物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在非標(biāo)準(zhǔn)日光溫室中的應(yīng)用研究

張如軍，吳海鴻

(蘭州市農(nóng)業(yè)信息服務(wù)中心，甘肅蘭州 730030)

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化需求越來越迫切，而已有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠遠不能滿足目前更加深入、更加復(fù)雜、更加智能的應(yīng)用需求，“物聯(lián)網(wǎng)”在此背景下應(yīng)運而生，為智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇。通過利用M2M技術(shù)、RFID技術(shù)、WSN網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、智能學(xué)習(xí)知識等，依托移動無線網(wǎng)絡(luò)(GPRS、3G等)和公共互聯(lián)網(wǎng)(Internet)的無縫連接，將底層的傳感器、農(nóng)機設(shè)備、視頻監(jiān)控等整合起來，形成一個具有智能感知、遠程控制的實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)“全面感知、無線傳輸、智能處理”，農(nóng)戶通過手機、電腦、PDA等隨時隨地查詢田間或農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息和設(shè)備狀態(tài)，遠程控制相關(guān)設(shè)備，擺脫了時間、空間的地域限制，全面推進了農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)步伐［1－7］。蘭州市農(nóng)業(yè)信息服務(wù)中心針對蘭州市非標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室在設(shè)施農(nóng)業(yè)占有很大比例的現(xiàn)狀，研發(fā)了蘭州市設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程智能化信息監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過功能模塊化設(shè)計，為在非標(biāo)準(zhǔn)化溫室中推廣應(yīng)用環(huán)境管控技術(shù)提供了較為可行的解決方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)主要由設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺、“數(shù)字大棚”終端、各類采集器和各種控制器以及對應(yīng)設(shè)備等部分組成(圖1)。安裝在溫室中的各類采集器，根據(jù)用戶設(shè)定的采集時間，定時采集大棚的環(huán)境參數(shù)，通過內(nèi)置的2.4G-RFID無線模塊將大棚中的溫度、濕度等信息及時發(fā)送到“數(shù)字大棚”智能終端，智能終端將這些信息分明別類，按一定規(guī)則通過移動通信網(wǎng)(GSM/GPRS)傳送到“數(shù)字大棚”應(yīng)用平臺?！皵?shù)字大棚”應(yīng)用平臺接收到溫室中的相應(yīng)數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中用戶設(shè)置的參數(shù)范圍進行比對，超出設(shè)定參數(shù)范圍的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即刻采用短信方式自動向用戶手機發(fā)出報警，用戶也可以根據(jù)作物生產(chǎn)的設(shè)施環(huán)境要求，通過發(fā)送數(shù)據(jù)指令來遠程完成對設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)控操作。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺 主要由WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及防火墻等組成。平臺軟件采用java語言開發(fā)設(shè)計，可部署于普通臺式機或服務(wù)器，系統(tǒng)環(huán)境要求為windows/lunix。傳感器將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備后，由終端設(shè)備采用GPRS數(shù)據(jù)形式將數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)杰浖脚_，軟件平臺可以對相關(guān)數(shù)據(jù)進行加工和分類處理，以WEB形式方便用戶對相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的查詢和應(yīng)用。其主要功能:①設(shè)備狀態(tài)顯示。能夠顯示各終端設(shè)備電源狀態(tài)，是否正常工作，當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)采樣時間等信息。②數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢。能夠查詢各采集點及不同數(shù)據(jù)采集時間的環(huán)境數(shù)據(jù)值，在需要時還能將數(shù)據(jù)以EXCEL電子表格方式導(dǎo)出，方便對數(shù)據(jù)的綜合分析利用。③采樣詳細信息。能夠?qū)Ω鱾鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)信息進行詳細的查詢，結(jié)合傳感器的安置位置，能夠詳細了解設(shè)施環(huán)境在各時段的詳細數(shù)據(jù)值和動態(tài)變化情況。④設(shè)備管理。能夠?qū)Ω鹘K端設(shè)備的名稱、安置地點、端口記錄、設(shè)備編號等信息進行編輯修改，方便農(nóng)戶對終端設(shè)備進行變更調(diào)整。⑤卡管理。能夠?qū)γ總€傳感器的名稱、編號、所屬終端等信息進行編輯修改，以方便農(nóng)戶對傳感器的修正。⑥用戶管理。能夠進行后臺用戶的添加、刪除和用戶信息編輯等操作，為以后平臺軟件的共享應(yīng)用預(yù)留空間。

