物聯網技術在遠程霜凍預防控制系統中的應用

王昕雨，衛建國，雷冰冰，鎖興亞，暢紹宇

(1.北方民族大學 計算機科學與工程學院，寧夏 銀川 750021；2.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏云控農業物聯網科技有限公司，寧夏 銀川 750200)

0 引 言

近年來，物聯網通過實現物與物、物與人，所有物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制[1]，發展迅速且已被廣泛應用于生產生活的多個領域，農業物聯網[2]也成為了世界各國尤為關注的熱點問題。當前，中國農業正處于傳統農業向現代農業轉型期，農業物聯網為現代農業的發展提供了前所未有的機遇[3]。而隨著全球氣候環境的多變、異常，農業氣象災害的日益嚴重成為農業生產發展的巨大阻礙，其中，霜凍災害是一種較為常見的農業氣象災害，嚴重的霜凍災害造成果樹等作物的大面積減產，使農業收成遭受重創[4]。

一些發達國家在防霜方面很早實現了機械化、自動化。日本早在1928年就開始用電機帶動較大的風扇進行茶園防霜研究，到20世紀50年代用機械對茶園、果園防霜的技術已較成熟，到80年代末期，日本有霜害威脅的果園90%以上開始使用機械防霜[5]。在國內，物聯網技術已推向全國市場且取得了較好的成績[6]，但由于現代化農業起步較晚，存在著自動化、智能化不足，信息化建設缺乏的缺點，在極端環境應急措施上，還采用一些比較傳統的方式，物聯網在農業霜凍災害預防控制方面應用較少，雖然個別企業生產了防霜煙霧彈，防霜機[7]，極大地解決了極端天氣環境下的霜凍問題，但是這些預防措施自動化程度不高，使用起來較為麻煩，且人工操作達不到理想效果。

基于此，考慮到物聯網技術的特點和發展現狀以及霜凍災害對農業發展的重要影響，研究一套科學完善的霜凍預防控制系統符合中國農業需求，對促進中國農業物聯網的發展[8]具有十分重要的意義。文中提出了基于物聯網的遠程防霜控制系統的總體框架，根據物聯網三層架構特點介紹了其感知層、網絡層、應用層的具體設計與實現，并與實際果園霜凍預防結合，驗證了其可行性和有效性。

1 系統總體設計

1.1 霜凍預防措施選擇

文中系統設計使用的防霜措施為防霜局部加熱、煙彈點燃、防霜機[9]防霜三種方式結合的防霜措施，采用防霜加熱裝置、煙彈點火裝置、防霜機三種設備配合預防霜凍。

(1)防霜加熱裝置是室外果園集中燃燒加熱點采用的裝置，通常在裝置內加入燃燒物和引燃材料，在霜凍來臨時，對設備內的燃燒物進行引燃，燃燒時產生熱量并釋放二氧化碳氣體，二氧化碳氣體屬于溫室氣體，可以吸收地面的熱輻射，有效提高植物周圍的空氣溫度，防止霜凍。防霜加熱裝置主要由控制終端和防霜加熱點火控制裝置組成。防霜加熱控制裝置設計有鏤空外殼、引燃物以及可燃物、快速點燃點火裝置。

(2)煙彈是室外果園分散點產生煙霧的裝置。煙彈點火裝置主要用于遠程自動控制點燃煙彈，具有快速、穩定、不受環境影響、APP遠程操作的優點。煙彈點火裝置由煙彈點火智能控制終端和煙彈點火控制裝置兩大部分組成。主要進行煙彈點火輸出控制，實時溫濕度數據采集和無線數據實時傳輸。煙彈點火控制裝置由鎢絲發熱裝置進行煙彈引火線點燃控制，其中的鎢絲發熱裝置能在1 s～3 s內達到點火溫度，可一次性點燃引火線，很好地克服了現有技術中點火裝置自動化控制困難和使用化學引燃物可能存在的安全隱患，且為了讓引火線與發熱裝置充分接觸設計的用于固定的反彈壓力結構能夠很好地固定引火線，使點火裝置點火時更加安全可靠，固定板采用阻燃材料，連接裝置的導線采用防火阻燃云母高溫線，使點火裝置具有較高的安全性。

(3)防霜機防霜主要通過防霜機控制系統實現遠程調控防霜機的啟動和停止。防霜機是工業企業按照防霜技術要求生產的電力驅動設備。防霜機安裝于室外果園，屬于固定設備，設備依靠電力提供能源改變風力循環。防霜機控制系統主要由防霜機控制終端和防霜機控制裝置組成。防霜機控制裝置通過控制終端進行指令調控，主要由軟啟動調控裝置、旁路接觸器等組成。

