環(huán)監(jiān)測(cè)壁壘，將無線監(jiān)測(cè)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，納入各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端，并統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信協(xié)議，推動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融入互聯(lián)網(wǎng)，形成現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息化共享平臺(tái)[15-19]。

本文針對(duì)目前農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)平臺(tái)眾多、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理機(jī)制薄弱的問題，研究了一種異構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)范化設(shè)計(jì)與管理方法，首先規(guī)范各系統(tǒng)感知層終端的采集信息，并將標(biāo)準(zhǔn)格式化數(shù)據(jù)利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，利用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理接口實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的格式轉(zhuǎn)換載入到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口統(tǒng)一配置以及各監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示功能。

1 系統(tǒng)方案

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信息監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)3部分組成，聚焦實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)群組及通信方式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理，并賦予農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)的可視化功能。

農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，信息監(jiān)測(cè)終端主要實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)業(yè)設(shè)施傳感器信息的采集和初步處理，例如濾波除噪等；網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口包含數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理2部分，前者負(fù)責(zé)將信息監(jiān)測(cè)終端采集的信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸至應(yīng)用程序服務(wù)器，后者在接收傳輸數(shù)據(jù)之后，根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式及配置將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，供網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)使用；網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)利用網(wǎng)站網(wǎng)頁編程技術(shù)，將農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，完成農(nóng)業(yè)信息的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。同時(shí)，基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫與底層終端的中間件[20-24]即網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)統(tǒng)一化管理，和由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)向監(jiān)測(cè)終端的控制功能。

圖1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

綜上所述，系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可完成數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制并提供Web服務(wù)，客戶端可通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查看監(jiān)測(cè)信息、讀取歷史記錄、管理監(jiān)測(cè)設(shè)備等（如圖2所示）。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中處理和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的核心，其硬件直接依托服務(wù)器自身硬件，將網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口搭建在通信程序服務(wù)器上，無需獨(dú)立設(shè)計(jì)硬件電路，使用服務(wù)器處理器及外設(shè)接口，具有處理速度快、兼容多種接口、充分利用硬件資源等優(yōu)勢(shì)。其軟件部分運(yùn)行于服務(wù)器系統(tǒng)上，以Visual Basic 6.0為編程語言，采用MySQL數(shù)據(jù)庫[25-26]。其實(shí)現(xiàn)的主要功能有：統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、通信數(shù)據(jù)接收讀取、采集數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)庫管理。

2.1 數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化

通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和格式是網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口可以準(zhǔn)確識(shí)別監(jiān)測(cè)終端通信數(shù)據(jù)的依據(jù)，其包括了數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化模塊、傳感器標(biāo)定模塊和監(jiān)測(cè)對(duì)象測(cè)控信息模塊，用來判斷數(shù)據(jù)包的完整性和解析各通道采集數(shù)據(jù)數(shù)值位置，直接決定上傳數(shù)據(jù)能否被解析。該協(xié)議固化在程序內(nèi)部，不可更改。在現(xiàn)實(shí)作業(yè)中，控制部分的通信數(shù)據(jù)可設(shè)置監(jiān)測(cè)終端相關(guān)參數(shù)，用來定義終端采集頻率、采集點(diǎn)等。傳感器標(biāo)定模塊用來定義通信數(shù)據(jù)各通道工程數(shù)與采集數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)管理員進(jìn)行更改，定義用戶層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的顯示數(shù)據(jù)。而監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)類型與結(jié)構(gòu)十分靈活，用來定義監(jiān)測(cè)終端及監(jiān)測(cè)對(duì)象名稱、通道含義等，與底層監(jiān)測(cè)相互分離，可由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行更改，有助于提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人性化和友好度。

