設施農業物聯網的可靠性及冗余技術應用研究

劉偉中 徐海斌 賀天飛

摘要 通過對設施農業物聯網系統實踐的總結，分析物聯網系統外部供電環境、系統內所用設備、內部傳感器及執行機構內各環節對系統可靠性的影響，提出響應的解決方法及冗余技術在系統中的應用，對設施農業物聯網技術的應用推廣提供技術支持。

關鍵詞 設施農業；物聯網；可靠性；冗余

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-343-03

在高投入、高產出的設施農業中，物聯網的系統應用，使得勞動生產率和產品質量大幅度提高[1-3]，然而實踐中停電、傳感器失靈、網絡故障、控制設備損壞等多種因子促成的系統故障，常帶來生產事故，而系統設計中運用系統學理論和冗余技術保證系統可靠性與穩定性是一個值得深入探討和研究的問題。 物聯網技術應用在設施農業中，其架構分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層；實踐中停電、傳感器失靈等多種因素導致的系統故障，常使系統可靠性受到威協，并影響該技術推廣應用[4]。筆者針對當前農業設施分散、基礎配套不足和農民使用中維護能力差等問題，提出了利用物聯網技術重點解決如何有效感知、穩定傳輸和可靠存貯等問題，以提高物聯網系統的可靠性和冗余度。

1 物聯網系統外部供電環境的可靠性和冗余度

任何一個信息系統都必須有供電系統的支撐，在設施農業物聯網工程中穩定的供電是系統穩定可靠的大前提。市供電是日常常見的供電方式，但在實際應用中由于農用電時常停電，為了在市電斷電情況下仍然保持系統的正常運行，供電保證系統的設計則至關重要。

在數據采集集中器處應采用不間斷電源系統，即UPS主機和必要的電池，以確保市電停電時仍可保持數小時對設備的供電。中心機房是整個系統的核心，其供電系統必須使用UPS不間斷電源，以保證系統的可靠運行。

現場采用Zigbee無線傳輸方式的傳感器，一般使用內置充電電池，如采用小型太陽能電池板對電池及時充電，可在較大程度上提高現場設備的可靠性。由于現場傳感器的耗電量較小，在實際應用中多采用“太陽能+電池組”供電的方式對遠離市電的傳感器設備進行供電，如安裝在基地室外的小型氣象站即是如此。

2 物聯網系統內所用設備的可靠性和冗余度

2.1 數據傳輸 數據傳輸在設施農業物聯網的工程實例中常采用有線傳輸（光纜、銅纜）、無線傳輸和有線無線相結合的方式，各傳輸方式的特點見表1。在一個聯棟大棚的PLC（或單片機）自動控制系統，現場傳感器將采集的數據傳到PLC控制器，根據所設定的控制參數PLC直接發出控制指令驅動相應的執行設備，在聯棟大棚的小區域內完全采用有線數據傳輸與控制方式。在某蔬菜基地的一片鋼架拱棚種植區域，如果采用有線的方式分布傳感器設備，由于點的分布分散給布線帶來困難，則常采用無線傳輸的方式。各傳感器數據通過Zigbee、433 MHz無線模塊或WiFi無線網絡的方式傳到基地控制中心，該數據鏈路即為完全的無線傳輸方式。另外，如果種植基地的大棚數量較多，分布面較廣，并有一個集中式的數據采集中心，例如市（縣）農委的信息中心，則數據傳輸鏈路就必須使用有線和無線相結合的方式。從數據傳輸方式的可靠性、數據傳輸速率、成本及施工難度分析，不同傳輸方式的優缺點比較見表1（三級評判）。

在園區基地的物聯網項目建設中除數據采集與控制外，一般會有棚舍的視頻監控項目同時設計與安裝。在項目采用光纜傳輸數據的模式下，可以使用多芯線纜中的富余光纖芯用于監控視頻數據傳輸，由此可降低光纖數據傳輸的綜合成本。

2.2 互聯網接入方式 設施農業物聯網的各種互聯網接入方式比較見表2。設施農業物聯網是物聯網技術在現代農業領域的應用，傳統互聯網（因特網）及飛速發展的手機終端移動網絡，為數據在不受地理位置限制的傳輸提供了可用的手段。現場傳感器及執行機構組成在實際應用的首尾兩端，在應用軟件系統的支持下解決了物品與物品（T2T）、人與物品 （H2T）之間的互連組成了符合國際電信聯盟（ITU）的定義的物聯網絡。以一個市（縣）農業信息中心所建的現代農業物聯網遠程監控系統為例，信息中心可接收本區域內若干設施農業種植基地的現場傳感器信息，在自動控制狀態下系統根據閾值參數實現自制，使用者也可通過PC或手機終端及時訪問現場實況、報警信息與實施遠程控制。在這一系列過程中網絡起到了主要的作用，故物聯網系統可靠性取決于所使用的互聯網絡接入的可靠程度。

