基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

李榮德 鄭忠毅 李全文

【摘 要】水稻是廣西主要的糧食作物之一，目前廣西水稻種植仍以家庭為單位的個(gè)體種植為主，存在種植規(guī)模小，種植全過(guò)程信息化、精細(xì)化程度低的問(wèn)題。文章融合應(yīng)用定位技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)一套水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端，為水稻種植智能化、精細(xì)化管理和降低水稻種植生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益提供技術(shù)手段支撐。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);水稻種植;智能監(jiān)控

【中圖分類號(hào)】TP274.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）05-0024-03

0 引言

水稻是廣西主要的糧食作物之一，種植分布在廣西的各個(gè)區(qū)域，一年分為兩季種植。目前，廣西水稻種植仍以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為主，農(nóng)村家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的獨(dú)家獨(dú)戶種植、個(gè)體種植、小規(guī)模經(jīng)營(yíng)種植仍是水稻種植的主要生產(chǎn)方式，受到水稻種植信息化程度不高，種植方式粗糙，種植過(guò)程智能化和精細(xì)化程度低等因素的影響，廣西水稻種植平均產(chǎn)量相對(duì)較低，與新型、優(yōu)質(zhì)型的雜交水稻種子種植產(chǎn)量預(yù)期不相符，整體水稻種植生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益低。

隨著廣西城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，大量人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動(dòng)力不斷減少，使水稻種植面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，水稻信息化、集約化種植顯得尤為迫切，而物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的興起和在農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理的成功應(yīng)用推廣，可為水稻種植的信息化提供技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。本文針對(duì)水稻種植智能化、精細(xì)化管理需求，融合應(yīng)用北斗定位技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、采集傳感技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端，以解決水稻種植中信息數(shù)據(jù)采集、通信傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能調(diào)控等技術(shù)難題，并為基于大數(shù)據(jù)的水稻農(nóng)業(yè)種植管理平臺(tái)建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考，從而實(shí)現(xiàn)水稻的“催芽播種-植秧-分蘗-抽穗揚(yáng)花-灌漿-黃熟收曬”等全過(guò)程環(huán)節(jié)智能化、精細(xì)化管理，提高水稻種植效益。

1 水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)對(duì)低功耗、高傳播速度、高穩(wěn)定性和高精確性有著較高的要求。水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端在硬件設(shè)計(jì)上，主要以基于ARM采用低功耗衛(wèi)星定位硬件創(chuàng)新集成的方式構(gòu)建具有可連通性、冗余復(fù)式的由采集傳感網(wǎng)絡(luò)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)等組成的無(wú)線采集傳感數(shù)據(jù)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)體系，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)水稻種植的“催芽播種-植秧-分蘗-抽穗揚(yáng)花-灌漿-黃熟收曬”等全過(guò)程環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，采集水稻種植環(huán)節(jié)環(huán)境及行為反應(yīng)信息數(shù)據(jù)，并自動(dòng)存儲(chǔ)為水稻種植知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為水稻種植智能決策分析，形成科學(xué)的種植方案提供信息數(shù)據(jù)來(lái)源，從而實(shí)現(xiàn)水稻種植全過(guò)程的智能化、精細(xì)化管理。終端硬件架構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，終端硬件系統(tǒng)主要由核心處理單元、通信部分、定位模塊、時(shí)鐘模塊、外圍接口電路處理模塊、顯示及擴(kuò)展通信接口6個(gè)部分組成。①核心處理單元包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)接口等。采用高速ARM工業(yè)級(jí)芯片LPC2148，配備工業(yè)級(jí)FLASH存儲(chǔ)芯片SST25VF016B，協(xié)調(diào)整個(gè)控制終端的各個(gè)模塊。②通信部分主要由RS232接口和無(wú)線通信模塊組成，其中無(wú)線通信模塊用于監(jiān)控終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器端之間的通信。③定位模塊采用GPS/北斗雙定位模塊，北斗星通BDM100雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊能夠同時(shí)支持北斗2北斗1、GPSL1兩個(gè)頻點(diǎn)，其主要是對(duì)接入傳感采集及控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。此模塊外接有源天線，以確保獲取更高的精度和定位速度。④時(shí)鐘模塊主要是終端主控板內(nèi)置顯示時(shí)鐘，可進(jìn)行終端時(shí)間設(shè)置和定時(shí)控制。⑤外圍接口電路處理模塊提供接口為傳感采集及控制設(shè)備接入，并能讀取處理采集信息數(shù)據(jù)和輸出控制電壓、模擬控制電量。采用EasyARM1138為控制芯片，通過(guò)RS485、RS232接口接入傳感設(shè)備，接收傳感設(shè)備采集的信息參數(shù)數(shù)據(jù)，傳感器I2C讀取模塊可以平衡數(shù)據(jù)傳輸電平，加速數(shù)據(jù)傳輸速度。⑥顯示及擴(kuò)展通信接口可輸出顯示終端設(shè)置、時(shí)鐘、功能設(shè)置等狀態(tài)，并可外接其他設(shè)備。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