本網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的通訊數(shù)據(jù)格式由程序定義，包含起止符、終端唯一標(biāo)識(shí)號(hào)和通道數(shù)據(jù)流3部分。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，起止符判定數(shù)據(jù)是否完整，唯一標(biāo)識(shí)號(hào)定義數(shù)據(jù)流的從屬，數(shù)據(jù)流包含通道采集數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)本身沒有任何意義，僅代表傳感器電壓或電流數(shù)值，其含義及轉(zhuǎn)換關(guān)系均可由傳感器標(biāo)定模塊和監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義。由此，既保證了下位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的靈活性，由充分利用上位機(jī)服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、顯示與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置。

注：“*”代表數(shù)值

傳感器標(biāo)定模塊用來定義結(jié)果數(shù)值和監(jiān)測(cè)原始數(shù)值之間的關(guān)系，由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行定義，由網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口進(jìn)行解析。XML 被設(shè)計(jì)用來傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，由于其具有跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)表述能力，支持多種數(shù)據(jù)解析工具，多用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化描述[27-30]。借助已有的類文件提供的接口，Visual Basic 6.0語言可對(duì)XML文件進(jìn)行解析操作，且服務(wù)器端編程語言（例如，php、java）均可操縱XML文檔，故XML文檔可實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)的封裝。其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4所示，編號(hào)標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)終端，與其唯一標(biāo)識(shí)號(hào)相對(duì)應(yīng)，通道元素對(duì)應(yīng)上傳數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)通道，各通道屬性值value表示其傳感器標(biāo)定公式。

監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)工作于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，主要依賴于數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中對(duì)各監(jiān)測(cè)對(duì)象加以定義，由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行解析顯示。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸及解析

監(jiān)測(cè)終端與網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口通過TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行通信，服務(wù)器端采用固定ip，監(jiān)測(cè)終端將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端口。服務(wù)器端通過Visual Basic 6.0程序comm控件實(shí)現(xiàn)與串口通信數(shù)據(jù)的交互，如圖5所示。首先，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基本配置，包括通道的連接屬性及通信波特率等信息。程序運(yùn)行過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，取出數(shù)據(jù)流，根據(jù)通信數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，識(shí)別起止符；當(dāng)數(shù)據(jù)完整時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)分通道進(jìn)行解析。然后，讀取傳感器協(xié)議XML配置文件，根據(jù)通信數(shù)據(jù)的唯一識(shí)別號(hào)查詢?cè)摻K端各通道的傳感器標(biāo)定公式，通過其對(duì)應(yīng)傳感器公式將其公式中的自變量用對(duì)應(yīng)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，并利用js空間將該公式作為計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到該監(jiān)測(cè)終端各通道的最終數(shù)值。其中XML讀取及字符串作為計(jì)算式計(jì)算的部分程序如圖6所示。

圖4 傳感器協(xié)議XML封裝樹狀圖

圖5 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析

圖6 調(diào)用公式處理數(shù)據(jù)程序

配置XML文件解析功能通過使用Visual Basic 6.0軟件和dmXML.cls類文件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。根據(jù)配置文件位置，讀取配置文件，借助元素值及屬性名稱可輕易地讀取該元素對(duì)應(yīng)屬性值。本設(shè)計(jì)中將公式賦值給元素值，再讀取對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行下一步運(yùn)算。讀取XML文件對(duì)應(yīng)程序，如圖6所示，所有具體程序全部封裝在類文件中，主程序僅需調(diào)取相應(yīng)函數(shù)屬性即可運(yùn)行。獲取通信數(shù)據(jù)，調(diào)取對(duì)應(yīng)的公式，使用Replace函數(shù)實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)對(duì)公式未知數(shù)的替代，得到計(jì)算數(shù)據(jù)的字符串，然后利用JavaScript插件編寫Eval函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換為計(jì)算公式，得到計(jì)算結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)通信控制

