基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

安徽省宿州市氣象局 盧 俞 王 穎

安徽省宿州市埇橋區(qū)是全國(guó)重要“國(guó)家綠色農(nóng)業(yè)示范區(qū)”，目前建立無公害蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地30萬畝，在西二鋪鄉(xiāng)溝西村一個(gè)地方擁有無公害蔬菜大棚3000多畝[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]也稱為傳感網(wǎng)技術(shù)，它綜合了傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)等，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。蔬菜大棚種植，作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用[3]。

作為埇橋區(qū)設(shè)施大棚種植的典型，溝西村的種植管理方法是粗放型的，大棚內(nèi)環(huán)境因子通過直接人工讀取的辦法獲得，各環(huán)境因子數(shù)據(jù)缺少或者積累不夠，難以形成有效的科學(xué)種植和管理?，F(xiàn)代通信與信息技術(shù)，特別是數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，為解決目前的現(xiàn)狀，提供現(xiàn)實(shí)可能性。

1.設(shè)施農(nóng)業(yè)信息服務(wù)設(shè)計(jì)思路

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)蔬菜大棚實(shí)施科學(xué)種植和管理，一種實(shí)踐方法是在大棚內(nèi)建立設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候自動(dòng)儀，實(shí)時(shí)獲取棚內(nèi)的溫度、濕度、輻射等作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子，通過GPRS通信無線傳輸?shù)街行臋C(jī)房相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)器上；依據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)器建立網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)資料管理與監(jiān)控，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理分析，歸納一種較適宜的管理指導(dǎo)建議，通過手機(jī)短信發(fā)送給種植管理者；同時(shí)，在大棚外設(shè)置LED電子屏，將溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)直觀顯現(xiàn)，為菜農(nóng)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

以西二鋪鄉(xiāng)溝西村為例，蔬菜大棚采用水泥構(gòu)架，相間大約10米，沿路或呈直線排列。根據(jù)無線電管理法規(guī)，允許無線發(fā)射的通信距離為20米左右[4]。我們?cè)O(shè)計(jì)以5個(gè)大棚為一組，以中間大棚的小氣候自動(dòng)儀為中心節(jié)點(diǎn)，無線接收其它4個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯聚一組進(jìn)行傳輸，其電路框圖如圖1。

2.服務(wù)平臺(tái)遠(yuǎn)端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)端電路設(shè)計(jì)主要完成溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收，移動(dòng)GPRS通信的傳輸。供電系統(tǒng)由一塊12V/7AH充電電池、一塊10W太陽(yáng)能電池板及太陽(yáng)能充電控制器和一塊10W的蓄電池組成。

2.1 數(shù)據(jù)傳感器

數(shù)據(jù)傳感器采用集成化的設(shè)備。小氣候自動(dòng)儀由AV-10TH型空氣溫濕度傳感器、AV-20P型太陽(yáng)總輻射傳感器，AV-410BP型氣壓傳感器，AV-10T型暴曬溫度傳感器各一套組成，參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理（單片機(jī)）模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成傳感器采集數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和傳輸功能。以溫度數(shù)據(jù)處理為例，由ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]和MCS-51單片機(jī)系列芯片[6]組成。

分節(jié)點(diǎn)電路由ADC0809和MCS-51系列8051單片機(jī)構(gòu)成。ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一種單片CMOS器件，可直接分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在MCS-51單片機(jī)系列芯片中，8051是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，用這種芯片構(gòu)成的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。

中心節(jié)點(diǎn)電路采用主從雙CPU結(jié)構(gòu)，選用MCS-51單片機(jī)系列芯片中的AT89S52(分別用主CPU和從CPU表示)。主CPU主要用來完成與GPRS通信模塊和LED電子屏的數(shù)據(jù)的通訊功能；從CPU主要用來對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和接收其它分節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并與主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

2.3 發(fā)射電路和接收電路

發(fā)射電路和接收電路功能實(shí)現(xiàn)主要是通過TX5000和RX5000芯片[7]完成。TX5000發(fā)射器和RX5000接收器芯片的工作頻率均為433.92MHz，工作電壓為2.2～3.7V，工作溫度范圍為-50～+100℃，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)115.2kbp。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議如圖2，數(shù)據(jù)列由字符數(shù)字組成，與LED電子屏內(nèi)容一致，分四行顯示，DATA為接收信息標(biāo)題，①②③④為指定的行控制碼，“*”號(hào)為接收到的信息數(shù)值；第一行顯示小氣候自動(dòng)儀位置，其它三行顯示該自動(dòng)儀大棚的環(huán)境因子數(shù)值，五個(gè)大棚的數(shù)據(jù)輪流顯示。

接收程序：程序流程如圖3（左）。以啟動(dòng)開始的主程序，在寄存器、定時(shí)器初始化后，進(jìn)入接收循環(huán)。主程序的接收處理過程：如果檢測(cè)到字符“DATA”，就禁止中斷，停止接收處理中的發(fā)射；在接收期間，檢測(cè)到“A、B、C、D、E”等字符，如果與預(yù)先約定的不符合，接收處理就此點(diǎn)中止。

