移動(dòng)終端在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究*

李 超，杜 旭，陶佳星，譚 旺，郭慷慨，曹文靖

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

移動(dòng)終端在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用研究*

李 超，杜 旭，陶佳星，譚 旺，郭慷慨，曹文靖

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

隨著近年來以手機(jī)、平板為代表的智能移動(dòng)終端技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用移動(dòng)終端本身的特性，結(jié)合良好的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)監(jiān)控，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加智能化、信息化、便攜化，同時(shí)還可大大解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的靈活性，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得智能、方便。

移動(dòng)終端；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，逐漸受到了各個(gè)相關(guān)企業(yè)，各國(guó)的政府機(jī)構(gòu)以及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與研究。其主要是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)背后存在的巨大商業(yè)價(jià)值與科學(xué)前景[1]。但從目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形式來看還處于初步階段。實(shí)際上物聯(lián)網(wǎng)這一概念最實(shí)質(zhì)的概念在于兩點(diǎn)，一個(gè)是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的形式進(jìn)行物與物之間，物與用戶之間信息交互。但像移動(dòng)終端與物的通信只有兩種；一種是接觸式，就是設(shè)備與設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線進(jìn)行連接；另一種為非接觸式，即通過各種通信協(xié)議進(jìn)行未接觸式傳播。物聯(lián)的另一個(gè)實(shí)質(zhì)性問題是在于感知。通過無線傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。感知信息是物聯(lián)的主要的組成部分，也是信息的主要來源。

在被稱為信息時(shí)代的今天，怎樣更實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的獲取信息已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)的目標(biāo)追求。只有獲取更有效的信息才能合理的規(guī)劃、協(xié)調(diào)、管理和控制各方面的資源。而在這方面大眾關(guān)注的一直在工業(yè)方面。在被稱為農(nóng)業(yè)大國(guó)的中國(guó)，其農(nóng)業(yè)智能化方面的研究少之又少。在移動(dòng)終端功能日益強(qiáng)大的今天，如何讓移動(dòng)終端對(duì)農(nóng)業(yè)的信息進(jìn)行有效的應(yīng)用，儼然已成為我們關(guān)注的問題。

本研究的主要目的是如何把移動(dòng)終端和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程有效的結(jié)合使用。使農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、種植、培育以及土壤的溫濕度、氣候方面進(jìn)行檢測(cè)保證農(nóng)作物生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，解決老百姓的后顧之憂；另外實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)于農(nóng)作物的生產(chǎn)也將起到很大的促進(jìn)與改進(jìn)作用，拉近了人與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的距離。通過加強(qiáng)這種動(dòng)態(tài)的管理，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)的資源調(diào)配、人力協(xié)調(diào)、農(nóng)作物的旱澇、肥料施加等方面的合理準(zhǔn)確的管理。

1 移動(dòng)終端在系統(tǒng)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是工業(yè)自動(dòng)化軟件的重要分支，所謂組態(tài)就是利用工控軟件中提供的工具和方法來完成工程中的某一具體任務(wù)的過程。組態(tài)軟件主要具備以下功能及特征：工業(yè)過程動(dòng)態(tài)可視化、數(shù)據(jù)采集和管理、過程監(jiān)控與報(bào)警、生成報(bào)表、為其他企業(yè)級(jí)程序提供數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)單的控制、批次處理等本系統(tǒng)就是根據(jù)其中的一些進(jìn)行組建，在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有移動(dòng)終端、互聯(lián)網(wǎng)、組態(tài)云屏、總線網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制終端、傳感器和被控設(shè)備等。在整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用中，移動(dòng)終端在其中負(fù)責(zé)人機(jī)交互的作用，移動(dòng)終端通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)訪問組態(tài)云屏中的數(shù)據(jù)庫，組態(tài)云屏通過工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)訪問并控制多個(gè)遠(yuǎn)程控制終端，并將得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程控制終端負(fù)責(zé)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制被控設(shè)備的具體操作[2]。整體框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)中共分為6層：

1)移動(dòng)終端層：主要是完成人機(jī)交互的作用，提供顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)的窗口和控制輸入的移動(dòng)平臺(tái)。

2)互聯(lián)網(wǎng)層：提供移動(dòng)終端到主機(jī)服務(wù)器的通信的技術(shù)平臺(tái)，在移動(dòng)終端和主機(jī)服務(wù)器之間建立可靠的連接路徑。