網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口是監(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器與底層監(jiān)測(cè)硬件終端的橋梁，不僅負(fù)擔(dān)底層硬件向上位機(jī)通信傳輸數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)，還承擔(dān)著服務(wù)器端數(shù)據(jù)向下的傳輸，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)服務(wù)器端對(duì)監(jiān)測(cè)終端的控制。出于網(wǎng)絡(luò)安全考慮，服務(wù)器控制數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的過程中，服務(wù)器須與應(yīng)用程序進(jìn)行一定的隔離，故數(shù)據(jù)庫無法直接調(diào)用網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口程序，需要網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口循查MySQL數(shù)據(jù)庫。所以控制命令的下發(fā)分為兩部分：用戶通過網(wǎng)頁設(shè)置控制命令后，監(jiān)測(cè)服務(wù)器連接數(shù)據(jù)庫，將控制命令寫入，同時(shí)寫入控制標(biāo)識(shí)，如圖7a所示；網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口定時(shí)循查數(shù)據(jù)庫，當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制命令標(biāo)識(shí)時(shí)，讀取控制命令內(nèi)容，將其通過串口通信和TCP/IP協(xié)議向下傳輸至監(jiān)測(cè)終端，如圖7b所示。

圖7 控制命令下發(fā)流程

2.4 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口端通過Visual Basic 6.0語言利用OBDC數(shù)據(jù)源與MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。通過SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫管理。網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式匹配、數(shù)據(jù)計(jì)算之后，會(huì)根據(jù)匹配結(jié)果判定發(fā)送數(shù)據(jù)的智能終端唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，然后連接數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口循查數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)控制標(biāo)識(shí)時(shí)，讀取控制命令內(nèi)容，向下傳輸。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器端采用php服務(wù)器語言進(jìn)行編程，php通過程序直接連接MySQL數(shù)據(jù)庫，讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，經(jīng)服務(wù)器后臺(tái)解析處理后輸送至瀏覽器端前端進(jìn)行顯示；同時(shí)，瀏覽器前端輸入的控制參數(shù)、控制終端協(xié)議內(nèi)容等POST至監(jiān)測(cè)服務(wù)器后臺(tái)，經(jīng)服務(wù)器語言解析寫入數(shù) 據(jù)庫。

由于數(shù)據(jù)庫是應(yīng)用程序和服務(wù)器的橋梁，所以服務(wù)器存儲(chǔ)信息極為重要，不但包含終端底層信息表，而且包含網(wǎng)頁用戶信息及用戶設(shè)置表。本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)庫主要表格分為用戶表、終端表、采集數(shù)據(jù)表和控制表4種。用戶表主要用于網(wǎng)頁登錄查看控制，包含用戶名、哈希加密后的密碼、郵箱等信息；終端表用于監(jiān)測(cè)終端的信息存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)，如表1所示，主要包含終端設(shè)備號(hào)、設(shè)備名稱、通道名稱等；采集信息表用來存儲(chǔ)經(jīng)網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口處理的數(shù)據(jù)，如表2所示，主要包含設(shè)備號(hào)、時(shí)間、各通道數(shù)據(jù)等；控制表存儲(chǔ)瀏覽器前端控制信息，供網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口循查及向下控制使用，主要包含控制命令內(nèi)容和控制標(biāo)識(shí)等字段。

表1 終端信息表

表2 采集數(shù)據(jù)表

3 服務(wù)器監(jiān)測(cè)平臺(tái)

服務(wù)器監(jiān)測(cè)平臺(tái)用來展示數(shù)據(jù)和輸入設(shè)置信息，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和用戶連接的通道，包含系統(tǒng)界面和信息的輸入輸出處理。服務(wù)器基于Windows+Apache+MySQL+ PHP環(huán)境進(jìn)行搭建，前端主要由HTML+CSS+Js操縱界面風(fēng)格，后臺(tái)負(fù)責(zé)連接處理輸出數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，同時(shí)接收處理前端傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)。界面的整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，包含區(qū)域選擇、對(duì)象選擇、對(duì)象信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及曲線。此外，網(wǎng)站支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)出excel文件，使用戶進(jìn)行自行編輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能分為用戶管理、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)設(shè)置3部分。用戶管理主要用于用戶登錄驗(yàn)證；數(shù)據(jù)展示采用曲線和圖表2種方式展示采集數(shù)據(jù)，清晰明了；數(shù)據(jù)設(shè)置可以使管理員通過網(wǎng)頁設(shè)置對(duì)采集終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)置。圖9為監(jiān)測(cè)平臺(tái)部分界面。