1.2 系統整體架構設計

基于物聯網技術[10]的遠程防霜控制系統是采用“物聯網+APP”遠程控制技術，在野外種植地(農場、果園等)采集氣象要素信息，針對林果發育期特定階段和氣象條件，進行小氣候調控或霜凍災害防御的軟件和硬件控制系統。系統主要由防霜系統手機APP、智能網關、智能控制終端、煙彈點火裝置、防霜機[11]控制裝置、防霜加熱裝置、溫濕度監測系統等組成。系統具有自主運行機制，在春、夏、秋、冬四季中，在夏、秋等時節，系統保持低功耗或睡眠狀態，以節約內部電池電能。進入冬末或初春植物花期需要謹慎防治霜凍時節，系統可通過人工設置監測頻率來達到極端氣象環境的監測；系統還設置了溫濕度自動監測提醒裝置，當溫度處于正常范圍，未有管理員設置規則時，系統保持低功耗狀態；當溫度下降到某一極限值時，系統自動提高數據上報頻率；當溫度繼續下降，達到防霜溫度要求的極限值時，系統自動啟動防霜機、煙彈點火、防霜加熱等裝置，防止植物凍傷。圖1為系統總體架構。

基于物聯網[12]三層架構特點，系統由感知層、網絡層、應用層三層結構構成。首先由感知層終端部分進行基礎數據采集、實地情況信息采集，將采集到的數據通過網絡層設計的多種傳輸技術結合的方式進行傳輸，最終將數據傳回應用層客戶端、手機APP，便于用戶可視化使用以及針對數據實際情況分析，并回傳控制命令對終端設備進行控制，以達到系統整體功能的有效實現，最終達到系統霜凍預防的目的。

圖1 系統總體架構

1.3 感知層設計

感知層主要實現果園等野外實地基礎數據、實地情況信息的采集功能，根據霜凍形成的主要原因，采用溫濕度采集分析的方式，采集實地溫濕度數據，并同時設計防霜加熱裝置、煙彈點火裝置、防霜機控制裝置三種防霜終端設備結合，以達到根據回傳控制命令控制設備開啟的目的。

其設計要求為：(1)準確、有效地測量野外實地的溫濕度數據；(2)測量設備滿足理論及實際應用標準要求、具有較高的可靠性；(3)考慮野外環境的特殊性，設備需具有一定抗環境侵蝕能力，以保證其穩定性；(4)具備數據采集及通訊功能。此外，還要考慮其經濟可行性。

基于上述要求，文中系統設計了如圖2所示的感知層智能控制終端原理結構，即系統中的智能控制終端內部結構。智能控制終端的主要功能是溫濕度采集、控制各設備單元、與智能網關進行數據交互。終端主要由MCU中央處理單元、溫濕度監測單元、433MHzLoRa模塊、系統工作電源轉換及分配單元、高密度功率電池組成。根據不同的用途和環境，分別設計有防霜加熱裝置點火接口單元、防霜加熱裝置點火控制輸出功能模塊；防霜機接口單元、防霜機控制輸出功能模塊；煙彈點火裝置接口單元、煙彈點火裝置控制輸出功能模塊。主要接收來自智能網關的控制指令，控制煙彈點火裝置、防霜機、防霜加熱點火裝置等工作，并上傳相關的控制狀態至智能網關。由于設備處于野外長期工作的特殊情況，對供電電池的使用壽命、電壓穩定性和抗環境侵蝕能力的要求比較高，系統采用的ER34615M電池工作電壓平穩，在使用壽命期內具有高而穩定的電壓響應，低自放電率(在25℃的條件下存儲，年自放電率低于1%)，采用氣密的玻璃封口金屬外殼和非可燃性電解液炭包式結構，能很好地滿足上述需求。

圖2 感知層智能控制終端原理結構示意圖

溫濕度監測單元是智能控制終端中的重要組成部分，在此部分文中設計了專門的溫濕度監測系統。溫濕度監測系統的功能主要有兩種：(1)采集溫濕度用于大數據分析，便于客戶精準了解果園實際情況，進行科學化管理，以便穩定生產，提高產量；(2)采集溫濕度數據上傳終端，實現煙彈、防霜加熱裝置、防霜機的自動啟動。

溫濕度監測系統主要由工業級溫度采集傳感器、濕度采集傳感器、前端信號放大調理模塊、A/D多路轉換器、數字處理接口單元、MCU中央處理單元組成。主要采集現場區域內的溫度、濕度數據。并且將實時數據上傳至智能網關。由智能網關將數據上傳至后臺服務器。通過后臺軟件系統進行數據分析，從而控制下發相應的操作指令。當現場實際溫、濕度低于某一設定閾值時，自動啟動煙彈、防霜加熱裝置及防霜機等設備進行工作。同時可通過手機APP、PC控制端向服務器主動下發相關的控制指令進行實時控制，繼而通過智能網關將控制指令分發至相應的智能控制終端，智能控制終端相關的輸出接口輸出對應設備的控制狀態，進而實現防煙彈、防霜加熱裝置、防霜機的自動啟動。

圖3為溫濕度監測系統原理框圖。

圖3 溫濕度監測系統原理框圖

1.4 網絡層設計

網絡層的主要功能是將感知層采集到的溫濕度數據及信息傳輸至應用層(客戶端、手機APP)，文中系統采用智能網關、云端服務器[13]、互聯網多種方式結合的數據傳輸方式實現網絡層數據的傳輸，其中智能網關設計了如圖4所示的原理結構架構。由于果園的野外環境不存在正常的電力供給的能力和日常生活中人們習以為常的網絡通訊環境，自主研發了一款用于野外環境下的自組網絡，可以進行短距離和長距離全天候通訊的智能網關系統。

