農業物聯網測控系統的開發與應用

彭志良，趙澤英，陳維榕，王 虎，李莉婕

（貴州省農業科技信息研究所，貴州貴陽550006）

農業物聯網測控系統的開發與應用

彭志良，趙澤英＊，陳維榕，王 虎，李莉婕

（貴州省農業科技信息研究所，貴州貴陽550006）

針對貴州省的生態氣候條件和果蔬生產的實際需要，采用多種網絡技術融合的農業物聯網遠程測控方案，開發適宜貴州果蔬生產管理的網關、數傳、采集控制等ZigBee無線網絡設備，開發集數據采集、設備控制、遠程傳輸、存儲管理、網絡發布、視頻監測等為一體的物聯網測控系統，建立不同地形地貌、種植模式環境下的8個127.8hm2果蔬物聯網應用示范基地，推動果蔬生產基地的標準化建設。

ZigBee；物聯網；自動測控；蔬菜；果樹

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，其實質是物物相連的互聯網，是指通過各種信息傳感設備實時采集任何需要測控、連接和互動的物體或過程，采集其各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。作為現代信息技術三大基礎（傳感器技術、通信技術和計算機技術）高度集成而形成的物聯網，可廣泛應用在農業生產現場數據信息采集、農業生產設備的智能化控制等各個生產環節。物聯網技術是實現農業集約、高效、生態、安全的重要支撐，研究物聯網農業應用與示范實踐［1－5］，對于農業廣域空間分布的資源和環境信息的監測、處理及優化資源配置、生產管理信息的實時采集與分析都具有至關重要的意義。因此，以蔬菜、果樹種植為對象開發基于生產管理監測與控制的物聯網系統，并進行示范應用，以實現種植環境中溫、光、水、氣、肥的監測與控制。

1 系統架構

針對ZigBee、VPN、WiFi、GPRS和3G／4G等各自的優勢和特點，采用多種網絡技術融合的農業物聯網遠程測控方案［6－8］，根據測控現場不同的網絡接入條件，采用不同的實現方式。測控現場采用ZigBee無線傳感器、WiFi網絡、光纖網絡或無線AP等建立測控現場網絡。在有條件的地方可在測控現場與中心服務器間建立VPN通道；對于一些有線（如ADSL、專線等）接入比較方便的測控現場，采用有線網線或WiFi進入Internet；針對地理位置分散，遠離可上網地點的情況，通過4G／3G／GPRS／CDMA無線通信技術進行遠距離聯網，在3 G／4G信號覆蓋較好的環境采用3G／4G方式進行數據傳輸，在3G／4G網絡尚未覆蓋的測控現場則自動切換為GPRS和CDMS等2.5G的傳輸方式，保持數據傳輸的順暢。

整個系統設備由現場傳感器或控制設備、終端模塊、網絡通信模塊和服務器等幾部分構成（圖1），在具體的集成時，首先根據監測、控制要求配備各種硬件，再將各個部件用物聯網與Internet網連接到測控服務器，形成能實現監測與控制功能要求的完整系統?，F場終端模塊負責采集環境數據，對輔助設備執行控制指令等操作。服務器主要負責接收存儲數據，發送控制指令，并為用戶提供多種數據決策、運算與訪問服務。網絡通信模塊是現場終端模塊與中心服務器通信的樞紐，網絡通信模塊是指具有網絡共享功能的一類設備或芯片，其主要功能是讓現場終端測控模塊接入Internet與中心服務器建立網絡連接，可能是一臺小型路由器，也可能是集成到現場設備中的3G／GPRS無線移動芯片或獨立的3G路由器。

圖1 物聯網智能測控系統網絡示意圖Fig.1 The diagram of internet intelligent monitoring and control system

2 ZigBee無線設備開發

2.1 硬件設計

ZigBee無線設備為用戶端和田間傳感器建立一條透明通信通道，分為網關設備、數傳設備及采集控制設備，均采用2.4G自由頻段的ZigBee無線網絡，RS232接口，9－36VDC電壓供電。使用集成化思想和動態電源管理技術，縮小其體積，降低其功耗及成本，增加可靠性。