圖8 監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面結(jié)構(gòu)圖

圖9 部分監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面圖

4 實(shí)際應(yīng)用

2016年5月18日在北京市延慶縣農(nóng)機(jī)站針對(duì)設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行挖溝機(jī)耕深及作業(yè)位置田間試驗(yàn)，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸實(shí)時(shí)性是否滿足要求。

在試驗(yàn)之前，將傳感器和數(shù)據(jù)采集處理器安裝在兗泰-504型號(hào)懸掛開溝機(jī)上，如圖10所示，角度傳感器1需放置在車上，和地面平行，作為零點(diǎn)參考，角度傳感器2放置在挖溝機(jī)臂同一平面上，檢測(cè)挖溝機(jī)相對(duì)于水平面的姿態(tài)，即角度。兩傳感器檢測(cè)角度的差值，表示挖溝機(jī)相對(duì)于車體的姿態(tài)，通過公式計(jì)算即可得到耕深。開溝機(jī)開始工作后，傳感器檢測(cè)角度傳輸給采集器，采集器將角度差值、地理位置通過無線通信模塊上傳至服務(wù)器端口，經(jīng)網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口處理后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，經(jīng)Web服務(wù)器調(diào)用進(jìn)行顯示。

圖10 挖溝機(jī)耕深檢測(cè)終端安裝示意圖

同一挖溝機(jī)作業(yè)時(shí)，其機(jī)具自身尺寸是不變的，耕深的變化只與兩傳感器檢測(cè)到的角度差值相關(guān)，其關(guān)系為：

式中，為角度差，(°)；為耕深，mm

角度差值作為一個(gè)通道數(shù)據(jù)從監(jiān)測(cè)終端傳輸?shù)椒?wù)器，在網(wǎng)頁上不顯示角度差值而顯示耕深，所以需根據(jù)式（1）配置相應(yīng)通道標(biāo)定公式，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，提取相應(yīng)公式對(duì)變量進(jìn)行替換即可將角度差值轉(zhuǎn)換為耕深，公式設(shè)置為：

式中，為顯示耕深，mm；為標(biāo)定前的角度差，（°）。

將傳感器協(xié)議設(shè)置好后，開始測(cè)量。數(shù)據(jù)采集器以定時(shí)采集的模式向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心上傳數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為2～4 s，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面得到耕深曲線（mm）。從曲線可以看出，測(cè)試期間多次調(diào)整耕深進(jìn)行試驗(yàn)，4次調(diào)整分別為340、130、330和250 mm，網(wǎng)頁得到表格數(shù)據(jù)如圖11b所示。此外監(jiān)測(cè)平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel，圖11a數(shù)據(jù)導(dǎo)出如圖11c所示，表中包含耕深和位置信息。

圖11 試驗(yàn)耕深數(shù)據(jù)

對(duì)于位置測(cè)量，為了增大測(cè)量數(shù)據(jù)量，從奔赴試驗(yàn)場(chǎng)地時(shí)便將GPS設(shè)備進(jìn)行調(diào)試測(cè)量，實(shí)時(shí)對(duì)GPS設(shè)備進(jìn)行軌跡動(dòng)態(tài)跟隨，得到其整體地理位置信息如圖12a所示。其中包含GPS設(shè)備全天的軌跡信息，放大到藍(lán)色框內(nèi)單獨(dú)顯示的部分為挖溝機(jī)在15:03至15:43工作時(shí)間內(nèi)的工作軌跡。利用導(dǎo)出Excel文件中得軌跡信息數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡擬合得到軌跡如圖12b，通過對(duì)比圖12a可以看出，兩者軌跡符合。

圖12 GPS軌跡

5 結(jié) 論

1）采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑸楸姸噢r(nóng)業(yè)信息采集終端制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，開發(fā)連接上位機(jī)與監(jiān)測(cè)終端的中間件——網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口。解決監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享問題；在不改變采集模塊數(shù)據(jù)傳送模式的情況下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口，將串口數(shù)據(jù)與服務(wù)器網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來，將C/S測(cè)控模式與B/S測(cè)控模式聯(lián)系起來。

