基于物聯網云技術的農業基地綜合管理系統

曾 瑜，張仁貢，劉進寶，厲 莎

(1.浙江同濟科技職業學院 水利工程系，杭州 311231；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310052)

當前，隨著科技的進步，尤其是4G及5G通信技術、云數據庫及云服務技術、物聯網技術、移動互聯網APP技術、GIS技術等的進步[1,2]，為解決農村小型農業基地自動化智慧化的問題，包括：①采用人工農藥噴灑和人工水管灌溉等，容易損傷作物且成本較高。②安全問題。尤其是比較名貴的作物或藥物，安全管理存在問題，偷盜問題時有發生，傳統的視頻監控效果難以達到。③集成化程度較差。往往安裝了多套功能單一的系統，如節水系統、語音系統、視頻流系統、噴灑系統等[3]，操作非常不方便。④缺少互聯網移動APP平臺。一些大型大型農業基地或大型灌區的管理平臺不是很適用[4]，無用的功能多且價格昂貴。為此，急需研究開發一款經濟型、操作方便型、傻瓜型的現代化綜合管理云系統，以解決上述問題。

為此，筆者科研團隊通過五年多的科學實驗和研究，結合4G及5G通信技術、云數據庫及云服務技術、物聯網技術、移動互聯網APP技術、GIS技術等現代化技術[5]，發明了該系統。該系統獲得國家軟件著作權(2017SR228298)和水利部先進技術科技推廣證書(TZ2016067)。

1 框架設計

總體框架如圖1所示。從圖1可知如下內容：首先，4G通信是核心鏈路技術[6]，通過該技術，將視頻流數據與PLC控制器[7]和自主研發的雙核多功能物聯網裝置進行通信。其次，各種狀態量、開關量、模擬量、脈沖量等通過PLC與雙核多功能物聯網裝置進行通信，這里涉及雙核多功能物聯網裝置的發明專利，該裝置實現了多種信號的集中采集和處理，具體參見核心技術的研發[8]。再次，云技術服務中心的研發，該中心結合了云技術和云數據庫服務，可以租賃阿里巴巴云空間，實現數據庫研發的云空間化，實現無需服務器實現多個農業基地的共享數據庫的應用。最后，云服務中心可以通過移動互聯網[9]，與APP、電腦終端監管系統等鏈接通信。

圖1 綜合管理云系統總體構架Fig.1 General framework of integrated cloud management system for intelligent small agricultural base

2 雙核多功能物聯網采集裝置

經過自主研發發明的該雙核多功能物聯網采集裝置，目的是解決多個系統數據采集的接口統一問題。該裝置可以接收視頻流、語音流、狀態流、脈沖流、模擬流等數據信號，采用了4G通信網絡的支持，帶有雙核多功能應用輸入輸出模塊[10]，其結構如圖2所示。

該裝置以RTU+CPU為核心單元，屬于雙核裝置，使用多種傳感器采集各類參數，利用GPRS網絡傳送數據，支持太陽能極板供電。工作方式是采用隨機和定時相結合的2種自報工作方式，這種方式功耗低，便于供電[11]，結構簡單，可靠性高，實時性強，能很好地反映數據等變化的全過程[12]。隨機自報方式的時間間隔大于0.5 s時，表明被測量裝置有增減變化，會自動向數據信息中心傳輸一次數據。而定時自報方式，顧名思義是不管被測參數是否變化，都將每隔1 s向數據信息中心傳輸一次數據。

該設備支持與調度中心管理主機和手機雙向信息交互功能，工作人員可通過手機APP實現對設備終端的參數設置、工作狀態查詢等操作。

該裝置的主要功能包括：①“省電”模式，實現較低的功耗。GPRS終端模塊可以設定上報時間，當需要上報是主動打開采集模塊電源，信息發送完畢切斷采集模塊電源；②系統能夠響應云服務中心發送的數據，并將其存儲于本地服務器中[13]；③可以實現多種參數的測量，包括視頻流、語音流以及脈沖量；④可設置GPS時鐘，包括時鐘點號、定時值、間隔秒數、系統時鐘記錄等；⑤可以定時定間隔報送數據；⑥可以設置數據報送的周期；⑦可以采用可再生能源和新能源，如太陽能、風能等，包括配合蓄電池進行供電[14]；⑧可以記錄數據采集器采集的數據系統時間，可以精確到秒級[15]；⑨具有光電隔離功能，抗外部干擾能力強[16]。

3 電磁閥控制微系統

該系統可以采用現地手動人工控制、半自動的現地控制和全自動的遠程控制控制三層控制系統[17]，現地手動人工控制優先級最高，其次為半自動的現地控制優先級，全自動的遠程控制控制的優先級別為最低，且具有互鎖功能[18]。系統結構圖如圖3所示。

4 云服務GIS設計

基于XML 進行信息交互的GIS 信息是屬性數據和空間數據的結合，其中比較突出的問題是數據量比較大、位置分散[19]，通過國際統一格式標準實現數據庫云服務中心與終端APP的互交通信，通信采用了XMLDOM對象，該對象采用XML數據傳輸格式，由XMLDOM語句處理XML 標準數據，其中DOM動態鏈接庫模塊，在接收到APP端響應時，會啟動ASP 文件的URL鏈接，通過創建XMLDOM對象，調用XMLDOM對象的load 方法，由云服務器的WEB端的ASP 文件調用XMLDOM對象的有關屬性和方法，主要代碼為：