表1 數(shù)據(jù)傳感器采用集成化的設(shè)備

圖1 分節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)電路框圖

圖2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議

圖3 接收（左）和發(fā)射（右）電路的實(shí)現(xiàn)流程框圖

發(fā)射程序：程序流程如圖3（右）。利用定時(shí)器的中斷，每隔30s發(fā)射一次數(shù)據(jù)。期間，每一組數(shù)據(jù)連接發(fā)射10次；發(fā)射時(shí)，接收電路置OFF。此后，RAM內(nèi)存數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)串的形式發(fā)射，發(fā)射結(jié)束后，RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)清空，以指定字符（這里為X）替代，如果在接收時(shí)，數(shù)據(jù)串中包含有X，則判斷為無效數(shù)據(jù)，最后接收電路置ON。

2.4 LED顯示模塊

LED顯示模塊完成蔬菜大棚內(nèi)各環(huán)境因子數(shù)值的實(shí)時(shí)直觀顯示，主要由LED顯示屏和顯示控制卡組成。

LED電子屏選取UCDOS中文宋體字庫(kù)，顯示點(diǎn)陣中的漢字(溫度、濕度、輻射等字符)單元為16×16點(diǎn)，字母與數(shù)字采用16×8點(diǎn)(兩個(gè)字母、符號(hào)或數(shù)字視為一個(gè)漢字)為一單元。電子屏字陣數(shù)據(jù)條屏為64×128點(diǎn)，單色、宋體字、文字大小為16×16點(diǎn)，需要32塊16×16的顯示單元，按4×8塊方式拼接組成；顯示控制卡的主要功能是顯示中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)單元顯示的同步。

本模塊采用北京雨根科技有限責(zé)任公司的通信模塊，設(shè)置好參數(shù)即可運(yùn)行，通信終端(DTU)有4個(gè)狀態(tài)指示燈[8]：

DATA指示燈：DTU串口向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，此燈有規(guī)律閃爍

WAN指示燈：燈亮表示GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)連接成功

POWER指示燈：電源正常時(shí)，燈亮

圖4 服務(wù)器端定時(shí)下載界面

圖5 服務(wù)器端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面

SIGANL指示燈：供電正常燈亮，當(dāng)GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)正常，SIM/UIM卡正確插入時(shí)，此燈有規(guī)律閃爍。

3.服務(wù)器端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端的主要功能是接收由中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，經(jīng)過處理、寫入Microsoft SQL 2000數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

圖4為服務(wù)器端定時(shí)下載界面，接收數(shù)據(jù)的組網(wǎng)方式采用固定IP通信模式，各組中心節(jié)點(diǎn)直接與服務(wù)器建立鏈接，數(shù)據(jù)以TEXT文件形式定時(shí)下載，其實(shí)現(xiàn)界面如圖5。

Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)行模式為Windows Server 2003+IIS6.0，開發(fā)語(yǔ)言為JS和ASP網(wǎng)頁(yè)腳本語(yǔ)言，采用B/S(Browser/Server)的Web網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)發(fā)布模式，將已下載的TEXT文件形式的數(shù)據(jù)分解處理，寫入SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)中。

通過對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的各蔬菜大棚不同作物的溫度、濕度、輻射等環(huán)境因子數(shù)值進(jìn)行處理，做出趨勢(shì)分析，根據(jù)種植作物的需求提供各種短信預(yù)警信息。比如當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)發(fā)送給設(shè)定的用戶群。短信群發(fā)采用移動(dòng)商務(wù)中心短信平臺(tái)(簡(jiǎn)稱：WINIC)，其發(fā)送信息的ASP源碼[9]為：

4.結(jié)束語(yǔ)

通過本設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)，加強(qiáng)了對(duì)蔬菜大棚的精細(xì)化種植與管理；各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的無線傳輸自制電路的實(shí)現(xiàn)，降低了種植管理的成本，也避免因?yàn)橛芯€線路鋪設(shè)對(duì)菜農(nóng)造成種植方面的影響。

目前，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念，通過GPRS實(shí)現(xiàn)傳輸功能的設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)還處于剛剛起步的階段。通過原始數(shù)據(jù)不斷積累存儲(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，或者將現(xiàn)有數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以便制作形成對(duì)廣大菜農(nóng)有益的管理建議，這是建立平臺(tái)的基本出發(fā)點(diǎn)；同時(shí)這個(gè)平臺(tái)極大地促進(jìn)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)化管理的進(jìn)程，在現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，有著重大的指導(dǎo)意義。

[1]安徽先鋒網(wǎng).溝西村先鋒在線信息點(diǎn)、氣象與農(nóng)網(wǎng)信息點(diǎn)[OL].http://oa.ahxf.gov.cn/village/?WebName=lyqxepg.

[2]工業(yè)和信息化部.物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃.中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部,2011-11-28.

[3]齊莉.蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(30).

[4]農(nóng)村實(shí)用電子制作薈萃[N].2010年電子報(bào)合訂本(下冊(cè)),2010,820-822.

[5]陳曉風(fēng).ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用詳解與程序[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001(04).

[6]鮑宏亞,李月華.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)用技術(shù)[M].中國(guó)宇航出版社,第1版(2005-9-1).

[7]霍迎輝,張學(xué)習(xí).基于RX5000/TX5000的無線收發(fā)電路[J].國(guó)外電子元器件,2004(02).

[8]GPRS無線傳輸模塊使用說明.北京雨根科技有限責(zé)任公司.

[9]汪曉平,吳勇強(qiáng),張宏林等.ASP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)[M].人民郵電出版社.