基于4G無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的大田土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李雙喜，徐識(shí)溥，劉 勇*，鄭憲清，王運(yùn)圣，呂衛(wèi)光

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海201403；2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海201403；3上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心，上海201403)

信息技術(shù)和裝備技術(shù)的進(jìn)步給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。不斷改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，成為未來(lái)農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，當(dāng)前正處于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展階段，迫切需要用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行現(xiàn)代化裝備與改造[1-2]。通過(guò)農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測(cè)獲得土壤環(huán)境參數(shù)是作物生長(zhǎng)發(fā)育、作物栽培管理、病蟲(chóng)害預(yù)警防治以及作物環(huán)境調(diào)控的重要參考指標(biāo)[3-4]，因此利用現(xiàn)代化設(shè)備對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前使用的土壤監(jiān)測(cè)手段主要有利用便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、獲取土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析和土壤環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集等，前兩種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量成本高，而且不能獲得連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。土壤環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有連續(xù)性、時(shí)效性和高效性特征，是土壤監(jiān)測(cè)的最佳方式，該方式因監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)需求不同而有不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。本研究根據(jù)上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所莊行綜合試驗(yàn)站精準(zhǔn)施肥試驗(yàn)提出的要求，選取對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響較大的土壤參數(shù)：土壤溫度、土壤濕度、土壤pH等，設(shè)計(jì)一套包含數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)與展示功能的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在無(wú)人干預(yù)的情況下不間斷對(duì)選取土壤參數(shù)采集、存儲(chǔ)和瀏覽，用于指導(dǎo)施肥、灌溉等管理和環(huán)境調(diào)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)針對(duì)大田土壤環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)而開(kāi)發(fā)，目標(biāo)用戶為種植業(yè)從業(yè)人員或相關(guān)農(nóng)業(yè)科研人員及政府機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)主要功能為大田土壤溫度數(shù)據(jù)采集、土壤含水量數(shù)據(jù)采集及土壤pH采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)TD-LTE模式的4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸至運(yùn)行在云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)[5]，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可通過(guò)BS架構(gòu)的數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)隨時(shí)查看、下載和分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture of this system

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括傳感器、微功率無(wú)線傳輸模塊、嵌入式主控制器[6]、4G遠(yuǎn)傳模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等，硬件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。每個(gè)田塊內(nèi)布置4組傳感器，取4個(gè)傳感器的均值作為該田塊的土壤溫濕度或pH，所選傳感器均為485總線輸出，通信協(xié)議遵循ModBus RTU標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圖3 嵌入式軟件主程序流程圖Fig.3 Embedded software flow diagram

1.3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈魂，包括運(yùn)行于STM32處理器上的嵌入式軟件和運(yùn)行于服務(wù)器上的上位機(jī)軟件。嵌入式軟件主要負(fù)責(zé)土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸，具體而言就是相關(guān)傳感器的操作、時(shí)序的控制和通信模塊的調(diào)用，主程序流程如圖3所示。

本系統(tǒng)的嵌入式軟件使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)的 C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，為無(wú)操作系統(tǒng)的前后臺(tái)程序，前臺(tái)程序完成系統(tǒng)硬件初始化后即逐個(gè)發(fā)送讀傳感器命令，傳感器返回?cái)?shù)據(jù)在后臺(tái)程序即外部中斷中解析和打包，打包完成后再由前臺(tái)程序調(diào)用通信模塊進(jìn)行發(fā)送，完成后即刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠時(shí)間結(jié)束后由定時(shí)間喚醒系統(tǒng)，如此往復(fù)循環(huán)。

1.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4 服務(wù)器端軟件界面Fig.4 Server-side software interface

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器

傳感器用于感知物理世界的各種參數(shù)并將所關(guān)心的物理化學(xué)等信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于計(jì)算機(jī)處理的電信號(hào)[9-10]，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心元件，也是本研究所設(shè)計(jì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的源頭。本研究涉及的傳感器有土壤含水量傳感器、土壤溫度傳感器和土壤pH傳感器，以上傳感器均選用RS485接口的數(shù)字信號(hào)傳感器，RS485是一種半雙工的串行通信接口，兩根信號(hào)線采用差分信號(hào)負(fù)邏輯[11]，邏輯“0”以兩線間的電壓差為+(2—6)V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-(2—6)V表示，從而增加抗干擾能力，使得最大傳輸距離達(dá)到1.2 km。RS485是一種總線接口，系統(tǒng)中所有的傳感器都通過(guò)一個(gè)總線連接到RS485模塊，再通過(guò)USART串行接口連接到主控制器，不同傳感器必須有自己唯一的通信地址，主控制器作為RS485主設(shè)備使用ModBus RTU協(xié)議依序發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，傳感器收到命令后返回?cái)?shù)據(jù)，主控制器采用中斷方式接收傳感器返回的土壤含水量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和土壤pH數(shù)據(jù)。

2.2 雙供電系統(tǒng)