2.3 中心機房設備 中心機房由網絡路由器、交換機、數據采集上位機服務器、數據庫服務器等設備組成。整個系統的傳感器數據都將匯總的機房的數據庫服務器中，所有的訪問者也將從服務器中獲得所需數據。中心機房的穩定可靠運行對系統的重要性是不言而喻的。為了避免單點故障對整個系統的破壞性，對數據采集上位機服務器、數據庫服務器選用可靠性較強的高端設備或采用雙機備份的配置方案是非常必要的。

2.4 應用軟件 基于物聯網的設施農業遠程監控的軟件系統由傳感器設備內部的嵌入式程序、上位機的數據采集程序、數據庫、WEB應用及手機、PC客戶端程序等若干個模塊組成。在投入實際應用前，對軟件系統進行大數據量的的測試是非常必要的。通過測試，可優化數據處理過程，以提高系統穩定性與可靠性。如嵌入式軟件須使用看門狗功能，防止硬件死機。在上位機數據采集程序開發中多線程并發事件處理、內存分配處理、數據庫接口處理等環節是影響軟件穩定性與可靠性的關鍵技術點。在WEB應用程序開發時要進行多用戶訪問測試、海量數據的查詢測試，否則在進行為期5個月的作物積溫統計曲線查詢時，會出現響應時間較長或超時無響應的情況。

2.5 系統自檢功能和故障報警 設備在使用過程中，可能由于自身或外部環境問題出現各種各樣的損壞或故障。及時發現并解決這些問題，可極大地提高系統運行的可靠性。在系統軟硬件設計時，應設置自檢程序，可手動或周期性的在系統非執行空閑時間（如設施蔬菜晚上）對系統進行自檢。在出現非正常情況時可定位故障部位和發出報警指示；如內含嵌入式系統的無線傳感器自身干電池電壓過低時，通過報警和系統提示功能，提醒維護人員及時處理；對斷電、控制執行機構故障等較嚴重的系統問題應配置短信貓等設備，可通過短信或語音留言等方式及時告知有關人員，將系統改為人工操作等應急模式，以防引發進一步的生產事故。

2.6 驗證系統的設計 為了保證系統的可靠性，應設立相互獨立的驗證系統，以監測執行機構是否動作，以及工作效果，確保系統在可控狀態下運行。

如生產中大棚兩側通過電動卷簾通風降溫。當棚內溫度較高時，系統應當向降溫設備發出指令，開啟這些設備，執行相關動作，進行通風降溫工作。如果電機損壞或機械傳導系統失靈，雖然系統表面顯示一切運行正常，系統也發出一卷簾動作指令，但實際卷簾不運作，棚內高溫就會在1 h內造成生產事故。這時可通過遠程視頻的實時監控來驗證上述動作實際操作情況，也可通過軟件設計一個獨立驗證系統來驗證上一動作是否被實際執行，如計算指令動作發出后5～10 min溫度傳感器變化的速率，并通過通信手機關聯到生產管理人，如果該速率變化是高于設定的最低值（根據專家經驗），可通過短信發出“卷簾成功”的驗證信號；相反速率變化方向不同、不變化或低于設定的最低值，則可通過短信發出“卷簾失敗”、“ 卷簾故障”的驗證信息，并及時通知有關人員采取相應措施，可有效防止生產事故的發生。

2.7 網絡結構 如市縣兩級網絡采用圖1a結構，每個二級服務器只接受本縣的傳感器上傳數據，雖有各縣相對獨立不相互影響之優點，但是由于數量眾多的傳感器和訪問終端被分散連接至多個服務器，基于各縣級服務器的質量與維護能力，增加了故障出現的概率。

而如圖1b系統使用一級數據中心，全市所有的農業物聯網傳感器的數據全部上傳至該數據中心的服務器，所有的訪問者也只能訪問此服務器，對提高網絡有利，但對服務器和網絡性能提出了更高要求。

實踐中，該研究采用ese3b一級結構，且隨著技術進步，租用“阿里云”云端服務器，對服務器可彈性配置，專業服務器提供商對系統提供99.999 9%的可靠性保障，既節本，又可靠，是農業物聯網應用的首選方案。

