基于物聯網的水稻種植全過程智能監控終端設計

李榮德 鄭忠毅 李全文

【摘 要】水稻是廣西主要的糧食作物之一，目前廣西水稻種植仍以家庭為單位的個體種植為主，存在種植規模小，種植全過程信息化、精細化程度低的問題。文章融合應用定位技術、通信技術、傳感技術等物聯網關鍵技術，設計一套水稻種植全過程智能監控終端，為水稻種植智能化、精細化管理和降低水稻種植生產成本、提高經濟效益提供技術手段支撐。

【關鍵詞】物聯網;水稻種植;智能監控

【中圖分類號】TP274.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0024-03

0 引言

水稻是廣西主要的糧食作物之一，種植分布在廣西的各個區域，一年分為兩季種植。目前，廣西水稻種植仍以傳統的生產方式為主，農村家庭聯產承包責任制的獨家獨戶種植、個體種植、小規模經營種植仍是水稻種植的主要生產方式，受到水稻種植信息化程度不高，種植方式粗糙，種植過程智能化和精細化程度低等因素的影響，廣西水稻種植平均產量相對較低，與新型、優質型的雜交水稻種子種植產量預期不相符，整體水稻種植生產經濟效益低。

隨著廣西城鎮化進程的不斷加快，大量人口向城鎮轉移，農村勞動力不斷減少，使水稻種植面臨著嚴峻的挑戰，水稻信息化、集約化種植顯得尤為迫切，而物聯網等新一代信息技術的興起和在農業精細化管理的成功應用推廣，可為水稻種植的信息化提供技術及經驗借鑒。本文針對水稻種植智能化、精細化管理需求，融合應用北斗定位技術、GPRS通信技術、采集傳感技術等物聯網關鍵技術，研究設計一套水稻種植全過程智能監控終端，以解決水稻種植中信息數據采集、通信傳輸、遠程監控、智能調控等技術難題，并為基于大數據的水稻農業種植管理平臺建設提供技術支撐和參考，從而實現水稻的“催芽播種-植秧-分蘗-抽穗揚花-灌漿-黃熟收曬”等全過程環節智能化、精細化管理，提高水稻種植效益。

1 水稻種植全過程智能監控終端設計方案

1.1 硬件架構設計

現代智慧農業對低功耗、高傳播速度、高穩定性和高精確性有著較高的要求。水稻種植全過程智能監控終端在硬件設計上，主要以基于ARM采用低功耗衛星定位硬件創新集成的方式構建具有可連通性、冗余復式的由采集傳感網絡、GPRS通信網絡等組成的無線采集傳感數據通信傳輸網絡體系，通過實時對水稻種植的“催芽播種-植秧-分蘗-抽穗揚花-灌漿-黃熟收曬”等全過程環節進行監控，采集水稻種植環節環境及行為反應信息數據，并自動存儲為水稻種植知識數據庫，為水稻種植智能決策分析，形成科學的種植方案提供信息數據來源，從而實現水稻種植全過程的智能化、精細化管理。終端硬件架構如圖1所示。

如圖1所示，終端硬件系統主要由核心處理單元、通信部分、定位模塊、時鐘模塊、外圍接口電路處理模塊、顯示及擴展通信接口6個部分組成。①核心處理單元包括ARM處理器、數據存儲器、數據傳輸信號接口等。采用高速ARM工業級芯片LPC2148，配備工業級FLASH存儲芯片SST25VF016B，協調整個控制終端的各個模塊。②通信部分主要由RS232接口和無線通信模塊組成，其中無線通信模塊用于監控終端與遠程服務器端之間的通信。③定位模塊采用GPS/北斗雙定位模塊，北斗星通BDM100雙系統高性能GNSS模塊能夠同時支持北斗2北斗1、GPSL1兩個頻點，其主要是對接入傳感采集及控制設備進行實時定位。此模塊外接有源天線，以確保獲取更高的精度和定位速度。④時鐘模塊主要是終端主控板內置顯示時鐘，可進行終端時間設置和定時控制。⑤外圍接口電路處理模塊提供接口為傳感采集及控制設備接入，并能讀取處理采集信息數據和輸出控制電壓、模擬控制電量。采用EasyARM1138為控制芯片，通過RS485、RS232接口接入傳感設備，接收傳感設備采集的信息參數數據，傳感器I2C讀取模塊可以平衡數據傳輸電平，加速數據傳輸速度。⑥顯示及擴展通信接口可輸出顯示終端設置、時鐘、功能設置等狀態，并可外接其他設備。

1.2 軟件架構設計

終端嵌入式系統主要是基于Linnux平臺環境開發，系統可支持多任務，并提供豐富的數據庫函數，使得系統應用功能具有很大的發展空間和伸縮性。終端嵌入式系統的應用程序主要負責對采集到的水稻種植傳感數據進行處理和數據通信等事務，通過對接入的傳感采集、控制、北斗等硬件設備資源進行直接或間接的訪問，并通過交互編譯、重新編譯內核的方式實現對整個監控終端的統一管理。終端嵌入式系統架構如圖2所示。

