蘋果果園環(huán)境信息采集與推送研究

樊景超+丘耘+夏雪+周國民

摘 要：針對(duì)蘋果果園監(jiān)控現(xiàn)場偏遠(yuǎn)，受氣候影響較大，監(jiān)控和管理困難等特點(diǎn)，研究了以GPRS作為無線通訊方式的果園環(huán)境信息采集與推送的關(guān)鍵技術(shù)：即利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將果園內(nèi)空氣、土壤溫濕度等生產(chǎn)環(huán)境信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)叫畔⒉杉行姆?wù)器，并使用Web Service及安卓推送服務(wù)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)上信息推送，為用戶提供果園環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的相關(guān)技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為農(nóng)業(yè)信息傳輸?shù)摹白詈笠还铩眴栴}提供了一種便捷的解決方案。

關(guān)鍵詞：果園；信息采集；推送

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.014

Abstract：According to the apple orchard field remote monitoring， influenced by the climate largely， with monitoring and management difficulties and other characteristics， studied the key technology using GPRS as a wireless communication of orchard environment information collecting and pushing： using GPRS network to remotely transmit production information including air in the orchard， soil temperature and humidity environment to the central server of information collection center. The implementation of Web Service and Android smart phone push service on information provides related technical orchard environment remote monitoring for the user. The results showed that this research could provide a convenient solution for the agricultural information transmission "last one kilometer" problem.

Key words： orchard； information collecting； pushing

我國是一個(gè)水果大國，果樹種植具有地域分布廣泛、生產(chǎn)環(huán)境差異大等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)果樹生產(chǎn)管理主要憑借果農(nóng)長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測進(jìn)行判斷，果農(nóng)既是果園生產(chǎn)環(huán)境的“傳感器”，又是果園管理的“控制器”[2]，這無疑就限制了果樹的產(chǎn)量及質(zhì)量，不能獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于果樹生長以及生產(chǎn)進(jìn)行管理決策，首先要有果樹生長環(huán)境現(xiàn)場的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)來進(jìn)行支持，也就是說果樹生長環(huán)境中的空氣溫度濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和土壤濕度等一系列參數(shù)是生長管理決策的基礎(chǔ)[3]。因此，對(duì)蘋果果園生產(chǎn)環(huán)境信息的采集、傳輸與存儲(chǔ)，是進(jìn)行果園生產(chǎn)管理的先決條件和基礎(chǔ)。

另一方面，我國地域廣闊、農(nóng)戶分散，政府投入少，大部分農(nóng)村地區(qū)的信息化水平較低，電腦普及率不高，基于計(jì)算機(jī)的信息推送模式已經(jīng)成為數(shù)字農(nóng)業(yè)的“最后一公里”問題的瓶頸[4]。近年來，隨著手機(jī)尤其是智能手機(jī)的普及，以其作為平臺(tái)開發(fā)的服務(wù)程序或客戶端越來越多，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。智能手機(jī)平臺(tái)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合無疑是對(duì)農(nóng)業(yè)信息推送的有益補(bǔ)充。

本研究使用傳感器、GPRS網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)等技術(shù)將果園生產(chǎn)環(huán)境信息在不同的設(shè)備之間進(jìn)行傳輸與格式轉(zhuǎn)換，最終形成果園生產(chǎn)信息的采集—傳輸與存儲(chǔ)—推送的一體化信息鏈條，為果農(nóng)對(duì)果園的精準(zhǔn)管理提供技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計(jì)

本研究將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3個(gè)部分，主要有果園數(shù)據(jù)信息采集、傳輸與存儲(chǔ)層和信息推送。其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸部分主要完成空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速（2 min）、風(fēng)向（2 min）的自動(dòng)采集，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮打包后經(jīng)GPRS通信模塊傳送給上一層；傳輸與存儲(chǔ)模塊部分把果園經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器解析后，將得到的有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；信息推送部分將采集到的果園生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)通過Web應(yīng)用服務(wù)器和Web Service兩種方式推送給不同的果農(nóng)用戶。圖1為本研究的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 信息采集硬件設(shè)計(jì)

進(jìn)行果園生產(chǎn)環(huán)境信息采集主要解決3個(gè)方面的問題：首先是果園環(huán)境溫濕度變化大并伴隨風(fēng)沙、雨雪等惡劣氣候，這就要求暴露在戶外果園中的各種傳感器具有較好的適應(yīng)能力及密封性和耐腐蝕性；其次果園位置大多相對(duì)偏遠(yuǎn)，受條件限制一般沒有電力鋪設(shè)，這就要求系統(tǒng)自身能夠使用太陽能提供電力供應(yīng)并保證電源穩(wěn)定可靠；最后是通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)必須要穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)層，這就對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的選擇提出了一定的要求。