ZigBee數傳設備負責為串口終端設備增加無線通訊能力或作為ZigBee的中繼路由，主要由CPU、射頻和接插件3個部分組成，系統中ZigBee數傳設備選用JN5139無線數傳模塊作為系統核心芯片，其集成RISC處理器、RF收發器、ROM、RAM、ADC和DAC，且采用TPS71533電源管理芯片對處理及通信模塊進行供電，深度睡眠時僅消耗0.24μA電流，靈敏度高達97dBm，最大輸出＋3 dBm，最大傳送速率為250kbps，添加少量的外圍元器件后，JN5139則可快速高效的實現ZigBee通信功能。

ZigBee網關設備負責將ZigBee網絡連接到有線局域網、802.11b／g無線局域網、GPRS／CDMA／3G等網絡中。數據由ZigBee進入網關采用串行傳輸的通信方式，采用JN5139嵌入式的ZigBee無線數傳模塊［9－13］將收集的數據送到協調器，由協調器將數據送至應用層，再通過串口發送到網關。相反，網關將外部網絡發送的數據進行解封通過串口交給協調器，協調器將數據封裝后，加上ZigBee的短地址發送出去，則實現從ZigBee到網關的雙向數據傳輸。網關外部網絡連接模塊中，Wifi模塊采用嵌入式ZK1000模塊，以太網模塊采用嵌入式ZK400，GPRS／CDMA模塊采用SIEMENS GPRS模塊與基于ARM7內核的TCP／IP協議控制芯片高度集成的ZK6000模塊，TPS71533和TPS7133電源管理芯片分別對ZigBee模塊和接入網絡模塊進行供電。

ZigBee采集控制設備是集成采集、控制和無線傳輸于一體的小型無線RTU，4路4～20mA（或0～5V）采集，4路光隔開關量輸入，4路繼電器輸出，內建Modbus協議。采用JN5139無線數傳模塊，TPS71533和TPS7133電源管理芯片分別對處理及通信模塊和傳感器模塊進行供電，采用ELM9550C為傳感器模塊提供5V的電源電壓。測控設備供電采用12V外接膠體電池供電，電池可采用交流變直流后充電，也可采用太陽能供電，電路中安裝浪涌保護器和地線，防止雷擊造成設備損壞。

2.2 軟件開發

系統的軟件設計在Jennic提供的開發平臺上進行，Jennic公司在ZigBee協議棧的基礎上提供了初始化、協議棧調用和協議棧調用應用等一些基本的接口函數。設備軟件包括實時的任務調度單元（RTOS）、存儲數據管理單元（PDM）、系統功耗管理控制單元（PWRM）、協議棧數據通信控制單元（PDUM）、數據采集與控制實施單元（DACI）。網關設備負責組網并啟動網絡，定時接收網絡中傳輸的數據和發送測控信號，并通過Internet連接模塊向服務器寫數據或接收信號；采集控制設備負責完成現場數據的采集與執行控制，通過通信模塊將采集數據包傳送或接收控制信號；路由設備負責建立跳轉，將網關設備與采集控制設備進行聯接。各節點遵循休眠－被喚醒－正常工作的工作模式，在休眠狀態，處理器停止工作，而SPI端口和中斷系統繼續工作。當中斷產生，節點通過控制引腳信號實現對傳感器的控制，進行數據采集和發送。

網關設備是物聯網主服務端設備，其程序中設置有客戶端列表，客戶端在使用與主服務端相同的頻段訪問主服務端后，將客戶端信息加載進入客戶端服務列表。無線ZigBee模塊在接入網絡中預先通過串口設置信道、ProfileID和網絡內設備地址，開機后按照信道設置搜索服務端設備，服務端確認接入端設備的ProfileID和設備內部地址后，將設備加載進入設備列表，完成無線網絡搭建。

3 智能測控系統開發

3.1 系統設計與開發工具

智能測控系統為部署在應用服器上的平臺軟件，作為整個物聯網系統的主服務端，基于·net framework 4.0環境，采用Visual Studio 2010開發，總體設計分為數據采集、數據查詢、視頻監控、設備控制和平臺管理等模塊（圖2），各模塊通過使用不同的網絡協議進行通訊。數據采集模塊負責通過TCP／IP協議采集網關設備發送的農田環境因子與作物生理生態參數，接收到數據之后解析指令內容，然后根據解析的結果作相應處理操作。數據査詢模塊提供平臺系統面向客戶端的全部服務接口，采用Web Service開發，用戶根據定制的前端接口格式向前端服務發送請求，前端服務接口接收到請求后，首先通過驗證過濾非法的請求，然后根據請求的內容獲取數據信息。設備控制模塊負責對于田間設備的控制，同時負責環境信息的異常預警。

