南疆地區的大規模農田遠程監測系統設計*

李小勇，于群，趙紅玉，霍大勇

(喀什大學 物理與電氣工程學院，喀什 844000)

南疆地區的大規模農田遠程監測系統設計*

李小勇，于群，趙紅玉，霍大勇

(喀什大學 物理與電氣工程學院，喀什 844000)

摘要:針對南疆農業信息化需求，本文就實現大范圍、遠距離、低成本數據監測系統展開研究。設計了一套能實現基本功能的遠程農田數據采集系統，在農田現場搭建無線采集網絡；采用網絡化嵌入式數據采集節點采集農田信息；數據通過無線信道遠程傳回農田監測中心；服務程序通過網絡從采集節點采集數據，并完成處理和存儲的工作。通過該系統可方便地查看地農田的狀態信息，為從事農業生產、農業指導等工作帶來便利。

關鍵詞:農田遠程監測;網絡化數據采集節點;服務程序設計;Web程序

引言

南疆地區地廣人稀，隨著農村人口老齡化情況日益嚴重，農作物規模化種植、農田的管理依靠人力要費很大的精力。信息技術的發展，在農業上促進農業生產信息化發展[1-5,11-12]，有助于幫助農民節省體力和精力。比如，一般是到農田巡視，憑借人的經驗確定缺水狀況。如將若干農田水分信息進行采集，并進行數據處理，則坐在室內就可以比較科學地判斷農田缺水狀況。

為了達到以上目標，本文從技術層面上展開研究。首先，在農田數據采集現場搭建無線中繼網絡[6-7]，每一個中繼節點同時可作為數據接入節點；數據采集現場采集到的數據，通過無線網橋的方式傳輸到農田監測中心的PC主機，進行數據的處理、存儲、顯示。通過實驗與測試得出，本文提出的農田監測網絡方案具有較大的數據帶寬，通信效果穩定，搭建成本低廉，適用于進行大范圍的數據采集的農田信息監測。

1農田監測系統總體模型

農田數據監測系統總體結構示意圖如圖1所示。整個系統在組成上分為三個部分，包括實現農田數據大范圍、分布式數據采集的農田現場數據采集網絡部分，采用無線網橋設備實現的無線橋接功能部分，以及完成對數據進行采集、處理、存儲、顯示等功能的農田監測中心部分。農田現場數據采集網絡包括用于組網的無線中繼設備、用于農田數據采集的無線數據采集節點和有線數據采集節點，系統總體結構如圖1所示。

圖1　農田數據監測系統總體結構

1.1現場數據采集網絡總體設計

在農田數據采集現場，現場通信網絡應能夠有較遠的通信距離，實現較大的覆蓋范圍。網絡的通信方式采用無線通信，這樣能減少有線連接，便于網絡維護，方便現場采集系統的部署。通信網絡的組網設備采用較大功率的WiFi設備。首先，將WiFi設備配置為無線中繼模式，再通過無線中繼的方式將數個WiFi設備順序相連，構成一個基本的通信網絡。

在圖1中，A、B、C表示三個無線WiFi設備，均工作在無線中繼模式。每一個無線中繼設備可以連接一至多個傳感器數據采集節點。傳感器數據采集節點與無線中繼設備之間的連接方式既可以是無線連接方式(WiFi)，也可以是有線的連接方式(通過RJ45接口)。在本系統中，每一個數據采集節點設計為與最近的一個無線中繼模塊連接，并將采集到的傳感器數據發送到現場網絡中，最終會通過無線網橋將數據發送到農田監測中心的PC主機，以供數據處理和顯示。

在傳感器數據采集節點與無線中繼模塊距離較近時(數米以內)，可以采用有線連接方式，直接由無線中繼設備通過網絡線供電(POE)給采集節點。這時候網線的阻抗較低，電壓衰減較少，可以有效供應電能。當距離較遠時，可以采用無線連接的方式。每一個無線數據采集節點均需要獨立的微型供電系統，采用光伏發電方式。