由于大田環(huán)境不便于實(shí)現(xiàn)市電供電，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為太陽(yáng)能電池板加蓄電池的供電方案，為節(jié)省功耗，在數(shù)據(jù)采集的間隔期內(nèi)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)將所有傳感器斷電，間隔超時(shí)后將自動(dòng)喚醒并開(kāi)始下一輪的采集(圖5)。220 V的交流市電通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V交流電之后為鋰電池充電，如果沒(méi)有市電接口，則可接上太陽(yáng)能電池板，通過(guò)12 V的充電控制器給連電池充電[12]。本系統(tǒng)選用10 000mAh鋰電作為電源緩存池，電池的輸入端接防逆流二極管以防止太陽(yáng)能和市電都沒(méi)有輸入時(shí)電池反向放電。鋰電池輸出為5 V直流電，可同時(shí)為主控制器、通信模塊和傳感器供電。

圖5 市電和太陽(yáng)能雙供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Double power supply system

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的打包方式、傳輸格式及上位機(jī)解析方式，由于本系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)均為數(shù)值型，所以本研究設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個(gè)結(jié)構(gòu)體封裝所有需要傳輸?shù)男畔ⅰ?shù)據(jù)幀格式包含頭部、田塊號(hào)、傳感器數(shù)據(jù)以及尾部，傳感器數(shù)據(jù)以一個(gè)獨(dú)立的土壤環(huán)境參數(shù)為單位用分隔符分開(kāi)，每個(gè)田塊內(nèi)的參數(shù)按傳感器序號(hào)依次排列。

傳感器返回的原始值均為二進(jìn)制數(shù)，為了調(diào)試方便，均轉(zhuǎn)換為可顯示的ASCII(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼)字符，整個(gè)數(shù)據(jù)包也都是采用ASCII編碼，例如數(shù)據(jù)包頭部為“$$|ZHST1|”，其中豎線為分隔符，兩個(gè)“$”符號(hào)表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，“ZHST1”中字母為“莊行生態(tài)”的漢語(yǔ)拼音首字母，1表示第一個(gè)田塊，尾部為“end”表示一個(gè)數(shù)據(jù)包的結(jié)束。上位機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后首先驗(yàn)證幀頭幀尾是否完整并符合定義，如完整則根據(jù)田塊號(hào)在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表中插入新的一行，并將數(shù)據(jù)包中的傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間存入其中從而完成一次數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的田間布設(shè)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)田塊為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站內(nèi)的精準(zhǔn)施肥試驗(yàn)田，為了更好的滿足作物生長(zhǎng)需求，吻合作物需肥需水規(guī)律，降低肥料流失，緩解農(nóng)業(yè)面源污染，目前共實(shí)現(xiàn)了對(duì)36個(gè)田塊的大面積實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局如圖6所示，每個(gè)田塊內(nèi)布置4個(gè)傳感器組，以便于求取平均值從而反應(yīng)出該田塊內(nèi)土壤參數(shù)的總體狀況。每組傳感器均可監(jiān)測(cè)土壤溫度、土壤濕度和土壤pH等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每10min對(duì)所有傳感器輪詢一遍，完成后將數(shù)據(jù)打包，通過(guò)4G遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送到云服務(wù)器。另外本系統(tǒng)為可擴(kuò)展式設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶需求增加或減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

圖6 監(jiān)測(cè)田塊布局圖Fig.6 Monitoring field layout

3.2 客戶端應(yīng)用效果

考慮到農(nóng)田土壤的特性，為了在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)得到全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的有效數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器的布置進(jìn)行了合理的優(yōu)化，同一類型的傳感器在每個(gè)田塊內(nèi)均放置4個(gè)，取4個(gè)傳感器的均值作為該田塊的值，同時(shí)，當(dāng)某個(gè)傳感器出故障時(shí)還有其他三個(gè)在工作，不至于造成數(shù)據(jù)缺失。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，確保沒(méi)有數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤后才最終安裝布置到試驗(yàn)田里，至2017年4月已穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月，系統(tǒng)源源不斷地將土壤環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器并展現(xiàn)給用戶，通過(guò)手機(jī)和電腦查看的界面如圖7和圖8。

圖7 手機(jī)端查看數(shù)據(jù)界面Fig.7 Data view interface on mobile phone

圖8 電腦端查看數(shù)據(jù)界面Fig.8 Data view interface on PC

4 結(jié)論

本研究根據(jù)大田土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于4G無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)農(nóng)田土壤的溫度、濕度、pH等信息進(jìn)行長(zhǎng)期遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存并且可以在有互聯(lián)網(wǎng)接入的地方通過(guò)Web瀏覽器隨時(shí)查看。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)配合相應(yīng)的專家系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，可使農(nóng)業(yè)科研人員或生產(chǎn)技術(shù)人員更加精準(zhǔn)地掌握和控制影響作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)業(yè)科技工作者和農(nóng)業(yè)從業(yè)者在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)方面的研究與實(shí)踐提供可靠和低成本的數(shù)據(jù)來(lái)源和便捷的操作，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。