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

果園信息的采集既要考慮性能采集信息的穩(wěn)定可靠，又要考慮經(jīng)濟(jì)成本以便于推廣應(yīng)用。經(jīng)過多方調(diào)研選型，本研究選用富奧通公司生產(chǎn)的FRT-LC低成本自動(dòng)氣象站、FRT GT02型土壤溫度傳感器和FRT SM-2型土壤濕度傳感器采集果園生產(chǎn)環(huán)境信息。FRT-LC型氣象站可進(jìn)行常規(guī)的環(huán)境溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量和光照等基本氣象要素的觀察，同時(shí)該氣象站自帶LCD彩屏可方便查看[5]。

傳感器指標(biāo)如下[5]：大氣溫度傳感器測量范圍為-40～60 ℃，測量精度±1 ℃，測量分辨率0.1 ℃；大氣濕度傳感器測量范圍為1%～99%RH，測量精度±5%；雨量傳感器工作范圍為0～9 999 mm，測量精度±10%，測量分辨率分別是0.3 mm（降雨量≤1 000 mm）和1 mm（降雨量>1 000 mm）；風(fēng)速傳感器0～50 m·s-1，誤差精度±1 m·s-1；風(fēng)向傳感器0°～360°，測量精度為5°；光照強(qiáng)度傳感器測量范圍為0～400 lx，測量精度±15%；大氣壓力傳感器測量范圍為300～1 100 hPa，測量精度為±3 hPa；FRT GT02型土壤溫度傳感器測量范圍為-50～100 ℃，測量精度±0.2 ℃；FTR SM-2土壤濕度傳感器的測量范圍為0%～100%RH（m3·m-3），測量精度±3%。

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)的全天候運(yùn)行，系統(tǒng)供電模塊選用太陽能電池板和蓄電池結(jié)合的供電方式即小型太陽能供電系統(tǒng)[6]。供電模塊主要包括20 W太陽能電池板、17 Ah小型蓄電池和太陽能控制器三部分。太陽能電池板是整個(gè)供電系統(tǒng)的核心，它實(shí)際上是一種半導(dǎo)體器件，主要作用是將太陽能輻射轉(zhuǎn)換成電能為蓄電池充電。當(dāng)系統(tǒng)在夜晚和無光照的陰雨天工作時(shí)使用蓄電池進(jìn)行供電，蓄電時(shí)使用鉛酸電池，在無光條件下可為系統(tǒng)供電8～10 h。太陽能控制器的作用是對(duì)蓄電池的充電電流和電壓進(jìn)行控制，使其保持在正常范圍內(nèi)，避免過充、過放現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊選用的是富奧通公司的FRT DT60型數(shù)據(jù)采集器，該采集器是一種多功能集成化的數(shù)據(jù)采集器，內(nèi)部設(shè)計(jì)了多種傳感器參數(shù)的采集處理程序，同時(shí)預(yù)留了多種工業(yè)接口便于擴(kuò)展[7]。采集器主要參數(shù)如下：內(nèi)置4 G存儲(chǔ)卡；內(nèi)置GPRS通信模塊；通訊方式為2個(gè)RS232接口和一個(gè)485接口；供電電壓DC 6～35 V；功率小于0.2 W；工作環(huán)境為-40 ～60 ℃（溫度）和0%～100%RH（濕度）。

3 數(shù)據(jù)傳輸與解析存儲(chǔ)

由傳感器采集的果園環(huán)境數(shù)據(jù)需要經(jīng)過采集器的GPRS模塊發(fā)送給內(nèi)置好IP地址的服務(wù)器進(jìn)行接收。服務(wù)器端接收采用Socket網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，通過端口監(jiān)聽線程實(shí)時(shí)監(jiān)聽用戶指定的端口。為保障數(shù)據(jù)可靠性降低丟包率，數(shù)據(jù)傳輸采用UDP進(jìn)行連接。當(dāng)監(jiān)聽到UDP請(qǐng)求則接受請(qǐng)求并建立連接，同時(shí)啟動(dòng)據(jù)接收線程接收該UDP連接發(fā)來的數(shù)據(jù)。

解析服務(wù)器按照約定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析并驗(yàn)證完整性及合法性，如果合法就進(jìn)一步解析，從而得到一條有效的數(shù)據(jù)，每一條數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括設(shè)備編號(hào)、設(shè)備電壓，采集時(shí)間和所有傳感器的數(shù)值。如果不合法，則丟棄該數(shù)據(jù)包。解析得到的有效數(shù)據(jù)通過ADO.NET方便高效地存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，本研究將數(shù)據(jù)接收和儲(chǔ)存都放在同一臺(tái)服務(wù)器中。