1.2 “數(shù)字大棚”終端 主要作用是采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。它集成了移動通信工業(yè)通信模塊(GSM/GPRS)、2.4G-RFID無線數(shù)據(jù)模塊以及相應(yīng)的RS 485接口，從而在溫室大棚中實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸和設(shè)備控制。終端采用GSM/GPRS雙頻工業(yè)模塊和2.4G-RFID無線收發(fā)模塊設(shè)計，通過GPRS方式連接到“數(shù)字大棚”應(yīng)用平臺，通過2.4GRFID與各類采集器進行無線連接，通過RS485與各類控制器進行有線連接。當(dāng)各類采集器定時采集到環(huán)境數(shù)據(jù)后發(fā)送至終端，終端通過GPRS方式發(fā)送到“數(shù)字大棚”應(yīng)用平臺。項目研發(fā)的設(shè)備能支持100個數(shù)據(jù)采集器，每個采集器能存儲50個數(shù)據(jù)。2.4G-RFID工作頻率頻段為2 415～2 512 MHz，采用全向天線，增益為4～6 dBi，檢測范圍為0～50 m，傳輸速率約為1 MB/s。內(nèi)置RS485接口，可以并接16個控制器，采用220VAC/9VDC開關(guān)電源和鎳氫充電電池供電，整機功耗小于2 W，掉電后待機12 h。通過GPRS方式連接移動互聯(lián)網(wǎng)，插上開通來電顯示和GPRS功能的SIM卡，打開電源即可工作。通過“數(shù)字大棚”應(yīng)用平臺，可實現(xiàn)終端軟件的遠程升級，并監(jiān)控終端的運行狀態(tài)。

1.3 采集器 主要作用是通過各類傳感器將溫室大棚里的環(huán)境信息采集到設(shè)備中，然后通過2.4G-RFID無線模塊傳輸?shù)健皵?shù)字大棚”智能終端。采集器采用2.4G-RFID無線收發(fā)模塊、溫濕度傳感器和功率放大器設(shè)計。內(nèi)置1 000 mAH的鋰電池，待機電流小于0.005 mA，工作時發(fā)射和接收電流小于50 mA，超低功耗，使用壽命大于3年。配合“數(shù)字大棚”終端的2.4G-RFID讀寫器和全向天線，檢測范圍可達200～500 m。可實現(xiàn)有方向性和無方向性的識別，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求，環(huán)境適應(yīng)溫度在－35～75℃，具有較好的實用性。采集器種類包括空氣溫濕度、二氧化碳氣體濃度、土壤水分和溫度等。為了有效延長2.4G-RFID模塊無線傳輸距離，開發(fā)了多級級聯(lián)功能，級聯(lián)的數(shù)量可達255級，也就是采集器既能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集也能實現(xiàn)信號中繼功能，當(dāng)GPRS斷線時，能夠確保數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)倪B續(xù)性、穩(wěn)定性，同時也有效提高了大棚數(shù)據(jù)采集的安全性和準(zhǔn)確性，并且具有良好的可拓展性。

1.4 控制器 控制器是通過RS485數(shù)據(jù)線與“數(shù)字大棚”終端進行分級連接，其主要作用就是農(nóng)戶采用短信或移動互聯(lián)網(wǎng)的方式，通過“數(shù)字大棚”終端實現(xiàn)對溫室大棚農(nóng)作物生長環(huán)境的遠程調(diào)節(jié)?？刂破鹘K端通過2.4G-RFID無線收發(fā)模塊、RS485或RS323數(shù)據(jù)線與各類控制器進行連接，用戶發(fā)出的控制指令通過“數(shù)字大棚”終端直接控制相應(yīng)的控制器，可實現(xiàn)以下設(shè)備的自動控制:保溫卷簾控制器(正反轉(zhuǎn)啟?？刂?，通風(fēng)卷簾控制器(正反轉(zhuǎn)啟?？刂?，滴灌控制器(啟?？刂?，CO2發(fā)生裝置控制器(啟?？刂??？刂平K端采用功能模塊化設(shè)計，農(nóng)戶可根據(jù)自己生產(chǎn)的實際需要，加裝相應(yīng)的控制模塊，從而實現(xiàn)不同的環(huán)境調(diào)控功能，大大提高了系統(tǒng)部署的靈活性，降低了投入成本，非常適合在非標(biāo)準(zhǔn)化的溫室中進行應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用2.4 GHz無線技術(shù)、J2EE平臺面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)技術(shù)，主要由門戶管理、業(yè)務(wù)管理和系統(tǒng)接口3大部分組成(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能示意

門戶接入是“數(shù)字大棚”平臺與客戶的邊界，通過門戶將“數(shù)字大棚”平臺的業(yè)務(wù)展現(xiàn)給客戶使用?？蛻艨赏ㄟ^手機、互聯(lián)網(wǎng)等方式登錄訪問平臺。

業(yè)務(wù)管理是面向產(chǎn)品和營銷提供的應(yīng)用支撐功能和面向平臺提供的運維支撐功能以及面向客戶應(yīng)用提供的業(yè)務(wù)功能的集合，包括業(yè)務(wù)管理、業(yè)務(wù)支撐、計費結(jié)算、農(nóng)業(yè)管理、大棚管理、短信/彩信管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理等功能。

系統(tǒng)接口部分是“數(shù)字大棚”平臺與終端、移動內(nèi)部各系統(tǒng)之間的功能集合，主要為“數(shù)字大棚”平臺提供支撐及應(yīng)用擴展功能。外部接口主要包括短信接口、終端協(xié)議接口、預(yù)留接口等。

