物聯網技術在非標準日光溫室中的應用研究

張如軍，吳海鴻

(蘭州市農業信息服務中心，甘肅蘭州 730030)

隨著網絡信息技術的快速發展，農業信息化需求越來越迫切，而已有的互聯網技術遠遠不能滿足目前更加深入、更加復雜、更加智能的應用需求，“物聯網”在此背景下應運而生，為智能農業的發展提供了前所未有的機遇。通過利用M2M技術、RFID技術、WSN網絡、數據挖掘技術、智能學習知識等，依托移動無線網絡(GPRS、3G等)和公共互聯網(Internet)的無縫連接，將底層的傳感器、農機設備、視頻監控等整合起來，形成一個具有智能感知、遠程控制的實時監控系統，實現“全面感知、無線傳輸、智能處理”，農戶通過手機、電腦、PDA等隨時隨地查詢田間或農業大棚的環境信息和設備狀態，遠程控制相關設備，擺脫了時間、空間的地域限制，全面推進了農業信息化的建設步伐［1－7］。蘭州市農業信息服務中心針對蘭州市非標準化日光溫室在設施農業占有很大比例的現狀，研發了蘭州市設施農業遠程智能化信息監控系統，系統通過功能模塊化設計，為在非標準化溫室中推廣應用環境管控技術提供了較為可行的解決方案。

1 系統構成及工作原理

設施農業智能化管理系統主要由設施農業智能化管理系統應用平臺、“數字大棚”終端、各類采集器和各種控制器以及對應設備等部分組成(圖1)。安裝在溫室中的各類采集器，根據用戶設定的采集時間，定時采集大棚的環境參數，通過內置的2.4G-RFID無線模塊將大棚中的溫度、濕度等信息及時發送到“數字大棚”智能終端，智能終端將這些信息分明別類，按一定規則通過移動通信網(GSM/GPRS)傳送到“數字大棚”應用平臺。“數字大棚”應用平臺接收到溫室中的相應數據后，與數據庫中用戶設置的參數范圍進行比對，超出設定參數范圍的數據，系統即刻采用短信方式自動向用戶手機發出報警，用戶也可以根據作物生產的設施環境要求，通過發送數據指令來遠程完成對設施生產環境的調控操作。

圖1 設施農業智能化管理系統構成

1.1 設施農業智能化管理系統應用平臺 主要由WEB服務器、數據庫服務器、應用服務器以及防火墻等組成。平臺軟件采用java語言開發設計，可部署于普通臺式機或服務器，系統環境要求為windows/lunix。傳感器將環境數據發送到終端設備后，由終端設備采用GPRS數據形式將數據通過移動互聯網傳輸到軟件平臺，軟件平臺可以對相關數據進行加工和分類處理，以WEB形式方便用戶對相應數據信息的查詢和應用。其主要功能:①設備狀態顯示。能夠顯示各終端設備電源狀態，是否正常工作，當前的采樣數據值、數據采樣時間等信息。②數據統計查詢。能夠查詢各采集點及不同數據采集時間的環境數據值，在需要時還能將數據以EXCEL電子表格方式導出，方便對數據的綜合分析利用。③采樣詳細信息。能夠對各傳感器采集的數據信息進行詳細的查詢，結合傳感器的安置位置，能夠詳細了解設施環境在各時段的詳細數據值和動態變化情況。④設備管理。能夠對各終端設備的名稱、安置地點、端口記錄、設備編號等信息進行編輯修改，方便農戶對終端設備進行變更調整。⑤卡管理。能夠對每個傳感器的名稱、編號、所屬終端等信息進行編輯修改，以方便農戶對傳感器的修正。⑥用戶管理。能夠進行后臺用戶的添加、刪除和用戶信息編輯等操作，為以后平臺軟件的共享應用預留空間。

