基于物聯網技術的設施溫室監控系統設計方案

楊英茹，高欣娜，黃 媛，高 燕，李海杰，郝曉蘭，岳趙寒

（石家莊市農林科學研究院，石家莊市農業信息化工程技術研究中心，河北 石家莊 050041）

1 系統方案

系統以構建基于WEB的組態化軟件開發平臺為目標，圍繞“信息感知—采集傳輸—平臺建設—應用服務”等關鍵環節[1]，研制系列農業環境傳感器、采集和傳輸設備，構建基于WEB的組態化軟件應用平臺，形成完整的技術體系，建立既能實現信息感知、信息采集傳輸、分析處理和應用服務等相對獨立使用的軟硬件技術產品，又能構建在統一環境下集成應用的綜合服務應用平臺[2]。系統方案如圖1所示。

系統設計從農業環境信息感知、信息采集傳輸、農業物聯網平臺建設及推廣服務等4個方面開展，針對農業物聯網底層數據獲取需求，研究面向土壤信息、水環境信息、空氣環境以及作物生理生態的感知技術，研制系列農業環境信息傳感器，通過研究低功耗無線傳輸、遠程傳輸、標準接口協議等共性關鍵技術，開發出高性能的采集傳輸設備[3]；通過GSM/GPRS無線網絡、無線電臺以及有線網絡等完成信息交換；通過信息融合技術、信息采集構件技術、終端系統構建技術以及標準規范建立，構建基于WEB的組態化農業測控平臺[4]，針對不同的應用對象，提供個性化的服務。

2 設計思路

（1）針對關鍵農業環境感知技術產品缺乏自主知識產權的現狀，綜合運用光學、電化學、電磁學、電子、人工智能、自動控制以及無線通信等技術，圍繞土壤環境信息、水環境信息、空氣環境信息等進行信息感知等關鍵技術研究，突破某些農業環境信息感知技術瓶頸，研制出高性價比的農業環境信息感知技術產品[5]。

（2）針對農業物聯網中信息采集與傳輸技術產品相對較少、傳輸性能不穩定以及智能化程度低等特點，開發了適合不同應用區域和對象的信息采集和傳輸系列產品[6]。

（3） 面向農業物聯網行業發展的共性技術需求，開發基于WEB的組態化軟件開發平臺，以組件的形式提供傳感器、閥門、電機等農業測控設備及測控目標，通過可視化的界面，快速開發農業測控系統平臺[7]。

圖1 系統方案Fig.1 System scheme

（4）注重試驗示范與推廣應用，研發和應用并重，適時對產品和技術進行試驗示范，進一步完善產品性能和系統功能，加快成熟產品的推廣應用，建立完善的推廣組織體系；依托基層技術推廣部門、農業龍頭企業、大型國營農場、現代農業科技園區，建立“研究—示范—完善—再示范”的應用體系和推廣網絡。

3 系統設計與實現

3.1 農業環境信息感知

農業環境信息感知針對農業物聯網底層數據獲取需求，基于低功耗、無線化、多點多參數監測的設計理念，研究高頻振蕩、擴頻通信、低功耗低頻無線信號喚醒、無線自組網信息獲取、狹縫衍射、差分熒光探測、光路共聚焦等技術，研制了土壤信息傳感器、環境監測傳感器、水環境傳感器及作物生理傳感器等4類農業信息感知設備[8]。

3.1.1 土壤信息傳感器 針對當前土壤墑情監測設備精度低、實用性差、安裝困難等問題，提出了低功耗、無線化、多點多參數監測的設計理念，研究了低功耗高頻振蕩、擴頻通信、低功耗低頻無線信號喚醒等技術，研制了低功耗土壤水分、土壤溫度、多剖面土壤水分、土壤三參數等系列傳感器和無線空氣溫濕度、無線光照以及無線CO2等系列環境傳感器，解決了土壤水分監測精度低、適用性差、設備安裝維護成本高等問題，提供了農田墑情監測標準化和系列化解決方案，實現了低成本、高性能的自動信息監測[9]。

3.1.2 無線環境監測傳感器 有線傳感器需要使用電纜進行供電和信號傳輸，限制了傳感器的安裝位置，增加了施工難度。針對這一問題，研究了低功耗無線自組網信息獲取技術，開發了系列低功耗無線環境監測傳感器，包括無線土壤溫度、無線土壤水分、無線空氣溫濕度、無線光照等系列無線傳感器[10]。產品采用星型網絡、樹形網絡（增加中繼），傳感器節點按照設置的時間間隔（1～120 s）向無線數傳模塊傳輸數據，無線數傳模塊通過USB或RS485方式與上位機軟件進行通訊[11]。簡單、單向的數據傳輸網絡結構可以進一步降低系統功耗，延長網絡壽命。星型網絡節點之間傳輸視距達700 m，樹形網絡覆蓋距離達2 km，適用于塑料大棚、聯動溫室以及小規模日光溫室環境。