圖2　農田現場數據采集網絡組成框圖

每個無線中繼設備能夠有效地覆蓋多個農田，每一塊農田至少安裝一個傳感器采集節點，并從最近的無線中繼設備接入網絡，多個無線中繼設備組成一個完整的現場采集網絡。可以看出農田的數據采集具有大面積采集、分布式采集的特點。農田現場數據采集網絡組成框圖如圖2所示。采用這樣的組網方式，一是為了方便實現多點分布式數據采集，二是可以實現較大容量的數據通信，在數據采集種類、數據采集量、農田采集范圍等方面具有一定的可擴展性。例如，增加多種規格傳感器種類，采集更豐富的農田數據，數據量增加了，也不會超出通信網絡的帶寬。

1.2無線數據采集節點設計

無線數據采集節點應能通過WiFi接入通信網絡，在本文設計了如下方案實現這一功能：使用ESP8266[8]無線WiFi模塊與單片機共同組成無線傳感器數據采集節點，將采集到的傳感器數據通過無線傳輸方式發送到網絡[9]。

(1) ESP8266無線WiFi模塊簡介

ESP8266芯片是由樂鑫信息科技有限公司開發的一款高度集成的芯片，專門為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用設計。為了節約能源，ESP8266可工作于三種能耗模式：激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式。本文使用的是由ESP8266和單片機共同構成的WiFi模塊，通過AT指令設置，可以使ESP8266模塊工作于softAP模式、station模式、softAP+station共存模式中的一種，將ESP8266模塊設置為工作在station模式。

(2) 無線數據采集節點接入通信網絡

單片機與ESP8266連接原理示意圖如圖3所示。單片機采用IAP15F2K61S2芯片，其串行接口與ESP8266通過TTL串口連接在一起，并通過AT指令與ESP8266無線模塊通信，實現網絡數據的收發。單片機和ESP8266共同作為一個整體，相當于一個WiFi終端，從現場采集網絡獲取到IP地址，成為網絡的終端設備，將無線采集節點采集到的農田數據傳入通信網絡中。通過這個WiFi終端，既能夠將農田傳感器數據發送到網絡中，又可以接收網絡發送給無線終端的數據。

圖3　WiFi數據采集終端電路原理簡圖

要實現無線終端將農田傳感器數據發送到網絡中，單片機對ESP8266的操作流程如圖4所示。

圖4　單片機操作ESP8266發送傳感器數據流程

1.3有線數據采集節點設計

有線數據采集節點[10]硬件總體設計框圖如圖5所示。硬件核心主要由三部分構成：傳感器和信號調理電路構成的數據采集部分，C8051F340單片機及其附帶硬件構成的控制中心部分，以及網絡控制器CP2200及其附帶硬件構成的網絡通信部分。有線數據采集節點通過RJ45接口與無線中繼模塊實現有線連接。

圖5　硬件總體設計框圖

有線網絡化數據采集節點軟件結構框圖如圖6所示。節點在軟件組織上分為4個模塊部分：CP2200網絡芯片驅動程序模塊，精簡的TCP/IP協議棧模塊，數據采集與執行器控制模塊和微型Web服務器模塊。

圖6　有線數據采集節點軟件結構框圖

在節點處理運行過程中，這4個模塊互相協調，形成一個功能明確的軟件整體。從處理客戶端發來的HTTP1.1請求的角度分析，首先CP2200接收來自以太網的比特流并組裝成以太網幀交付給上層TCP/IP協議棧；協議棧通過對以太網幀的一系列分析，判斷為IP分組、TCP數據包、HTTP1.1請求消息；HTTP1.1消息被交付給Web服務器進行進一步處理，Web服務器對這個HTTP1.1請求消息解析，然后根據消息內容向測控節點發出各種動作指令(比如從傳感器獲取數據)，然后待發送數據再以HTTP1.1消息響應的方式將處理結果返回給發出HTTP1.1請求的客戶端。

1.4無線橋接的實現

通過無線網橋設備，將農田現場采集的數據傳輸到農田監測中心的PC主機。在現場數據采集端設置一個無線網橋，在監控中心也設置一個無線網橋，通過對網橋設備進行設置，將這兩個無線設備橋接在一起，組成一個無線通信的信道，以實現現場采集網絡與監控中心的點對點的雙向通信。