終端嵌入式系統(tǒng)主要是基于Linnux平臺(tái)環(huán)境開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可支持多任務(wù)，并提供豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)，使得系統(tǒng)應(yīng)用功能具有很大的發(fā)展空間和伸縮性。終端嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的水稻種植傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)通信等事務(wù)，通過(guò)對(duì)接入的傳感采集、控制、北斗等硬件設(shè)備資源進(jìn)行直接或間接的訪問(wèn)，并通過(guò)交互編譯、重新編譯內(nèi)核的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)控終端的統(tǒng)一管理。終端嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，終端軟件系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)的功能包括信令的接收、處理與發(fā)送，北斗/GPS數(shù)據(jù)處理及電源控制，報(bào)警，無(wú)線通信模塊的通信，I/O口信號(hào)采集與控制等，終端主程序主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作、在不同時(shí)間調(diào)用不同程序?qū)崿F(xiàn)記錄儀的各種功能。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置特殊的看門狗進(jìn)程，監(jiān)視各個(gè)進(jìn)程的工作狀態(tài)，并處理和恢復(fù)出故障的進(jìn)程，從而保證智能監(jiān)控終端系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。終端軟件主要的應(yīng)用程序及任務(wù)包括以下幾個(gè)方面：①RS232串行通信進(jìn)程，負(fù)責(zé)與電腦終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。②UART-BDM001通信進(jìn)程，負(fù)責(zé)與北斗星雙模定位芯片BDM001進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。③UART-GSM通信進(jìn)程，負(fù)責(zé)與GSM/GPRS模塊進(jìn)行通信、控制。④鍵盤掃描進(jìn)程，負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)用戶按鍵輸入。⑤UART-I2C通信進(jìn)程，負(fù)責(zé)與IC卡讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。⑥LCD顯示進(jìn)程，負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)給用戶。⑦時(shí)鐘進(jìn)程，負(fù)責(zé)與時(shí)鐘模塊進(jìn)行通信、參數(shù)設(shè)定。⑧業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)程，負(fù)責(zé)整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯功能，協(xié)調(diào)各個(gè)進(jìn)程間的工作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的核心進(jìn)程。⑨看門狗進(jìn)程，負(fù)責(zé)監(jiān)視各個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，處理并恢復(fù)異常進(jìn)程。

1.3 功能模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 精細(xì)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)監(jiān)控終端對(duì)水稻種植全過(guò)程環(huán)節(jié)傳感采集相關(guān)參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)采集位置信息及影響水稻種植的環(huán)境溫濕度、土壤pH值、病蟲(chóng)害、風(fēng)速風(fēng)力等信息，為及時(shí)制訂種植方案提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警

根據(jù)采集到的位置信息、傳感信息及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對(duì)有可能影響水稻發(fā)芽、生長(zhǎng)、分蘗、抽穗揚(yáng)花、灌漿、黃熟的信息狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和警報(bào)。信息狀態(tài)包括溫濕度、土壤pH值、土壤成分、光照度、風(fēng)速、有害氣體、病蟲(chóng)害等環(huán)境因素及異常狀況。

1.3.3 智能遠(yuǎn)程調(diào)控

依托GPRS通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提供遠(yuǎn)程智能調(diào)控功能。通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器端，可根據(jù)采集數(shù)據(jù)與水稻種植專家?guī)爝M(jìn)行比對(duì)、參考，形成水稻制種調(diào)控指令下發(fā)，包括浸育種時(shí)的溫度、補(bǔ)排水控制及植秧、分蘗、抽穗揚(yáng)花、灌漿、黃熟等時(shí)期的水肥藥調(diào)控等。