1.2 “數字大棚”終端 主要作用是采集數據、傳輸數據和控制設備。它集成了移動通信工業通信模塊(GSM/GPRS)、2.4G-RFID無線數據模塊以及相應的RS 485接口，從而在溫室大棚中實現環境數據的采集、傳輸和設備控制。終端采用GSM/GPRS雙頻工業模塊和2.4G-RFID無線收發模塊設計，通過GPRS方式連接到“數字大棚”應用平臺，通過2.4GRFID與各類采集器進行無線連接，通過RS485與各類控制器進行有線連接。當各類采集器定時采集到環境數據后發送至終端，終端通過GPRS方式發送到“數字大棚”應用平臺。項目研發的設備能支持100個數據采集器，每個采集器能存儲50個數據。2.4G-RFID工作頻率頻段為2 415～2 512 MHz，采用全向天線，增益為4～6 dBi，檢測范圍為0～50 m，傳輸速率約為1 MB/s。內置RS485接口，可以并接16個控制器，采用220VAC/9VDC開關電源和鎳氫充電電池供電，整機功耗小于2 W，掉電后待機12 h。通過GPRS方式連接移動互聯網，插上開通來電顯示和GPRS功能的SIM卡，打開電源即可工作。通過“數字大棚”應用平臺，可實現終端軟件的遠程升級，并監控終端的運行狀態。

1.3 采集器 主要作用是通過各類傳感器將溫室大棚里的環境信息采集到設備中，然后通過2.4G-RFID無線模塊傳輸到“數字大棚”智能終端。采集器采用2.4G-RFID無線收發模塊、溫濕度傳感器和功率放大器設計。內置1 000 mAH的鋰電池，待機電流小于0.005 mA，工作時發射和接收電流小于50 mA，超低功耗，使用壽命大于3年。配合“數字大棚”終端的2.4G-RFID讀寫器和全向天線，檢測范圍可達200～500 m。可實現有方向性和無方向性的識別，對現場各種干擾源無特殊要求，環境適應溫度在－35～75℃，具有較好的實用性。采集器種類包括空氣溫濕度、二氧化碳氣體濃度、土壤水分和溫度等。為了有效延長2.4G-RFID模塊無線傳輸距離，開發了多級級聯功能，級聯的數量可達255級，也就是采集器既能實現數據采集也能實現信號中繼功能，當GPRS斷線時，能夠確保數據記錄和傳輸的連續性、穩定性，同時也有效提高了大棚數據采集的安全性和準確性，并且具有良好的可拓展性。

1.4 控制器 控制器是通過RS485數據線與“數字大棚”終端進行分級連接，其主要作用就是農戶采用短信或移動互聯網的方式，通過“數字大棚”終端實現對溫室大棚農作物生長環境的遠程調節。控制器終端通過2.4G-RFID無線收發模塊、RS485或RS323數據線與各類控制器進行連接，用戶發出的控制指令通過“數字大棚”終端直接控制相應的控制器，可實現以下設備的自動控制:保溫卷簾控制器(正反轉啟停控制)，通風卷簾控制器(正反轉啟停控制)，滴灌控制器(啟停控制)，CO2發生裝置控制器(啟停控制)。控制終端采用功能模塊化設計，農戶可根據自己生產的實際需要，加裝相應的控制模塊，從而實現不同的環境調控功能，大大提高了系統部署的靈活性，降低了投入成本，非常適合在非標準化的溫室中進行應用。

2 系統功能

系統采用2.4 GHz無線技術、J2EE平臺面向服務的體系結構(SOA)技術，主要由門戶管理、業務管理和系統接口3大部分組成(圖2)。

圖2 系統功能示意

門戶接入是“數字大棚”平臺與客戶的邊界，通過門戶將“數字大棚”平臺的業務展現給客戶使用。客戶可通過手機、互聯網等方式登錄訪問平臺。

業務管理是面向產品和營銷提供的應用支撐功能和面向平臺提供的運維支撐功能以及面向客戶應用提供的業務功能的集合，包括業務管理、業務支撐、計費結算、農業管理、大棚管理、短信/彩信管理、設備管理、系統管理等功能。

系統接口部分是“數字大棚”平臺與終端、移動內部各系統之間的功能集合，主要為“數字大棚”平臺提供支撐及應用擴展功能。外部接口主要包括短信接口、終端協議接口、預留接口等。

2.1 系統管理 “數字大棚”平臺提供組織機構的管理、用戶/角色/權限管理、日志管理、參數配置管理等功能，方便系統配置和用戶使用。

2.2 大棚管理 ①實現對農戶信息、大棚信息、大棚中作物信息的增、刪、改、查和統計，支持web和短信。信息修改只有棚主或系統授權系統進行;除棚主外，所轄農業主管、技術部門可以查詢。②實現對環境指標的查詢和統計。除棚主外，所轄農業主管、技術部門可以查詢。③統計一定時段內的環境指標、設備狀態，可以導出excel。④實現設置環境告警閥值，設置設備操作觸發條件，支持web和短信指令。⑤根據環境或業務閥值的要求，通過短信或web平臺方式自動向用戶發出告警信息，提示用戶進行相關操作。可設置告警方式、周期、次數等。