3 物聯網內部傳感器及執行機構的可靠性和冗余度

3.1 傳感器 對于某些成本較高的如土壤溫濕度傳感器，在一個大棚中根據實際情況沒有必要多個安裝，在噴灌（滴灌）的條件下合理選擇一個監測點即可滿足要求。在水產養殖魚塘中溶解氧傳感器成本較高，且水中溶氧梯度小，一般同樣養殖密度的一片魚塘安裝一臺即可滿足要求。在畜禽養殖如養雞場對氨氣的檢測，由于氨氣較空氣輕，安裝位置可高于雞舍位置，從成本考慮，在一個雞舍里將傳感器設備安裝在可能出現氨氣濃度最大值的地方即可。

溫濕度是動植物生長影響較大的因素，為設施農業物聯網監控系統中不可缺少的監測參數，故在系統設計中都需要有冗余的考慮。光照在設施大棚中一般根據作物對光的不同的要求加以選擇，喜光作物的飽和光照強度25 000 lux左右，在大棚內部使用的光照傳感器選擇滿量程為50 000 lux的即可滿足要求。室外光照傳感器一般使用量程為0～200 000 lux，與棚內光照傳感器結合使用用以控制遮陽網的開閉。目前雖傳感器產品的發展，光照傳感器在很多產品中已于溫濕度集成在一起，形成溫濕光三合一的傳感器，故棚內的光照傳感器數量可與溫濕度傳感器的數量相同，室外0～200 000 lux光照傳感器由于成本原因一般安裝一個即可。提高二氧化碳的濃度對C3類作物的增產有明顯效果，在園藝大棚內種植的黃瓜、番茄和青椒等常見蔬菜，常需要加放CO2氣肥，CO2 傳感器選型量程一般為0～2 000 ppm，由于成本的原因，一個棚內安裝一個置于最不容易擴散到達位置即可。

3.2 執行機構 傳感器設備的體積較小，可根據需要隨時在已建成的系統中配置添加。但針對體積執行機構設備而言，這類問題必須在設施棚舍設計時給予充分考慮。通風機必須多組使用，如一個連棟大棚安裝了8個通風機，我們在配電電路上至少要將其分成兩組，即1、3、5、7奇數組為一路；2、4、6、8偶數組為一路，這樣一方面是滿足功能效果上的要求，另一方面也不至于在某電路出現問題時造成完全不能通風的情形。同理棚舍的降溫加濕水簾機也應在2組以上。在控制噴灌（滴灌）管路上的電磁閥在設計安裝中一般也需要有一個并聯的閥門作為冗余備份，出于成本考慮，至少也要有一個手控的閥門，在電磁閥失效時亦可手工操作。棚舍大棚的水源一般采用水池儲水或地下水，通過水泵向管網供水。如果是水池泵水，需有一套前段的過濾處理設備，需要定期維護，所以供水管網的水泵及過濾設備一般均應有冗余備份。

4 設施農業物聯網應用注意事項

設施農業所涉及的領域一般為園藝大棚種植類、水產養殖類及畜禽養殖類這3大領域。所使用的現場傳感器及控制執行機構見表3。

由表3可知，現場傳感器及現場執行機構是系統構成的首尾兩端的重要設備，一旦此環節出現故障則系統無法工作。為了提高現場設備的可靠性，可從以下4個方面考慮：

（1）在產品設計或選型時，必須考慮實際使用環境，針對環境要求采用能夠可靠運行的設備。在實際應用中有的傳感器工作在高溫高濕的環境中，該產品除傳感器探頭之外的所有電路板及接線端子必須完全密封，防止水分的進入。

（2）采用設備數量的冗余，在一個大棚中須安裝至少2個以上的傳感器設備。如在一個5聯棟大棚中，溫濕度傳感器一般選擇安裝4套，按圖2位置相錯安裝。一方面是因為棚的面積較大，棚內各點存在溫度差，冬季夏季有南北溫度差，上午、下午有東西溫度差，當溫度差或濕度差大于所設定值時，內環流風機啟動工作；另一方面棚內的多個傳感器也形成了設備的冗余，當某個傳感器故障時，不至于采集不到現場數據。

（3）數據中心應使用云計算架構的網絡系統。供電系統一定要有UPS做保障。

（4） 在設施農業物聯網網絡中應用軟件需保持協議的一致性，避免非統一通訊協議的接入給網絡系統帶來危害。

參考文獻

[1] 江懋華.物聯網農業領域應用發展對現代科學儀器的需求[J].現代科學儀器，2010（3）：5-6.

[2] 李道亮.農業物聯網導論[M].北京：科學出版社，2012.

[3] 劉海明.物聯網技術在農業生產中的應用探究[J].農業與技術，2012，32（5）：30.

[4] 沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報：自然科學版，2009，29（6）：1-11.