圖4 網絡層智能網關原理結構示意圖

智能網關主要由MCU中央處理單元、太陽能供電輸入模塊、系統充/供電控制、系統后備電池、系統電源分配、433MHzLoRa以及天線組成。負責數據的中轉以及各類控制設備的管理，它接收來自后臺或客戶端的指令，下發至智能控制終端，并把相關設備狀態數據信息進行反饋。智能網關采用的Lora技術[14]實現與智能控制終端的短距離通訊。Lora技術是LPWAN通信技術中的一種。這是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折中考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統。在實現全天候穩定工作的同時，也使通訊距離達到500 m以上。在文中系統中的所有Lora通訊均為實現智能網關和智能控制終端的短距離通訊。

智能網關采用GPRS[15]通訊技術是為了實現與客戶端APP的遠距離通訊。GPRS(general packet radio service)是通用分組無線服務技術的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。采用GPRS通訊，無論客戶處于多遠距離，只要有手機信號，就能通過APP遠程監測果園的信息，并控制煙彈的點火。由于智能網關需要全天候不間歇工作，雖采取了低功耗處理，耗電量也不是幾塊干電池可以長時間維持的，同時大部分果園不具備供電能力，所以設備采用了蓄電池與太陽能系統的混合供電方式。即使出現連續陰天的情況也能正常工作。

1.5 應用層設計

考慮到系統用戶及維護人員在操作方面的方便快捷等需求以及智能手機的廣泛普及，文中系統開發設計了基于手機APP[16]的應用層實現。總體來說應用層具有如下特點：

(1)使用方便快捷。系統用戶通過手機下載APP，登陸后在使用權限范圍內即可查看設備數據并根據實際需求控制設備工作，可達到遠程高效控制的效果，無需人員實地對設備進行操作[17]。

(2)防霜措施多樣。根據霜凍產生的特點及成因，針對實際環境設計了防霜加熱裝置、煙彈點火裝置、防霜機裝置三種防霜措施相結合的方式，以達到科學有效的防霜目的。

(3)系統可擴展性高。在網絡資源充裕的條件下，可針對實際野外環境情況，擴展模塊接口，并根據實際需求增加終端設備數量。

用戶通過手機APP可查看防霜機、防霜加熱裝置、煙彈的工作狀態和果園環境溫度等數據；可以隨時遠程操控果園的防霜機、防霜加熱裝置、煙彈等設備工作；還可以設定相關設備的溫度閾值，當達到設定的工作溫度閾值時，系統自動啟動防霜機、防霜加熱裝置和煙彈等設備并及時提醒管理員。圖5為系統的手機APP軟件[18]功能模塊。

圖5 應用層手機APP軟件功能模塊

2 結果與評價

該系統在寧夏靈武陶林園藝廠進行了使用，在系統實際使用過程中，用戶下載系統手機APP后，遠程通過用戶名密碼登錄后進入系統，系統獲取當前果園生長舒適度、平均溫度、平均濕度、測量站序號及防霜設備數量并將結果反饋給用戶；用戶通過點擊防霜設備后對相應設備進行管理，根據需要控制設備的開關狀態；系統提供實時溫濕度數據查詢功能，以表格和曲線圖形式直觀地為用戶顯示當前實時溫濕度數據及其變化趨勢；用戶實際使用過程中通過控制煙彈點火裝置將防霜煙彈點燃(如圖6(a)、圖6(b))。由此可見，該系統應用物聯網遠程控制技術實現了通過安卓手機APP遠程接收野外實時溫濕度數據并生成相應溫濕度數據曲線，控制野外各霜凍預防設備工作及顯示各設備工作情況，并在突發情況實現自動控制等功能，在實際應用中系統具有較高的可行性和有效性，達到了物聯網與霜凍預防相結合，方便有效的預防災害的效果。這在一定程度上解決了霜凍預防遠程與自動控制方面的缺陷，在農業生產霜凍災害預防方面具有重要作用，更對中國農業霜凍災害預防控制的發展及農業物聯網的發展應用具有重要意義。

圖6 手機端APP控制煙彈點燃效果

3 結束語

采用物聯網技術開發了遠程霜凍預防控制系統，基于STM32 MCU[16]開發了智能控制終端，基于安卓手機系統的APP軟件，方便用戶遠程控制。首先，感知層通過溫濕度傳感器采集野外環境溫濕度數據；然后，由智能控制終端將采集到的數據由網絡層智能網關通過GPRS信號將數據傳輸至云端服務器，再由云端服務器通過互聯網與客戶端用戶手機APP進行通訊，數據傳輸，歷史數據顯示及設備控制等功能；最后，以三種防霜設備結合作為物理層，驗證了霜凍預防控制系統的可行性和實用性[19]。

此外，該霜凍預防控制系統選用了通用開發環境及設備，具有較高的可移植性。后期將在數據通信、設備狀態顯示、數據云存儲等方面開展進一步的測試，以明確系統性能的要求和網絡布局，從而提高系統在復雜環境工作條件下的穩定性。