2）結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)和服務(wù)器技術(shù)，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，搭建了基于C/S模式的農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3）利用已有的監(jiān)測(cè)終端對(duì)基于網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口的監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行挖溝機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口可實(shí)時(shí)接收解析終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)；監(jiān)測(cè)平臺(tái)準(zhǔn)確清晰反應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期間挖溝機(jī)多次調(diào)整耕深，平臺(tái)均準(zhǔn)確反映，數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能正常，并通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡模擬與平臺(tái)軌跡進(jìn)行對(duì)比，軌跡精確，滿足監(jiān)測(cè)要求。

[1] 盛平，郭洋洋，李萍萍. 基于ZigBee和3G技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能測(cè)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(12)：229－233. Sheng Ping, Guo Yangyang, Li Pingping. Intelligent measurement and control system of facility agriculture based on ZigBee and 3G[J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Machinery, 2012, 43(12): 229－233. (in Chinese with English abstract)

[2] 張榮標(biāo)，谷國(guó)棟，馮友兵，等. 基于IEEE 802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(8)：119－122. Zhang Rongbiao, Gu Guodong, Feng Youbing, et al. Realization of communication in wireless monitoring system in greenhouse based on IEEE 802.15.4[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(8): 119－122. (in Chinese with English abstract)

[3] 吳婷婷，張海輝，詹亞威，等. 溫室環(huán)境無線監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——基于GSM[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，12：182－185. Wu Tingting, Zhang Haihui, Zhan Yawei, et al. Design and implementation of greenhouse wireless monitoring and early warning equipment[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 12: 182－185. (in Chinese with English abstract)

[4] 彭里. 溫室大棚檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2000，26(12)：194－195. Peng Li. Control system of greenhouse study[J]. Computer Engineering, 2000, 26(12): 194－195. (in Chinese with English abstract)

[5] 喬曉軍，張馨，王成，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(2)：232－234. Qiao Xiaojun, Zhang Xin, Wang Cheng, et al. Application of the wireless sensor networks in agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(2): 232－234. (in Chinese with English abstract)

[6] 彭孝東，張鐵民，陳瑜. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，18(8)：245－248. Peng Xiaodong, Zhang Tiemin, Chen Yu. Application of wireless sensor networks in the field of agriculture[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 18(8): 245－248. (in Chinese with English abstract)

[7] 高峰，俞立，張文安，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(2)：107－112. Gao Feng, Yu Li, Zhang Wen’an, et al. Research and design of crop water status monitoring system based on wireless sensor networks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(2): 107－112. (in Chinese with English abstract)

[8] 楊瑋，呂科，張棟，等. 基于ZigBee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(3)：198－202. Yang Wei, Lü Ke, Zhang Dong, et al. Development of wireless in Telligent control terminal of greenhouse based on ZigBee[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(3): 198－202. (in Chinese with English abstract)

[9] Miguel A Fernandes, Samuel G Matos, Emanuel Peres, et al. A framework for wireless sensor networks management for precision viticulture and agriculture based on IEEE 1451 standard[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2013, 95: 19－30.

[10] Keshtgari M, Deljoo A. A wireless sensor network solution for precision agriculture based on ZigBee technology[J]. Wireless Sensor Network, 2011, 4(1): 25－30.

[11] Park Dae-Heon, Kang Beom-Jin, Cho Kyung-Ryong, et al. A study on greenhouse automatic control system based on wireless sensor network[J]. Wireless Personal Communications, 2011, 56(1): 117－130.