2.1 系統(tǒng)管理 “數(shù)字大棚”平臺提供組織機構(gòu)的管理、用戶/角色/權(quán)限管理、日志管理、參數(shù)配置管理等功能，方便系統(tǒng)配置和用戶使用。

2.2 大棚管理 ①實現(xiàn)對農(nóng)戶信息、大棚信息、大棚中作物信息的增、刪、改、查和統(tǒng)計，支持web和短信。信息修改只有棚主或系統(tǒng)授權(quán)系統(tǒng)進行;除棚主外，所轄農(nóng)業(yè)主管、技術(shù)部門可以查詢。②實現(xiàn)對環(huán)境指標(biāo)的查詢和統(tǒng)計。除棚主外，所轄農(nóng)業(yè)主管、技術(shù)部門可以查詢。③統(tǒng)計一定時段內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)、設(shè)備狀態(tài)，可以導(dǎo)出excel。④實現(xiàn)設(shè)置環(huán)境告警閥值，設(shè)置設(shè)備操作觸發(fā)條件，支持web和短信指令。⑤根據(jù)環(huán)境或業(yè)務(wù)閥值的要求，通過短信或web平臺方式自動向用戶發(fā)出告警信息，提示用戶進行相關(guān)操作。可設(shè)置告警方式、周期、次數(shù)等。

2.3 設(shè)備管理 對終端信息、傳感器、控制器信息的維護。

3 系統(tǒng)特點

采用了2.4GHz-RFID有源電子標(biāo)簽技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)(GSM/GPRS或TD-SCDMA)技術(shù)相結(jié)合的方式來完成在溫室大棚溫度、濕度等信息的采集和處理工作以及農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的控制。具有以下較為突出的特點。

3.1 自動化 各類采集器自動完成溫室內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)的采集、存儲，并根據(jù)用戶的實際生產(chǎn)需求，實現(xiàn)各類環(huán)境調(diào)控設(shè)備的遠程自動控制。

3.2 智能化 用戶利用智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)，通過設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺，獲得溫室中的環(huán)境信息。當(dāng)大棚中的環(huán)境超過用戶設(shè)置的范圍時，可自動向農(nóng)戶發(fā)送各類報警信息，用戶可及時通過移動互聯(lián)網(wǎng)或手機短信方式完成對設(shè)施環(huán)境的遠程調(diào)節(jié)。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與信息查詢 用戶利用移動互聯(lián)網(wǎng)登錄設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)網(wǎng)站，查詢相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)停息，并可自動生成相關(guān)參數(shù)的變化曲線，為人工決策提供參考。

3.4 網(wǎng)絡(luò)化 充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)以及智能手機越來越普及的優(yōu)勢，通過物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)，將溫室中需要觀測的環(huán)境參數(shù)，自動連接到互聯(lián)網(wǎng)中，供需要的用戶查詢和設(shè)置。

3.5 低成本 系統(tǒng)集成了成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，針對非標(biāo)準(zhǔn)化溫室的實際建設(shè)情況，采用模塊化設(shè)計思路，建設(shè)和部署成本較業(yè)內(nèi)同樣的產(chǎn)品降低30%以上，特別適合經(jīng)濟條件較薄弱的地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 總體評價

該系統(tǒng)集成了移動數(shù)據(jù)GPRS模塊、2.4G-RFID無線收發(fā)模塊與溫濕度傳感器以及終端電路控制等目前業(yè)界最先進的信息處理和管理技術(shù)，能夠進行無線數(shù)據(jù)傳輸和遠程電路控制，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施生產(chǎn)的溫濕度自動監(jiān)測、手機短信數(shù)據(jù)即時查詢、溫度濕度超標(biāo)短信報警，通過手機短信遠程進行自動卷簾調(diào)光、卷膜通風(fēng)、CO2補充和自動節(jié)水灌溉控制等功能;系統(tǒng)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)平臺軟件，通過互網(wǎng)也能對設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)進行查詢，并能進行歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和分析。系統(tǒng)具備以下優(yōu)點:①能夠進行數(shù)據(jù)緩存，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，信號無線傳輸距離遠，抗干擾，環(huán)境適應(yīng)性強、性能穩(wěn)定。②緩存能力強，數(shù)據(jù)防沖突，信號穩(wěn)定，能耗低，讀取數(shù)據(jù)快，控制接口有良好的可拓展性，能夠進行閥值自動告警。③解決了傳統(tǒng)溫室在自動卷簾過程中可能出現(xiàn)的保溫簾翻卷過后墻的問題。④體積小、安裝簡單。通過控制各種電路的開啟以達到實現(xiàn)設(shè)施環(huán)境遠程調(diào)控的目的，可以設(shè)定電路的開啟時長以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制操作的功能，不用對大棚進行全面改造就可以實現(xiàn)相關(guān)控制系統(tǒng)的遠程操作，適合在各種類型的設(shè)施中進行部署。系統(tǒng)環(huán)境要求不高，部署方便，功能較為全面。

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