1.3.4 即時(shí)定位

終端支持北斗定位，定位信息包括經(jīng)緯度、高程、方向和北斗速度。支持遠(yuǎn)程服務(wù)器端發(fā)送即時(shí)定位指令，終端可向服務(wù)器端返回一條當(dāng)前的位置狀態(tài)信息，位置狀態(tài)信息包含時(shí)間、經(jīng)緯度、高程、速度、方向、終端狀態(tài)等。

1.3.5 自檢及報(bào)警

終端具備自檢功能，當(dāng)終端啟動(dòng)時(shí)，先自檢，如果出現(xiàn)故障，則在LCD上顯示故障狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。此外，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，當(dāng)出現(xiàn)傳感采集參數(shù)超標(biāo)時(shí)，終端自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

2 嵌入式數(shù)據(jù)管理

終端在監(jiān)控過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的定位數(shù)據(jù)、傳感采集數(shù)據(jù)及控制指令數(shù)據(jù)，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)和管理是實(shí)現(xiàn)水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端功能應(yīng)用的重要支撐。本文基于SQLite數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)式特性，采用組件化的方式劃分終端軟件系統(tǒng)功能模塊，并與定位數(shù)據(jù)、傳感采集數(shù)據(jù)及控制指令數(shù)據(jù)等關(guān)聯(lián)，構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)管理體系。嵌入式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，系統(tǒng)組件由對(duì)象類和接口組成，通過(guò)開(kāi)發(fā)一種開(kāi)放式的API接口，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位模塊、GPRS模塊、時(shí)鐘模塊、傳感器采集模塊和控制模塊的接入，使得外部應(yīng)用程序及功能的接入只需開(kāi)發(fā)新的組件即可直接通過(guò)特定的編程接口實(shí)現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)的鏈接，從而滿足水稻種植全過(guò)程監(jiān)控的感知信息采集與智能控制應(yīng)用的交互。終端內(nèi)核SQL命令處理器通過(guò)串口通信接口獲取定位、采集和控制指令后，利用編碼器對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)處理，供遠(yuǎn)程服務(wù)器端數(shù)據(jù)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用。

3 智能人機(jī)交互

終端智能人機(jī)交互需要軟、硬件相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)虛擬機(jī)或狀態(tài)機(jī)互相調(diào)配來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示程序的調(diào)用，終端顯示程序?qū)?shù)據(jù)和控制指令載入顯示緩存，再由設(shè)定好的顯示驅(qū)動(dòng)程序?qū)@示緩存中的內(nèi)容及指令顯示到LED屏幕上。智能人機(jī)交互結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，終端智能人機(jī)交互模塊包括界面交互、消息框和鍵盤按鈕三大部分，界面交互為終端參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控提供界面交互功能，要求當(dāng)進(jìn)行鍵盤按鈕時(shí)，界面交互必須實(shí)時(shí)響應(yīng);消息框提供任務(wù)、狀態(tài)、時(shí)鐘、位置信息和提示信息顯示;鍵盤按鈕為人機(jī)交互智能管理提供參數(shù)設(shè)置、任務(wù)管理等鍵入操作，方便對(duì)終端進(jìn)行操控;狀態(tài)監(jiān)控可用于對(duì)開(kāi)機(jī)進(jìn)行自檢，尤其是對(duì)CPU與外圍器件，如存儲(chǔ)器RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、顯示模塊等模塊的通信狀態(tài)檢查及實(shí)現(xiàn)對(duì)這些器件的初始化，如果各外圍器件狀態(tài)良好、初始化通過(guò)，則終端開(kāi)始工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)既定功能，同時(shí)綠色的工作指示燈閃亮指示;如果終端開(kāi)機(jī)自檢沒(méi)有通過(guò)，則實(shí)現(xiàn)紅色報(bào)警指示燈閃爍和報(bào)警蜂鳴器的轟鳴報(bào)警提示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞水稻種植全過(guò)程智能化、精細(xì)化管理需求，融合應(yīng)用北斗定位技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、采集傳感技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻種植全過(guò)程智能監(jiān)控終端，為水稻種植信息化及提高生產(chǎn)效率提供了可靠的技術(shù)支撐，同時(shí)也為建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的水稻種植信息平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中推廣應(yīng)用提供借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

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