2農田數據監測中心設計與實現

圖7　監測中心總體組成框圖

農田監測中心由數據采集服務程序、Web服務器程序共同組成，其總體組成結構框圖如圖7所示。服務程序完成對農田現場各個數據采集節點的農田數據的采集，并將采集到的數據做分析處理并存入數據庫中。Web服務器程序將數據庫中相應的農田數據進行處理，以一定格式發送給Internet客戶端用戶瀏覽器并顯示。

2.1服務程序設計

在農田現場采集到的數據，通過中心節點將數據匯集并傳輸給監控中心的PC主機，最終在監控中心進行處理、存儲或顯示。在監控中心端，實現數據采集、處理、存儲功能的是服務程序，專門用來獲取農田現場數據采集節點采集到的數據。服務程序軟件組成框圖如圖8所示。

圖8　服務程序軟件組成

服務程序主要完成對農田數據采集、數據庫讀寫的功能，采用Visual Studio 2005開發環境編寫。服務程序在功能實現上包含三個方面：對無線采集節點數據進行采集；對有線采集節點數據進行采集；對數據庫的讀寫操作。對于無線方式，采用TCP協議；有線方式，采用HTTP1.1協議。數據庫通信線程完成對Access數據庫的讀寫操作。

2.2Web程序設計

圖9　Web程序功能組成框圖

通過編寫Web程序，可將采集到的數據進行處理、顯示，并以動態Web頁面響應的形式發送至Internet的瀏覽器終端。數據庫采用Access數據庫，基于.NET技術完成Web程序的編寫。Web程序功能組成如圖9所示。

3實現基于Internet的遠程監測總體測試

3.1數據采集系統網絡延時、帶寬測試

通過網絡性能測試工具JPerf對農田數據采集系統進行帶寬測試，在無線中繼模塊相距100 m左右時，測試結果如圖10所示。經統計得出，經過100次帶寬測試，平均帶寬為4 586 kbps；系統帶寬標準差為509，延時變化較大，但對于農業用數據采集系統，這個影響很小,能整體上滿足大規模農田數據采集對系統的數據通信穩定性要求和帶寬要求。

圖10　使用JPerf測試系統通信帶寬與穩定性

3.2數據采集實例測試

單個有線數據采集節點進行土壤數據采集，實物圖如圖11所示。圖中包含一臺無線中繼模塊、有線數據采集模塊、高精度土壤濕度傳感器MS20等設備。

圖11　單個數據采集節點采集土壤濕度數據實物圖

在瀏覽器地址欄輸入Web頁面地址，查看數據采集節點采集到的土壤濕度數據。表1所列為1號數據采集節點(AcqID=1)采集到的部分數據。

結語

根據本文提出的系統設計方案實現了一個基本的遠程數據采集系統，并已應用于農田數據監測，通過測試，能基本達到預期目標。目前系統還較為簡單，但是通過測試與論證，可以看出本文提出的方案具有較好的可擴展性，

表1　土壤濕度數據查詢

參考文獻

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李小勇(碩士研究生)，主要從事網絡化測控技術方向的研究;于群(副教授)，主要從事電力系統自動化、安全監測方向的研究;霍大勇(教授)，主要從事控制技術方向研究。

Remote Monitoring System of Large-scale Farmland in Southern Xinjiang

Li Xiaoyong,Yu Qun,Zhao Hongyu,Huo Dayong

(College of Physics&Electrical Engineering,Kashgar University,Kashi 844000,China)

Abstract：Aiming at the agricultural informationization demand of the southern of xinjiang,this paper focuses on the realization of large-scale,long distance and low-cost data monitoring system.A remote farmland data acquisition system is designed,which can realize the basic functions.The wireless data acquisition network is built and the farmland information is collected by the networked embedded data acquisition node.The data collected is transmited to the remote monitoring center through wireless channel.The service program collects the data from acquisition node through the network,then completes the processing and storage.The system can conveniently check the state information of the farmland.

Key words:farmland remote monitoring;networked data collecting node;service programming design;Web program

* 基金項目：校內課題 網絡化數據采集在喀什農業生產信息化應用研究((14)2528)。

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2016-01-25)