數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

姚佳+李濤

摘 要：在智慧農(nóng)業(yè)中，感知層前端傳感器采集的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行收集、傳輸并聯(lián)動(dòng)控制后端設(shè)備。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式對(duì)硬件運(yùn)維環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸條件要求高、硬件成本高，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的多樣化場(chǎng)景。在這種背景下，ARM芯片微控制器被應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)中，以降低投資成本、提供高效的數(shù)據(jù)處理能力，并可應(yīng)用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多種生產(chǎn)場(chǎng)景中。文中闡述了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ARM；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)；傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-02

0 引 言

目前，在全球人口持續(xù)增長(zhǎng)、耕地不斷減少、自然資源匱乏的情況下，農(nóng)業(yè)的高效增產(chǎn)、綠色環(huán)保、有機(jī)天然備受關(guān)注。研發(fā)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能化操作終端、建立農(nóng)業(yè)信息化數(shù)據(jù)庫來精準(zhǔn)耕作、指導(dǎo)生產(chǎn)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)業(yè)應(yīng)用平臺(tái)、生產(chǎn)物聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大系統(tǒng)利用感知硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)、云計(jì)算方法，來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息數(shù)字化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)管理智能化，從而構(gòu)建低碳節(jié)能、高效高產(chǎn)、綠色生態(tài)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展需要經(jīng)過“培育、成長(zhǎng)和成熟”的過程，預(yù)計(jì)成熟應(yīng)用將在2020年前后。我國仍然以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式為主，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平是日本的1/90，法國的1/11，美國的1/5，這種狀況不僅與發(fā)達(dá)國家難以比擬，而且低于世界平均水平。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備、智能控制應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、造價(jià)過高、缺少規(guī)?；?，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)集成度低、整體效能差。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)溫度、降雨量及濕度、風(fēng)、光照等種植環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控，可有效避免85%以上病蟲害的發(fā)生。我國傳感器規(guī)模約1 500萬只/年，并保持每年10%的增長(zhǎng)率。由于這些傳感器來自不同的廠家，因此接口、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。同時(shí)，所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要傳輸，而農(nóng)業(yè)環(huán)境供電、布線困難，導(dǎo)致所采集的數(shù)據(jù)各自為營，很難將其集中統(tǒng)一提供給上層應(yīng)用平臺(tái)。另外，對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施、器械的控制使用也耗費(fèi)了大量人力、物力。

數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)可以適配主流傳感器廠商的主流產(chǎn)品，統(tǒng)一前端傳感器采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式，內(nèi)置SIM卡模塊及程序控制模塊，既可以使用有線傳輸也可以通過M2M物聯(lián)網(wǎng)卡傳輸，并且經(jīng)過上層應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析后，可以自動(dòng)或手動(dòng)地對(duì)農(nóng)用設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

1 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的原理

目前，業(yè)內(nèi)對(duì)前端傳感器的數(shù)據(jù)采集支持485總線接入，該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可以接入各種端口的傳感器設(shè)備，并統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，傳輸給上層平臺(tái)。

數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源、DC/DC，ARM，ADC，PGA，GPRS網(wǎng)絡(luò)接口以及MCU等組成。ARM芯片上集成了眾多外設(shè)，具有八通道10位ADC，可并行接入8個(gè)傳感器設(shè)備信號(hào)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，傳輸方式靈活，既可采用有線網(wǎng)絡(luò)也可采用無線網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)各種不同場(chǎng)景的需求。通過信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)一輸出數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

ARM芯片采用RISC結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）所有指令可以根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率；