4 信息推送

針對(duì)農(nóng)村信息化水平的差異，本研究實(shí)現(xiàn)了2種模式的信息推送：一種是基于PC平臺(tái)的瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B/S），這種模式要求農(nóng)民家中有計(jì)算機(jī)并有一定的計(jì)算機(jī)操作知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)；另一種是基于Web Service和Android智能手機(jī)，這種模式要求農(nóng)民具有一部Android智能手機(jī)并有一定的Android客戶端操作經(jīng)驗(yàn)即可。果園信息采用圖表相結(jié)合的方式進(jìn)行信息推送，用戶通過瀏覽器查看當(dāng)前果園的環(huán)境信息，如圖2所示。

Web Services是獨(dú)立的、模塊化的應(yīng)用，能夠通過因特網(wǎng)來描述、發(fā)布、定位以及調(diào)用，它采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA），包括3個(gè)部分：服務(wù)提供者提供服務(wù)；服務(wù)請(qǐng)求者使用服務(wù)；服務(wù)注冊(cè)服務(wù)[8]。.NET平臺(tái)提供了對(duì)服務(wù)描述、實(shí)現(xiàn)、發(fā)布和調(diào)用等的支持，可以高效地構(gòu)建起所需的Web Service。本研究為實(shí)現(xiàn)果園信息的推送，研究并實(shí)現(xiàn)了2個(gè)Web Service：一個(gè)是用于用戶注冊(cè)和登錄權(quán)限驗(yàn)證；另一個(gè)是用戶查詢果園環(huán)境數(shù)據(jù)的更新檢查和數(shù)據(jù)推送服務(wù)。

安卓智能手機(jī)客戶端的信息推送流程如圖3所示。果農(nóng)點(diǎn)擊應(yīng)用程序后，首先通過Web Service進(jìn)行用戶的注冊(cè)與登錄，登錄完成后在手機(jī)上創(chuàng)建本地用戶數(shù)據(jù)庫用于記錄用戶信息及果園環(huán)境信息。用戶在個(gè)人設(shè)置里制定信息推送的方式和定制內(nèi)容：定制方式分為按天推送、按小時(shí)推送和按分鐘推送，同時(shí)選擇推送的時(shí)間間隔；定制內(nèi)容是由用戶自主選擇需要的果園信息。在完成個(gè)人推送定制后，系統(tǒng)在后臺(tái)啟動(dòng)服務(wù)與Web Service進(jìn)行通信并比對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)，符合推送規(guī)則的數(shù)據(jù)系統(tǒng)將在手機(jī)通知欄發(fā)送一條通知消息，用戶點(diǎn)擊該消息查看推送的果園環(huán)境信息。

傳統(tǒng)安卓手機(jī)客戶端使用基于java語言的Eclipse開發(fā)工具，而Web Service是在基于C#語言的.NET平臺(tái)下開發(fā)的，完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)要求開發(fā)者掌握兩套開發(fā)語言和工具平臺(tái)，這大大增加了開發(fā)強(qiáng)度。為了解決這個(gè)難題，本研究對(duì)安卓手機(jī)客戶端的開發(fā)使用Mono For Android軟件工具。Mono for Android由Novell推出，業(yè)界首個(gè)使用Microsoft Visual Studio為Android平臺(tái)開發(fā)Microsoft .NET應(yīng)用程序的解決方案。Mono for Android是一個(gè)運(yùn)行時(shí)和開發(fā)堆棧。.NET程序員可以充分利用他們現(xiàn)有的Visual Studio和C#知識(shí)為基于Android的智能設(shè)備開發(fā)應(yīng)用程序[9]。圖4是用戶的信息推送定制界面，圖5是系統(tǒng)的通知消息界面，圖6是系統(tǒng)顯示的果園環(huán)境信息。

5 系統(tǒng)測試

為了測試本文所研究技術(shù)的可行性，系統(tǒng)首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝部署和調(diào)試，通過本地測試后，系統(tǒng)于2013年安裝在洛川蘋果果園開展信息采集與推送工作。整個(gè)系統(tǒng)一直工作至今，運(yùn)行統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了果農(nóng)足不出戶即可掌握果園環(huán)境信息的目標(biāo)。從使用效果上看，系統(tǒng)可以及時(shí)提供詳細(xì)、準(zhǔn)確的果園生產(chǎn)環(huán)境信息，具有顯著的社會(huì)效益和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。雖然本研究的相關(guān)技術(shù)是針對(duì)蘋果果園環(huán)境信息的，但是整個(gè)方案可以移植到其他農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物的信息采集與推送工作中，因而具有一定的借鑒意義。

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