圖1 移動(dòng)終端在系統(tǒng)中的應(yīng)用方案整體框圖

3)主機(jī)服務(wù)器層：是整個(gè)系統(tǒng)的核心層，向上它負(fù)責(zé)提供移動(dòng)終端訪問的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，向下完成對(duì)總線互連層上的設(shè)備進(jìn)行訪問與控制的作用。

4)總線互連層：完成多個(gè)設(shè)備的訪問連接的物理線路，可采用有線連接(如RS485)，也可采用無線連接(如ZigBee)?？赏ㄟ^移植統(tǒng)一的通信協(xié)議(如Modbus協(xié)議)進(jìn)行統(tǒng)一有效的通信。

5)控制單元層：完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和對(duì)被控制設(shè)備的輸出，如采集溫度傳感器數(shù)據(jù)和對(duì)水泵的控制等。

6)傳感器和被控設(shè)備層：負(fù)責(zé)完成具體操做的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如水泵、電磁閥、溫度傳感器等。

2 移動(dòng)終端在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用開發(fā)

在某農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中的“水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集”和“采摘園大棚智能控制”兩個(gè)子項(xiàng)目中，我們采用了移動(dòng)終端在系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了通過移動(dòng)終端瀏覽和控制功能的工程應(yīng)用。

2.1 水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目

本系統(tǒng)主要通過結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和SNWSCADA手機(jī)組態(tài)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、規(guī)?；乃敬哐可a(chǎn)。水稻催芽過程中至關(guān)重要的兩項(xiàng)因素是溫度和水分，因傳統(tǒng)的催芽方式不能對(duì)這兩項(xiàng)因素進(jìn)行精確的控制，便常常出現(xiàn)種子成活率低、爛種、燒種、稻芽瘦弱和全部死亡等現(xiàn)象，農(nóng)戶因此遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，本系統(tǒng)不僅能對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行精確的控制，而且能對(duì)水稻生產(chǎn)中的各個(gè)階段進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1.1 水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

該套遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)系統(tǒng)由主機(jī)、無線ZigBee網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集終端組成。系統(tǒng)采用高性能的ZigBee組網(wǎng)模塊接合Modbus協(xié)議[3]，通過工業(yè)級(jí)RS485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。另外采集使用鋰電池供電的采集模塊，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)布線的煩惱，由接收模塊接收數(shù)據(jù)上傳到云屏，系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過程整體構(gòu)建如圖2所示。

圖2 水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集整體構(gòu)建圖

2.1.2 水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集主機(jī)部分

主機(jī)服務(wù)器及移動(dòng)終端的界面開發(fā)是采用CNWSCADA組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)，該開發(fā)平臺(tái)集成單機(jī)版組態(tài)軟件、WEB發(fā)布、安卓APP、蘋果APP、花生殼穿透等功能，既具備常用組態(tài)軟件的功能(如Intouch，Wincc，IFIX，組態(tài)王，力控等)，更有其特質(zhì)：自動(dòng)生成APP、支持互聯(lián)網(wǎng)穿透、支持3D、支持百度地圖、支持萬能協(xié)議、報(bào)警方式多樣化(短信、郵件、APP推送報(bào)警、微信)。配套軟件又分為人機(jī)交換版本(CNWHMI_Touch)和網(wǎng)絡(luò)版本(CNW網(wǎng)絡(luò)版_PC)兩個(gè)版本[4]。

使用開發(fā)軟件開發(fā)出的水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集界面，如圖3所示。

在終端設(shè)備上實(shí)際應(yīng)用效果，如圖4所示。

2.2 采摘園大棚智能控制項(xiàng)目

采摘園大棚智能控制系統(tǒng)集傳感器、自動(dòng)化控制、通訊、計(jì)算等技術(shù)于一體，通過用戶自定義作物生長(zhǎng)所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建大棚智能化軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚中溫濕度、光照、CO2濃度等因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。

該系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子，如溫濕度、光照、CO2濃度等，以適應(yīng)不同生物生長(zhǎng)繁育的需要，它由智能監(jiān)控單元組成，按照預(yù)設(shè)參數(shù)，精確的測(cè)量大棚的環(huán)境、土壤參數(shù)等，程序所需的數(shù)據(jù)都是通過各類傳感器實(shí)時(shí)采集的。

該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個(gè)理想的生長(zhǎng)環(huán)境，并能起到減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高設(shè)備利用率、改善大棚氣候、減少病蟲害、增加作物產(chǎn)量等作用。