[12] 張猛，房俊龍，韓雨. 基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(增刊1)：171－176. Zhang Meng, Fang Junlong, Han Yu. Design on remote monitoring and control system for greenhouse group based on ZigBee and internet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(Supp.1): 171－176. (in Chinese with English abstract)

[13] 陳威，郭書普. 中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(22)：196－205. Chen Wei, Guo Shupu. Current situation and existing problems of agricultural informatization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 196－205. (in Chinese with English abstract)

[14] 孫彥景，丁曉慧，于滿，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，S2：326－331. Sun Yanjing, Ding Xiaohui, Yu Man, et al. Research on design of agriculture informatization system based on IOT[J]. Journal of Computer Research and Development, 2011, S2: 326－331. (in Chinese with English abstract)

[15] 李莉，張彥娥，汪懋華，等. 現(xiàn)代通信技術(shù)在溫室中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(2)：195－200. Li Li, Zhang Yan'e, Wang Maohua, et al. Communication technology for sustainable greenhouse production[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(2): 195－200. (in Chinese with English abstract)

[16] 陳建恩，王立人，苗香雯. 溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信接口設(shè)計(jì)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(4)：259－263. Chen Jian'en, Wang Liren, Miao Xiangwen. Research and development of remote communication interface for greenhouse data acquisition system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(4): 259－263. (in Chinese with English abstract)

[17] 李萍萍，王紀(jì)章. 溫室環(huán)境信息智能化管理研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(4)：236－243. Li Pingping, Wang Jizhang. Research progress of intelligent management for greenhouse environment information[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4): 236－243. (in Chinese with English abstract)

[18] 秦琳琳，陸林，箭石春. 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3)：261－267. Qin Linlin, Lu Lin, Jian Shichun. Implementation of IOT-based greenhouse intelligent monitoring system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 261－267. (in Chinese with English abstract)

[19] 陳曉棟，原向陽，郭平毅，等. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究進(jìn)展與前景展望[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2015，2：08－16. Chen Xiaodong, Yuan Xiangyang, Guo Pingyi, et al. Progress and Prospect in Agricultural Internet of Things[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2015, 2: 08－16. (in Chinese with English abstract)

[20] 謝寶智，王劉凱. 基于XML和Web Service的數(shù)據(jù)集成中間件[J]. 信息技術(shù)，2010，(1)：90－94.

Xie Baozhi, Wang Liukai. The middleware of data integration based on XML and Web Service[J]. Information Technology, 2010, (1): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[21] Wong E Y, Chan A T S, Hong Va Leong. Xstream: a middleware for streaming XML contents over wireless environments[J]. IEEE Transactions on Software Engineering, 2004, 30(12): 918－935.

[22] 謝輝. 嵌入式數(shù)據(jù)庫同步系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2011. Xie Hui. The Research and Implement of Embedded Database Synchronization Systems[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[23] Pop F, Zhu Xiaomin, Yang L T. Midhdc: Advanced topics on middleware services for heterogeneous distributed computing. part 1[J]. Future Generation Computer Systems, 2016, 56: 734－735.

[24] Pop F, Zhu Xiaomin, Yang L T. Midhdc: Advanced topics on middleware services for heterogeneous distributed computing. part 2[J]. Future Generation Computer Systems, 2017, 74: 86－89.

[25] 李強(qiáng). 以PHP+MySQL為基礎(chǔ)的網(wǎng)站開發(fā)研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014，5：22－23. Li Qiang. Based on PHP + MySQL web development research[J]. Network Security Technology & Application, 2014, 5: 22－23. (in Chinese with English abstract)

[26] 謝菊芳，胡東，侯存峰. 基于ODBC技術(shù)的庭院可視化遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，7：125－128，132. Xie Jufang, Hu Dong, Hou Cunfeng. ODBC technology- based system of remote and visual garden irrigation[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 7: 125－128, 132. (in Chinese with English abstract)

[27] 戴建國(guó)，王克如，李少昆，等. 基于REST架構(gòu)和XML的農(nóng)情數(shù)據(jù)共享研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45(20)：4156－4165. Dai Jianguo, Wang Keru, Li Shaokun, et al. Research on agricultural data sharing based on REST and XML[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(20): 4156－4165. (in Chinese with English abstract)

[28] Schuster E W, Allen S J. Machine-to-machine communication for agricultural systems: An XML-based auxiliary language to enhance semantic interoperability[J], Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 78(2): 150－161.