2.3 設備管理 對終端信息、傳感器、控制器信息的維護。

3 系統特點

采用了2.4GHz-RFID有源電子標簽技術與移動互聯網(GSM/GPRS或TD-SCDMA)技術相結合的方式來完成在溫室大棚溫度、濕度等信息的采集和處理工作以及農業設施設備的控制。具有以下較為突出的特點。

3.1 自動化 各類采集器自動完成溫室內溫濕度等數據的采集、存儲，并根據用戶的實際生產需求，實現各類環境調控設備的遠程自動控制。

3.2 智能化 用戶利用智能手機和移動互聯網，通過設施農業智能化管理系統應用平臺，獲得溫室中的環境信息。當大棚中的環境超過用戶設置的范圍時，可自動向農戶發送各類報警信息，用戶可及時通過移動互聯網或手機短信方式完成對設施環境的遠程調節。

3.3 數據統計與信息查詢 用戶利用移動互聯網登錄設施農業智能化管理系統網站，查詢相應的環境數據停息，并可自動生成相關參數的變化曲線，為人工決策提供參考。

3.4 網絡化 充分利用移動互聯網以及智能手機越來越普及的優勢，通過物聯網RFID技術，將溫室中需要觀測的環境參數，自動連接到互聯網中，供需要的用戶查詢和設置。

3.5 低成本 系統集成了成熟的產品和技術，針對非標準化溫室的實際建設情況，采用模塊化設計思路，建設和部署成本較業內同樣的產品降低30%以上，特別適合經濟條件較薄弱的地區的農業生產。

4 總體評價

該系統集成了移動數據GPRS模塊、2.4G-RFID無線收發模塊與溫濕度傳感器以及終端電路控制等目前業界最先進的信息處理和管理技術，能夠進行無線數據傳輸和遠程電路控制，能夠實現設施生產的溫濕度自動監測、手機短信數據即時查詢、溫度濕度超標短信報警，通過手機短信遠程進行自動卷簾調光、卷膜通風、CO2補充和自動節水灌溉控制等功能;系統開發了網絡平臺軟件，通過互網也能對設施環境數據進行查詢，并能進行歷史數據的導出和分析。系統具備以下優點:①能夠進行數據緩存，監測數據準確，信號無線傳輸距離遠，抗干擾，環境適應性強、性能穩定。②緩存能力強，數據防沖突，信號穩定，能耗低，讀取數據快，控制接口有良好的可拓展性，能夠進行閥值自動告警。③解決了傳統溫室在自動卷簾過程中可能出現的保溫簾翻卷過后墻的問題。④體積小、安裝簡單。通過控制各種電路的開啟以達到實現設施環境遠程調控的目的，可以設定電路的開啟時長以實現精準控制操作的功能，不用對大棚進行全面改造就可以實現相關控制系統的遠程操作，適合在各種類型的設施中進行部署。系統環境要求不高，部署方便，功能較為全面。

［1］金鵬，宋秀英.設施大棚生產物聯網應用系統研究與開發［J］.農業網絡信息，2011(10):8－10.

［2］盧闖，彭秀媛，宣鍇，等.物聯網在設施農業中的應用研究［J］.農業網絡信息，2011(9):10－13.

［3］陳靜.物聯網技術在日光溫室大棚中的應用研究［J］.科技信息，2012(36):78 －79.

［4］華北計算技術所.GB/T15126－1994，信息處理系統數據通信網絡服務定義［S］.北京:中國標準出版社，1995.

［5］中國電子技術標準化研究所.GB/T15126－2008，信息技術開放系統互連網絡服務定義［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［6］吉增瑞，劉廣明，王志強，等.GB/T20270－2006，信息安全技術網絡基礎安全技術要求［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［7］北京機械工業自動化研究所.GB/Z18729－2002，基于網絡的企業信息集成規范［S］.北京:中國標準出版社，2002.