3.2 信息采集與設備控制

信息采集與設備控制運用多線程技術與socket通信技術開發，注重程序的并發處理能力，控制協議采用ModBus。軟件負責與各個現場終端設備建立控制連接，保證控制指令的實時發送執行。軟件啟動后，占用固定通信端口，專為物聯網設備訪問通道，Socket首先建立IP及主機端口套接字，然后將套接字加入監聽序列。軟件開始不斷地掃描是否有客戶端設備接入，當有客戶端進入時，通過客戶端發送的身份標識認證客戶端身份，并將設備加入客戶端列表。在服務器接收連接后，服務器與客戶機可通過調用函數實現數據通信。

圖2 系統平臺的功能結構設計圖Fig.2 The functional and structural design drawing of the system platform

數據采集指令的特征碼為03，按照地址＋特征碼＋數據端口＋crc的數據格式進行設置。數據采集指令發送后，若物聯網設備成功接收數據指令，返回設備端口采集到的數據值，按照MOUDBUS協議格式進行編譯后返回給軟件系統。當軟件系統與設備通信時，讀取到數據后轉入delegate方法進行委托處理，代碼如下：

設備控制與數據采集類似，但數據特征碼不同，數據特征碼為05。系統發出指令后，節點設備在運行控制代碼后，返回一組與接收指令相同的指令，軟件系統收到指令后可確認控制狀態成功改寫。在控制設備時，由于供電異常、信號異常及設備故障等原因，設備控制指令發出后無響應，設備控制異常。在經過實際試驗后，綜合設備反應和信號的傳輸等因素設定異常處理時限。在控制時限內，設備正常接收返回的控制指令；超出時限，則為系統超時設定，系統連接失敗?？刂茣r限代碼：

3.3 視頻監控嵌入

在測控現場配合安裝帶有云臺控制功能的?？低暩咔寰W絡攝像頭，實時觀察到設備指令的執行情況，監測作物的生長發育狀態，建立作物生長圖片庫。采用?？低昳VMS－7000集中監控應用管理平臺建立流媒體服務器與大容量磁盤陣列，視頻監控的嵌入開發通過鏈接視頻服務器平臺，采用TCP／IP網絡通信與Webservers作為數據橋接軟件，應用?？狄曨l顯示組件與接口組件進行軟件開發，采用監控接口為基礎平臺，通過視頻接口video WebReference獲取視頻監控通道信息，使用基礎視頻播放axPlayView＿OCX插件加載視頻信息，將網絡攝像頭視頻接收到本地，實現視頻預覽、視頻窗口調整和攝像頭調整等需求。系統運行時調用接口連接函數，向視頻服務器發出連接需求。連接成功后，按照攝像頭連接格式，生成xml連接配置文件，連接獲取視頻監控圖像。

3.4 系統功能

物聯網系統界面參見圖3。

圖3 物聯網測控的系統界面Fig.3The interface ofinternet intelligent monitoring and control system

3.4.1 系統配置 設置物聯網監控點、終端模塊參數，數據采集時間段、采集間隔、控制系統執行條件等參數。

3.4.2 采集數據 軟件按設定程序或指令，進行數據采集并將其存貯在數據庫。

3.4.3 控制功能 將控制指令通過傳輸模塊發送給終端模塊，控制設備的開啟或關閉。

3.4.4 數據查詢 提供農田環境與作物生理生態信息查詢、傳感器節點狀態査詢和用戶信息查詢等查詢接口。

3.4.5 決策功能 將環境數據作為支撐，農作物管理模型作為管理基礎，為作物管理提供精準管理方案，智能解決農業灌溉、施肥和通風等管理問題，當環境因子達設定下限時自動啟動設備，當環境因子達設定數值上限時自動關閉設備。