3.2 可擴展溫室智能控制器

基于構建農業物聯網平臺所需的信息采集傳輸與控制設備，研究了適應農業惡劣環境的多通道信息采集傳輸技術，研制了適用于溫室環境信息采集的可擴展溫室智能控制器等產品，實現了農業物聯網信息采集與傳輸[12]。

可擴展溫室智能控制器標配為8路模擬量輸入、8路繼電器輸出，可通過I2C總線或485總線增加模擬量輸入模塊或繼電器輸出模塊擴，展至48路模擬量輸入、48路繼電器輸出，具有采集、決策、控制、存儲、通信等功能，滿足普通日光溫室和大型聯棟溫室環境智能調控、大面積農田或綠地自動灌溉的需求。該設備既可以作為主控設備直接連接傳感器、機電設備和DTU設備，通過內置的控制邏輯單元，形成獨立工作的溫室環境調控或自動灌溉控制系統，也可以作為一個執行終端，執行物聯網平臺的采集、控制指令，在物聯網平臺的控制模型下工作。系統具有1路RJ45網絡接口，2路RS232接口，2路RS485接口，可擴展無線通訊電臺、無線網橋、GPRS模塊等通訊設備，滿足多種數據通訊需求。系統的多路通訊接口可并行工作，滿足多層、多級通訊需求，具有擴展能力強、控制精確、運行穩定等優點。

3.3 農業物聯網平臺構建

針對農業物聯網監控系統軟件開發周期長、穩定性差、成本高等問題，研究了實時監控數據庫的架構和數據抽象模型，建立實時數據采集、存儲子系統；研究柔性的監控網絡結構，實現監控網絡的連接管理、數據傳輸，建立數據通信子系統[13]；研究基于COM組件的連接點機制的設備驅動程序模型，開發傳感器、閥門、電機、風機等農業測控設備，建立農業測控可視化組件庫，構建可視化的人機交互界面開發子系統；突破多種類型設備帶來的多協議、多信道、多變量等異構通信技術難題，通過開發動態設備加載技術，構建了基于WEB組態化農業物聯網測控平臺[14]。

基于WEB組態化農業物聯網測控平臺主要包括兩大功能模塊，系統組態環境模塊和系統運行環境模塊，如圖2所示。

圖2 組態化農業物聯網測控平臺功能結構Fig.2 Function structure of measurement and control platform based on configurable agricultural internet of things

系統組態環境是物聯網平臺設計人員為了在系統組態環境的支持下測控應用程序而設計的管理方案。通過建立組態模塊的配置數據文件生成相應的組態應用程序。主要包括界面配置、測控設備配置、數據庫配置、報警配置等；系統運行環境主要負責解析設計人員在組態過程中生成的配置文件、鏈接數據庫、生成配置文件相對應的組態模塊及實時監控數據。系統的運行環境主要用于物聯網平臺界面的顯示、實時數據的監測、歷史數據曲線和報表的生成、報警提示和灌溉設備的遠程控制。系統的運行環境只提供了監測控制功能，在此環境下平臺的組態修改是不允許的，這樣很好的將物聯網平臺監控和運行進行分離，確保了物聯網平臺在監測和控制過程中的安全性[15]。

基于WEB的組態化農業物聯網測控平臺按照Web構架進行了詳細的層次劃分，如圖3所示。用戶表現層是基于瀏覽器的一個富客戶端互聯網應用程序（RIA），為用戶呈現一個豐富的、高交互性的可視化界面，以圖文一體化的方式顯示空間和屬性信息，主要包括圖形化展示、農業信息控制與實時監測、分析決策等[16]。業務邏輯層負責響應Flex富客戶端請求，并根據用戶請求做出響應。數據層是系統的底層，負責空間數據和屬性數據的存取，維護各種數據之間的關系[17]。

4 結語

系統開發圍繞農業物聯網建設需求，從農業環境信息感知、信息采集和傳輸、平臺建設等3個關鍵環節入手，開展農業物聯網信息感知技術、傳輸采集技術和平臺建設等方面的研究，突破了關鍵技術，通過示范應用，為發展高效農業、增加農民收入、建設綠色城市、提供了重要保障。

圖3 系統整體結構圖Fig.3 Structure of the system