基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

楊英茹，高欣娜，黃 媛，高 燕，李海杰，郝曉蘭，岳趙寒

（石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050041）

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)以構(gòu)建基于WEB的組態(tài)化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為目標(biāo)，圍繞“信息感知—采集傳輸—平臺(tái)建設(shè)—應(yīng)用服務(wù)”等關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，研制系列農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器、采集和傳輸設(shè)備，構(gòu)建基于WEB的組態(tài)化軟件應(yīng)用平臺(tái)，形成完整的技術(shù)體系，建立既能實(shí)現(xiàn)信息感知、信息采集傳輸、分析處理和應(yīng)用服務(wù)等相對(duì)獨(dú)立使用的軟硬件技術(shù)產(chǎn)品，又能構(gòu)建在統(tǒng)一環(huán)境下集成應(yīng)用的綜合服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)[2]。系統(tǒng)方案如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)從農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知、信息采集傳輸、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)及推廣服務(wù)等4個(gè)方面開(kāi)展，針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層數(shù)據(jù)獲取需求，研究面向土壤信息、水環(huán)境信息、空氣環(huán)境以及作物生理生態(tài)的感知技術(shù)，研制系列農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感器，通過(guò)研究低功耗無(wú)線傳輸、遠(yuǎn)程傳輸、標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議等共性關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出高性能的采集傳輸設(shè)備[3]；通過(guò)GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線電臺(tái)以及有線網(wǎng)絡(luò)等完成信息交換；通過(guò)信息融合技術(shù)、信息采集構(gòu)件技術(shù)、終端系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立，構(gòu)建基于WEB的組態(tài)化農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái)[4]，針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象，提供個(gè)性化的服務(wù)。

2 設(shè)計(jì)思路

（1）針對(duì)關(guān)鍵農(nóng)業(yè)環(huán)境感知技術(shù)產(chǎn)品缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)狀，綜合運(yùn)用光學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)、電子、人工智能、自動(dòng)控制以及無(wú)線通信等技術(shù)，圍繞土壤環(huán)境信息、水環(huán)境信息、空氣環(huán)境信息等進(jìn)行信息感知等關(guān)鍵技術(shù)研究，突破某些農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知技術(shù)瓶頸，研制出高性價(jià)比的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知技術(shù)產(chǎn)品[5]。

（2）針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中信息采集與傳輸技術(shù)產(chǎn)品相對(duì)較少、傳輸性能不穩(wěn)定以及智能化程度低等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了適合不同應(yīng)用區(qū)域和對(duì)象的信息采集和傳輸系列產(chǎn)品[6]。

（3） 面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的共性技術(shù)需求，開(kāi)發(fā)基于WEB的組態(tài)化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以組件的形式提供傳感器、閥門、電機(jī)等農(nóng)業(yè)測(cè)控設(shè)備及測(cè)控目標(biāo)，通過(guò)可視化的界面，快速開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)[7]。

圖1 系統(tǒng)方案Fig.1 System scheme

（4）注重試驗(yàn)示范與推廣應(yīng)用，研發(fā)和應(yīng)用并重，適時(shí)對(duì)產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)示范，進(jìn)一步完善產(chǎn)品性能和系統(tǒng)功能，加快成熟產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，建立完善的推廣組織體系；依托基層技術(shù)推廣部門、農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)、大型國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，建立“研究—示范—完善—再示范”的應(yīng)用體系和推廣網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層數(shù)據(jù)獲取需求，基于低功耗、無(wú)線化、多點(diǎn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)理念，研究高頻振蕩、擴(kuò)頻通信、低功耗低頻無(wú)線信號(hào)喚醒、無(wú)線自組網(wǎng)信息獲取、狹縫衍射、差分熒光探測(cè)、光路共聚焦等技術(shù)，研制了土壤信息傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、水環(huán)境傳感器及作物生理傳感器等4類農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備[8]。

3.1.1 土壤信息傳感器 針對(duì)當(dāng)前土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備精度低、實(shí)用性差、安裝困難等問(wèn)題，提出了低功耗、無(wú)線化、多點(diǎn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)理念，研究了低功耗高頻振蕩、擴(kuò)頻通信、低功耗低頻無(wú)線信號(hào)喚醒等技術(shù)，研制了低功耗土壤水分、土壤溫度、多剖面土壤水分、土壤三參數(shù)等系列傳感器和無(wú)線空氣溫濕度、無(wú)線光照以及無(wú)線CO2等系列環(huán)境傳感器，解決了土壤水分監(jiān)測(cè)精度低、適用性差、設(shè)備安裝維護(hù)成本高等問(wèn)題，提供了農(nóng)田墑情監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化解決方案，實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能的自動(dòng)信息監(jiān)測(cè)[9]。