3.4.6 視頻監控 將不同地方的視頻集中到1個平臺中，可集中管理和監測生產活動，為病蟲害預警及遠程專家診斷提供依據。

3.4.7 數據管理 在系統內查看數據讓用戶隨時隨地管理數據信息，按照數據應用方案，對數據進行分析和整理。

3.4.8 平臺管理 主要是監控平臺的運行狀態，記錄平臺每天處理的所有任務情況，主要由權限模塊、監控模塊和日志系統等部分組成。

4 應用示范

依據開發的設備與軟件建立貴州省農業科技信息研究所惠水試驗基地、羅甸林場火龍果基地、普定縣綠源苗業有限公司梨園基地、普定縣嘉名農業科技有限公司玫瑰園基地、南明區永樂鄉桃園種植基地、凱里市舟溪鎮黔東南現代農業科技示范園區、榕江蔬菜標準化園、關嶺縣板貴鄉火龍果標準園等不同地形地貌、種植模式的環境下8個127.8hm2果蔬物聯網應用示范基地，推動了果蔬生產基地的標準化建設，產生了良好的社會經濟效益。如關嶺縣板貴鄉三家寨村火龍果物聯網應用示范基地田間監測與測產，節水節肥50%，每批次單株結果增加1個，單果重增加0.07kg，優果率達81.6%，增產78.3%；普定玫瑰種植基地節水70%左右，節肥45%；普定梨樹種植基地節水節肥超過50%。

5 小結

1）根據貴州省的生態氣候條件、土壤條件和果蔬生產的實際需要，選擇了適宜貴州果蔬生產管理的相關硬件設備與控制策略，設計開發了基于ZigBee的物聯網測控系統，針對多種不同測控需求同時采用多種網絡技術，實現了多種網絡融合與無縫連接，實現對現場多種環境要素數據采集、設備控制、遠程傳輸、存儲管理、網絡發布、分析處理，并將圖像、視頻多媒體技術集成在系統中，克服了傳統測控系統現場封閉測控的局限性。通過在省內多個果蔬園區的示范應用，具有較好的效果，將推動貴州果蔬物聯網技術應用的發展。

2）研究開發的硬件設計時采用簡單有效的協議及算法降低了節點整體功耗，在測控區域內部署工作時自動加入網絡，系統具有很強的容錯性能。但除環境因素及距離的關系外，網絡通信還受到電磁、天氣因素及節點本身硬件的精度等影響，今后將進一步增加影響因素的關系分析，不斷改進信號傳播模型，從而提高定位的準確性與組網的容錯能力。

3）由于物聯網測控系統投資較高，企業或種植大戶不愿獨自承擔物聯網測控系統的投資，目前系統的推廣應用存在“瓶頸”問題。隨著貴州高效農業示范園區建設進程的加快和農業結構調整，果蔬產業對物聯網測控系統的廣泛需求。因此，下一步的研究中，將引入新的智能化技術和傳感技術開發價格低、性能可靠及操作簡便的硬件產品，并利用物聯網平臺長期采集的數據進行數據挖掘，開發適應環境復雜多變的作物管理模型，提升平臺的通用性，降低物聯網技術在農業生產中的應用成本。

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（責任編輯：劉忠麗）

Development and Application of Agricultural Internet Monitoring System

PENG Zhiliang，ZHAO Zheying＊，CHEN Weirong，WANG Hu，LI Lijie
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The ZigBee wireless network equipment with gateway，data transmission and collection control for production management of fruits and vegetables and the integration internet monitoring and control system with data collection，equipment control，remote transmission，storage management，Web publishing and video monitoring are developed by the agricultural internet long－distance monitoring and control scheme with multiple network technology according to local ecological climatic conditions and actual demand of fruits and vegetables production in Guizhou.8internet application demonstration bases （127.8hm2）of fruits and vegetables are built according to different landform and cropping pattern to promote standardization construction of fruits and vegetables production bases.

ZigBee；internet；automatic monitoring；vegetable；fruit

S126

A

1001－3601（2016）08－0358－0135－05

2016－05－02；2016－07－01修回

貴州省農業科技攻關項目“果蔬作物物聯網關鍵技術集成與示范”［黔科合NY字（2011）3097］；貴州省農業科學院項目“貴州主要經濟作物物聯網關鍵技術集成與示范應用”［黔農科院院專項（2011）030］，“土壤墑情自動監測預報系統的研究與應用”［黔農科院院專項（2011）031］，“貴州辣椒、火龍果數字化管理技術研究”［黔農科院自主創新科研專項字（2014）011］，“農業園區水肥精準控制管理技術研究與示范”

彭志良（1962－），男，研究員，從事農業信息技術研究。E－mai1：pengzhiliang＠126.com

＊通訊作者：趙澤英（1975－），男，研究員，從事農業信息技術研究。E－mai1：605538133＠qq.com