圖2 雙核多功能物聯網采集裝置結構圖Fig.2 Dual core multi-function network collection device structure diagram

圖3 電磁閥控制微系統結構圖Fig.3 Microsystem Structure of Electromagnetic Valve Control

ZenYustrURL =“query.asp ? ID = 1001”∥ ZenYustrURL為構造URL ，1001 為渠道ID 號

Set ZenYudocSubmit = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)∥ 創建XMLDOM對象

ZenYudocSubmit.load(strURL)∥ 裝載XML 數據

Set ZenYudocReceive = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)

ZenYudocReceive.async = False

ZenYudocReceive.load(“result.xml”)∥ 調用服務器端生成的XML

5 交互集成技術

由于系統涉及APP的一張圖現實，或多個基地點的一張圖訪問機制。本系統采用MapInfo 與VB的互交技術，該技術的服務端通過OLE鏈接庫文件開放式實現MapInfo的處理數據與云服務中心的鏈接，例如可以用VB 編程工具，采用OLE 嵌入并生成MapInfo 對象，由MapInfo.CallBack屬性實現數據訪問和調用，Class Module中的MapCallBack 包含GetSelectPoint 和GetLength兩個過程函數，可以通過這兩個過程，實現數據回調，主要代碼如下：

Public ZenYUmapApp as Object ∥ 定義名為mapApp 的MapInfo 對象

Public ZenYUcallback as Object ∥ 定義名為callback 的回調對象

ZenYUMapApp.do“Set ZenYUApplication Windows” &MainForm.Hwnd /設置apInfo句柄

Set ZenYUcallback = New MapCallBack

ZenYUMapApp.SetCallBack callback ∥ 獲取回調函數

ZenYUMapApp.do “Create Buttonpad” “ICallBack” “as Toolbutton ID 2002 DrawMode 34 Cursor 0 Calling OLE”“

GetSelectPoint“”∥ 獲取點擊處的位置

ZenYUmapApp.do“Create Buttonpad”“WcallBack”“as Toolbutton ID 2018 DrawMode 36 Cursor 138 Calling OLE”

6 實例分析

該應用案例基地位于嘉興海寧市錢塘江江畔，實施面積1.333 hm2，要求采用上述互聯網云服務的設計體系。①該農業基地包括水池基礎(20 m3及以上)、水泵和增壓泵，電磁閥、管道、視頻基座、控制房等；②現地控制單元LCU包括溫度、濕度、水位等模擬量物聯網采集裝置、電磁閥開關量、RS-485通訊串行接口設備、西門子PLC單元控制系統、光端機、組態軟件、觸摸屏系統等；③視頻流監視系統包括球形攝像機、無線通信、360旋轉云臺、APP終端系統等；④云數據庫系統包括SPACE云空間、云DABE數據庫、MIS系統、安全配置等[20]；⑤移動APP平臺包括各類功能的實現等。

6.1 云服務器數據訪問措施

首先通過APP的設置，實現現地與APP的訪問，由現地觸摸屏，實現云端服務器的注冊。同時通過ZenYUstrings字符串實現安全配置，包括用戶名和密碼。然后進行數據的初始化，同時配置云端服務器與現地存儲單元的備份機制，保持同步更新，有利于基地的數據的長期保存。

6.2 WebGis對接ArcGIS

在本項目經費有限，通過一段時間的努力，采用該系統節約了成本，又一次完成要達到的功能。尤其是在APP開發上，在基本功能滿足的條件下，通過InfoGAP的諸多現存的屬性、函數和方法，實現功能的APP設置，實現APP顯示的豐富內容，便于用戶操作。圖片存儲和導出盡量采用通用的手機訪問格式，不但蘋果手機還是安卓手機都能夠接受，如png或jpeg等格式。開發接口Arcgis Server，實現一張圖的高級格式化輸出，有利于訪問的實時性，同時采用公用平臺的云服務，節約了服務器的成本，節約了投資，符合解決農村農業基地經費不足的問題。

6.3 數據庫對接和整合相關信息

系統軟件鏈接和安裝完成后，完成數據庫的配置，這需要采用MISDABES的數據管理功能，可以采用SQl2008語句，實現基于WEB的SQL設置和開發，可以采用SETSQL、UPDATESQL、ADDSQL等語法，實現云數據庫與WEB APP終端軟件的無縫對接[21]，具體云數據庫服務設計框架如圖4所示。

圖4 嘉興海寧市錢塘江農業基地節水灌溉云系統框架Fig.4 Framework of water-saving irrigation cloud system for Qiantang River agricultural base in Haining,Jiaxing

從圖4可知，云技術服務中采用無線云網，實現了與移動用戶的鏈接，采用Dispose模式，在云服務中，設計了安全體系。基于移動APP互聯系統與現地控制單元西門子PLC-200型智能控制器LCU的動態鏈接，采用DOM的協助管理觸摸屏程序。本系統需要接入智慧錢塘江綜合管理系統，故通過大數據庫系統，通過云鏈路接口，實現接口的接入。圖5為案例界面。

7 結 語

目前，本系統已應用到全國200多個小型農村農業基地，系統穩定可靠，成本低廉，操作簡單，有效解決了小型農村農業基地的諸多問題。我們的下一步研究將把重心放在開辟協助農業基地產品發布的商業云鏈接等，通過大數據分析上，針對不同的植物使灌溉更加精準，愿通過本系統的研究和開發，能為全國農業基地的節水灌溉系統設計提供借鑒。