圖3 水稻催芽車間遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制開發(fā)界面

圖4 終端設(shè)備上應(yīng)用界面

2.2.1 采摘園大棚智能控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)主要由四大部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)管理中心部分、移動(dòng)終端部分[5]。采摘園大棚物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖5所示。

1) 移動(dòng)終端層(遠(yuǎn)程操作中心)：硬件主要包含手機(jī)、平板手機(jī)、平板電腦、筆記本等終端設(shè)備，在設(shè)備瀏覽器上通過設(shè)置的服務(wù)器IP及端口號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸和訪問，還可通過P2P的方式實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)穿透，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。軟件部分包含CNWSCADA(網(wǎng)絡(luò)版)組態(tài)瀏覽器和手機(jī)APP(TsBrowser)。

2) 數(shù)據(jù)管理層(云平臺(tái)/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫)：硬件主要包括：工作站電腦、服務(wù)器；軟件主要包括：數(shù)據(jù)庫軟件、采摘大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)(采用B/S結(jié)構(gòu)，可以支持在廣域網(wǎng)進(jìn)行瀏覽查看)。

3) 數(shù)據(jù)傳輸層(數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò))：采用ZigBee模塊傳輸數(shù)據(jù)，該模塊具備中繼路由和終端設(shè)備功能，支持有線TTL、RS232、485與無線ZigBee的相互轉(zhuǎn)換，通過無線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；系統(tǒng)無需布線構(gòu)建簡(jiǎn)單、快捷、穩(wěn)定；ZigBee模塊無線組網(wǎng)模式具有：數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號(hào)覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、運(yùn)行成本低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

圖5 采摘園大棚智能控制架構(gòu)

4) 數(shù)據(jù)采集層(大棚硬件設(shè)備)：遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備：遠(yuǎn)程監(jiān)控終端；傳感器：溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器；控制設(shè)備：水閥、噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽幕等。

2.2.2 采摘園大棚智能控制界面(見圖6)

圖6 采摘園大棚智能控制開發(fā)界面

通過以上兩個(gè)項(xiàng)目可以看出移動(dòng)終端在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)在靈活性上，可以快速的對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)情況進(jìn)行了解，也可以進(jìn)行快速控制，可以解放大量的生產(chǎn)力，同時(shí)增加人們的空余時(shí)間來提高生活水平，而且方便管理和監(jiān)控。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是通過建立多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的方式采集所需要的采集信息，由Modbus協(xié)議結(jié)合RS485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和ZigBee模塊進(jìn)行組網(wǎng)，利用云數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)大功能，采用移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。在水稻催芽車間系統(tǒng)和采摘園大棚智能控制兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，通過設(shè)置相應(yīng)的IP，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用。另外，該套系統(tǒng)方案在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域之外也有較高的應(yīng)用價(jià)值[6]，如智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

[1] 崔振山，馬春光，李迎濤.物聯(lián)網(wǎng)感知層的安全威脅與安全技術(shù)[J].保密科學(xué)技術(shù)，2012(11):61-65.

[2] 佚名.回顧與展望——組態(tài)軟件的發(fā)展[J].自動(dòng)化信息,2008(10):11.

[3] 楊更更.MODBUS軟件開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[4] CNWSCADA(Version6.4.4)User’s Guide [K]，2016.

[5] 彭思翔.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園建設(shè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展方向研究[J].電子世界，2017(4):91+93.

[6] 郭晨鮮,蘇玉.電子信息技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與研究[J].電子世界,2016(22):108-109.

Research on the Application of Mobile Terminal in Agricultural IOT

Li Chao, Du Xu, Tao Jiaxing, Tan Wang, Guo Kangkai, Cao Wenjing

(SchoolofInformationandElectronicTechnology，JiamusiUniversity，JiamusiHeilongjiang154007,China)

In recent years, with the continuous development of mobile phone and tablet which as the representative of intelligent terminal technology and networking technology, the characteristics of the mobile terminal itself, combined with the design of good agricultural Internet of things, can achieve rapid real-time monitoring of agricultural production. The agricultural production has become more intelligent, information-based, portable, and can greatly liberate the productive forces, improve the production efficiency, improve the agricultural production flexibility, then make the agricultural production becoming intelligent and convenient.

mobile terminal; agricultural internet of things; remote monitoring

2017-04-20

2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610222002)

李 超(1991- )，男，河南周口人，本科，研究方向：電子信息與通信。

杜 旭(1973- ),男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工程應(yīng)用。

1674- 4578(2017)03- 0081- 04

TN929.5

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