[29] 劉巧園，肖希明. 基于XML中間件的公共數(shù)字文化資源整合研究[J]. 圖書情報(bào)知識(shí)，2015，5：82－88. Liu Qiaoyuan, Xiao Ximing. Public digital cultural resources integration based on XML middleware[J]. Intelligence, Information and Sharing, 2015, 5: 82－88. (in Chinese with English abstract)

[30] 彭文韜. 基于XML配置管理的數(shù)字多用表檢定軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)管理信息化，2017，20(8)：143.

王 新，張圓圓，許 苗，邢 博，曾 浩. 基于異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息綜合管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(23)：211－218. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027 http://www.tcsae.org

Wang Xin, Zhang Yuanyuan, Xu Miao, Xing Bo, Zeng Hao. Development of integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring terminal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 211－218. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027 http://www.tcsae.org

Development of integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring terminal

Wang Xin1, Zhang Yuanyuan1, Xu Miao1, Xing Bo1,2, Zeng Hao1

(1.100083,2.100070,)

Because of lack of agriculture informatization standard in Chinese agricultural wireless monitoring, variability of monitoring terminals and weak compatibility of monitoring system data structure, this research focused on standard design and management of heterogeneous data and developed integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring systems. The establishment of integrated network platform was mainly on account of the following points. Firstly, communication protocol for collected data was carried out to standardize data formats of different monitoring terminals in view of data characteristics of heterogeneous network. Secondly, standardized data management interface was set up based on XML (extensible markup language) and VB (Visual Basic) 6.0. could parse data and store data from different monitoring terminals according to standard format of communication protocol. Thirdly, remote-monitoring platform was designed and built on the basis of PHP (hypertext preprocessor) language, MySQL (microsoft structure quest language) database, as well as server and website technology. Monitoring system consists of 3 parts: information monitoring terminals, data interface and network platform. Information monitoring terminals collect information of sensors and process original data preliminarily. In the meantime, monitoring terminals are supposed to integrate data according to communication protocol and send data to server. Data management interface is the core of concentrated processing of monitoring data and heterogeneous network data interaction. It is the bridge between monitoring terminals and server database and is tied to communication server. Moreover, its main task is to parse data and transform data by formulas from XML file. Network platform is used to display data and import some setting information. It is a connection channel between monitoring system and clients. Field test was conducted in Yanqing County, Beijing on May 18th, 2016. The test utilized trench depth and position during operation of trencher as monitoring targets. The purpose of test is to verify whether the accuracy of collected data and real-time capacity of data transmission can meet the requirement. In the field test, monitoring terminal collected original data from sensors and integrated data according to the standard format of communication protocol after preliminary treatment. Angle difference and longitude and latitude data were taken as channel data and sent to server interface. Angle difference was channel data monitored, whereas data that needed to be displayed was trench depth. As a result, angle difference needed to be transformed to trench depth by their correlation. The correlation was written to XML file in the form of formula. Data management interface parsed data, calculated trench depth through the formula and stored processed channel data to corresponding sheet in MySQL database. Network platform could invoke trench depth, longitude and latitude in the database. Trench depth could be displayed by means of graphs and tables and from graphs and tables it could be exported to Excel. Longitude and latitude were used to track trencher from platform. The test showed that data management interface could receive and parse data from monitoring terminal in real time, platform could display monitoring data accurately and position track was precise. We can conclude that this research solves problems on heterogeneous network and terminal hardware difference of monitoring system and realizes remote real-time monitoring and remote control of agricultural machinery information.

monitoring; internet; information technology; heterogeneous network; data sharing; standardized data management interface; communication protocol

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027

S126

A

1002-6819(2017)-23-0211-08

2017-06-07

2017-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405492）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能農(nóng)機(jī)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFD0700603）

王 新，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能測(cè)控研究，Email：wangxin117@cau.edu.cn