3.1.2 無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器 有線傳感器需要使用電纜進(jìn)行供電和信號(hào)傳輸，限制了傳感器的安裝位置，增加了施工難度。針對(duì)這一問(wèn)題，研究了低功耗無(wú)線自組網(wǎng)信息獲取技術(shù)，開(kāi)發(fā)了系列低功耗無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，包括無(wú)線土壤溫度、無(wú)線土壤水分、無(wú)線空氣溫濕度、無(wú)線光照等系列無(wú)線傳感器[10]。產(chǎn)品采用星型網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)（增加中繼），傳感器節(jié)點(diǎn)按照設(shè)置的時(shí)間間隔（1～120 s）向無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)USB或RS485方式與上位機(jī)軟件進(jìn)行通訊[11]。簡(jiǎn)單、單向的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。星型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸視距達(dá)700 m，樹形網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離達(dá)2 km，適用于塑料大棚、聯(lián)動(dòng)溫室以及小規(guī)模日光溫室環(huán)境。

3.2 可擴(kuò)展溫室智能控制器

基于構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所需的信息采集傳輸與控制設(shè)備，研究了適應(yīng)農(nóng)業(yè)惡劣環(huán)境的多通道信息采集傳輸技術(shù)，研制了適用于溫室環(huán)境信息采集的可擴(kuò)展溫室智能控制器等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集與傳輸[12]。

可擴(kuò)展溫室智能控制器標(biāo)配為8路模擬量輸入、8路繼電器輸出，可通過(guò)I2C總線或485總線增加模擬量輸入模塊或繼電器輸出模塊擴(kuò)，展至48路模擬量輸入、48路繼電器輸出，具有采集、決策、控制、存儲(chǔ)、通信等功能，滿足普通日光溫室和大型聯(lián)棟溫室環(huán)境智能調(diào)控、大面積農(nóng)田或綠地自動(dòng)灌溉的需求。該設(shè)備既可以作為主控設(shè)備直接連接傳感器、機(jī)電設(shè)備和DTU設(shè)備，通過(guò)內(nèi)置的控制邏輯單元，形成獨(dú)立工作的溫室環(huán)境調(diào)控或自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，也可以作為一個(gè)執(zhí)行終端，執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的采集、控制指令，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的控制模型下工作。系統(tǒng)具有1路RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，2路RS232接口，2路RS485接口，可擴(kuò)展無(wú)線通訊電臺(tái)、無(wú)線網(wǎng)橋、GPRS模塊等通訊設(shè)備，滿足多種數(shù)據(jù)通訊需求。系統(tǒng)的多路通訊接口可并行工作，滿足多層、多級(jí)通訊需求，具有擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制精確、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建

針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、成本高等問(wèn)題，研究了實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)和數(shù)據(jù)抽象模型，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)子系統(tǒng)；研究柔性的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的連接管理、數(shù)據(jù)傳輸，建立數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)[13]；研究基于COM組件的連接點(diǎn)機(jī)制的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型，開(kāi)發(fā)傳感器、閥門、電機(jī)、風(fēng)機(jī)等農(nóng)業(yè)測(cè)控設(shè)備，建立農(nóng)業(yè)測(cè)控可視化組件庫(kù)，構(gòu)建可視化的人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)子系統(tǒng)；突破多種類型設(shè)備帶來(lái)的多協(xié)議、多信道、多變量等異構(gòu)通信技術(shù)難題，通過(guò)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)設(shè)備加載技術(shù)，構(gòu)建了基于WEB組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)[14]。

基于WEB組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)主要包括兩大功能模塊，系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境模塊和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境模塊，如圖2所示。

圖2 組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Function structure of measurement and control platform based on configurable agricultural internet of things

系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)人員為了在系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境的支持下測(cè)控應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的管理方案。通過(guò)建立組態(tài)模塊的配置數(shù)據(jù)文件生成相應(yīng)的組態(tài)應(yīng)用程序。主要包括界面配置、測(cè)控設(shè)備配置、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、報(bào)警配置等；系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境主要負(fù)責(zé)解析設(shè)計(jì)人員在組態(tài)過(guò)程中生成的配置文件、鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)、生成配置文件相對(duì)應(yīng)的組態(tài)模塊及實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境主要用于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)界面的顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)曲線和報(bào)表的生成、報(bào)警提示和灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境只提供了監(jiān)測(cè)控制功能，在此環(huán)境下平臺(tái)的組態(tài)修改是不允許的，這樣很好的將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)監(jiān)控和運(yùn)行進(jìn)行分離，確保了物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在監(jiān)測(cè)和控制過(guò)程中的安全性[15]。

基于WEB的組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)按照Web構(gòu)架進(jìn)行了詳細(xì)的層次劃分，如圖3所示。用戶表現(xiàn)層是基于瀏覽器的一個(gè)富客戶端互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序（RIA），為用戶呈現(xiàn)一個(gè)豐富的、高交互性的可視化界面，以圖文一體化的方式顯示空間和屬性信息，主要包括圖形化展示、農(nóng)業(yè)信息控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析決策等[16]。業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)響應(yīng)Flex富客戶端請(qǐng)求，并根據(jù)用戶請(qǐng)求做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存取，維護(hù)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[17]。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)圍繞農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求，從農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知、信息采集和傳輸、平臺(tái)建設(shè)等3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，開(kāi)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)、傳輸采集技術(shù)和平臺(tái)建設(shè)等方面的研究，突破了關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)示范應(yīng)用，為發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、增加農(nóng)民收入、建設(shè)綠色城市、提供了重要保障。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the system