（2）通過加載/存儲(chǔ)指令來批量傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率；

（3）可同時(shí)完成一條處理指令的邏輯處理和移位處理；

（4）循環(huán)處理時(shí)，通過地址自動(dòng)增減來提高運(yùn)行效率。

數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)嵌入無線通信模塊，通過物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行GPRS PPP撥號(hào)上網(wǎng)，獲得一個(gè)由聯(lián)通隨機(jī)分配的內(nèi)部IP地址，ULG主動(dòng)發(fā)起與數(shù)據(jù)中心的通信連接，并保持。因IP地址不固定，只能由ULG主動(dòng)連接數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心的公網(wǎng)IP地址或固定的域名作為參數(shù)存儲(chǔ)在ULG內(nèi)，以便ULG上電撥號(hào)成功后主動(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心。

對(duì)于ULG來說，只要建立了與數(shù)據(jù)中心的雙向通信，完成用戶串口數(shù)據(jù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換就相對(duì)簡(jiǎn)單了。一旦接收到用戶的串口數(shù)據(jù)，ULG就立即把串口數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)TCP/UDP包里，發(fā)送給數(shù)據(jù)中心；反之，當(dāng)ULG收到數(shù)據(jù)中心發(fā)來的TCP/UDP包時(shí)，從中取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，立即通過串口發(fā)送給用戶設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用

本文所提架構(gòu)使采集控制傳輸成為一體化設(shè)備，ARM芯片上可集成各種模塊，簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，節(jié)省硬件投資成本；具有多通道ADC，可并行接入多個(gè)傳感器設(shè)備信號(hào)，可擴(kuò)展性強(qiáng)；傳輸方式靈活，即可采用有線網(wǎng)絡(luò)也可采用無線網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)各種不同場(chǎng)景的需求；通過信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，可采集不同品牌、接口類型的傳感器數(shù)據(jù)，統(tǒng)一輸出數(shù)據(jù)格式；體積小，方便放置，減少傳感器布線和維護(hù)成本。

基于ARM的數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用如圖2所示。在智慧農(nóng)業(yè)大田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中，將采集到的前端傳感器檢測(cè)的土壤溫濕度、農(nóng)業(yè)“四情”等數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過數(shù)據(jù)采即傳輸控制系統(tǒng)對(duì)后端設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，包括自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、水肥一體化等。與傳統(tǒng)的灌溉方式和施肥技術(shù)相比，能節(jié)水、節(jié)肥85%以上。

自動(dòng)化農(nóng)業(yè)溫室大棚如圖3所示。首先，數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)采集前端傳感器的實(shí)時(shí)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息和實(shí)時(shí)視頻信息；然后，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式后上傳到數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行分析；最后，聯(lián)動(dòng)控制后端的風(fēng)機(jī)、遮陽幕、補(bǔ)光燈的自動(dòng)開啟關(guān)閉，從而為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境，節(jié)省人力、提高產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品附加值。

智慧畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖4所示。數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)采集傳感器檢測(cè)到的棚舍內(nèi)的溫濕度，光照度，O2，CO2，NH3等氣體濃度，待環(huán)境數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)則數(shù)據(jù)后聯(lián)動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、遮陽幕等，為動(dòng)物提供更好的生活環(huán)境，并可自動(dòng)添水添料。通過定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的精準(zhǔn)定位，防止丟失。同時(shí)，使用電子耳標(biāo)采集從出生到屠宰加工的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到溯源的目的。

智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖5所示。數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)采集圈內(nèi)的實(shí)時(shí)視頻信息、水質(zhì)溫度、水質(zhì)溶解氧、水質(zhì)pH值、水質(zhì)氨氮含量、液位等參數(shù)，聯(lián)動(dòng)控制后端自動(dòng)增氧、自動(dòng)投食等設(shè)備，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，對(duì)疾病進(jìn)行有效預(yù)防，達(dá)到省時(shí)省力、增產(chǎn)增收的目的。

3 結(jié) 語

基于ARM的數(shù)據(jù)采集傳輸控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，有效解決了農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備安裝問題，并且接口多樣、擴(kuò)展靈活，硬件成本低，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、應(yīng)用靈活，大大加快了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，勢(shì)必將在未來智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。

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