如圖2所示，終端軟件系統的應用程序主要采用C語言開發，實現的功能包括信令的接收、處理與發送，北斗/GPS數據處理及電源控制，報警，無線通信模塊的通信，I/O口信號采集與控制等，終端主程序主要用來實現開機自檢、協調整個系統工作、在不同時間調用不同程序實現記錄儀的各種功能。同時，通過設置特殊的看門狗進程，監視各個進程的工作狀態，并處理和恢復出故障的進程，從而保證智能監控終端系統的穩定運行。終端軟件主要的應用程序及任務包括以下幾個方面：①RS232串行通信進程，負責與電腦終端進行數據交互。②UART-BDM001通信進程，負責與北斗星雙模定位芯片BDM001進行數據通信。③UART-GSM通信進程，負責與GSM/GPRS模塊進行通信、控制。④鍵盤掃描進程，負責監聽用戶按鍵輸入。⑤UART-I2C通信進程，負責與IC卡讀卡器進行數據交互。⑥LCD顯示進程，負責顯示數據給用戶。⑦時鐘進程，負責與時鐘模塊進行通信、參數設定。⑧業務邏輯進程，負責整個業務邏輯功能，協調各個進程間的工作，實現監控終端的核心進程。⑨看門狗進程，負責監視各個進程的運行狀態，處理并恢復異常進程。

1.3 功能模塊設計

1.3.1 精細數據采集

根據監控終端對水稻種植全過程環節傳感采集相關參數設置，實時采集位置信息及影響水稻種植的環境溫濕度、土壤pH值、病蟲害、風速風力等信息，為及時制訂種植方案提供數據支撐。

1.3.2 實時監控預警

根據采集到的位置信息、傳感信息及數據處理結果，對有可能影響水稻發芽、生長、分蘗、抽穗揚花、灌漿、黃熟的信息狀態進行預測和警報。信息狀態包括溫濕度、土壤pH值、土壤成分、光照度、風速、有害氣體、病蟲害等環境因素及異常狀況。

1.3.3 智能遠程調控

依托GPRS通信網絡技術，提供遠程智能調控功能。通過遠程服務器端，可根據采集數據與水稻種植專家庫進行比對、參考，形成水稻制種調控指令下發，包括浸育種時的溫度、補排水控制及植秧、分蘗、抽穗揚花、灌漿、黃熟等時期的水肥藥調控等。

1.3.4 即時定位

終端支持北斗定位，定位信息包括經緯度、高程、方向和北斗速度。支持遠程服務器端發送即時定位指令，終端可向服務器端返回一條當前的位置狀態信息，位置狀態信息包含時間、經緯度、高程、速度、方向、終端狀態等。

1.3.5 自檢及報警

終端具備自檢功能，當終端啟動時，先自檢，如果出現故障，則在LCD上顯示故障狀態，并及時發出警報。此外，根據參數設置，當出現傳感采集參數超標時，終端自動發出警報。

2 嵌入式數據管理

終端在監控過程中往往會產生大量的定位數據、傳感采集數據及控制指令數據，如何對這些數據進行有效存儲和管理是實現水稻種植全過程智能監控終端功能應用的重要支撐。本文基于SQLite數據管理系統的關聯式特性，采用組件化的方式劃分終端軟件系統功能模塊，并與定位數據、傳感采集數據及控制指令數據等關聯，構建嵌入式數據管理體系。嵌入式數據管理結構如圖3所示。

如圖3所示，系統組件由對象類和接口組成，通過開發一種開放式的API接口，可實現衛星定位模塊、GPRS模塊、時鐘模塊、傳感器采集模塊和控制模塊的接入，使得外部應用程序及功能的接入只需開發新的組件即可直接通過特定的編程接口實現與嵌入式系統的鏈接，從而滿足水稻種植全過程監控的感知信息采集與智能控制應用的交互。終端內核SQL命令處理器通過串口通信接口獲取定位、采集和控制指令后，利用編碼器對信息數據進行解析和存儲處理，供遠程服務器端數據應用程序進行調用。

3 智能人機交互

終端智能人機交互需要軟、硬件相互協調來實現，可通過虛擬機或狀態機互相調配來實現顯示程序的調用，終端顯示程序將數據和控制指令載入顯示緩存，再由設定好的顯示驅動程序將顯示緩存中的內容及指令顯示到LED屏幕上。智能人機交互結構如圖4所示。

如圖4所示，終端智能人機交互模塊包括界面交互、消息框和鍵盤按鈕三大部分，界面交互為終端參數設置和監控提供界面交互功能，要求當進行鍵盤按鈕時，界面交互必須實時響應;消息框提供任務、狀態、時鐘、位置信息和提示信息顯示;鍵盤按鈕為人機交互智能管理提供參數設置、任務管理等鍵入操作，方便對終端進行操控;狀態監控可用于對開機進行自檢，尤其是對CPU與外圍器件，如存儲器RAM、實時時鐘模塊、顯示模塊等模塊的通信狀態檢查及實現對這些器件的初始化，如果各外圍器件狀態良好、初始化通過，則終端開始工作循環，實現既定功能，同時綠色的工作指示燈閃亮指示;如果終端開機自檢沒有通過，則實現紅色報警指示燈閃爍和報警蜂鳴器的轟鳴報警提示。

4 結語

本文圍繞水稻種植全過程智能化、精細化管理需求，融合應用北斗定位技術、GPRS通信技術、采集傳感技術等物聯網關鍵技術，設計了一套基于物聯網的水稻種植全過程智能監控終端，為水稻種植信息化及提高生產效率提供了可靠的技術支撐，同時也為建設基于大數據的水稻種植信息平臺和物聯網技術在農業發展中推廣應用提供借鑒。

參 考 文 獻

[1]勞軍.廣西壯族自治區水稻種植條件及種植建議[J].鄉村科技，2018（23）：91-92.

[2]孫士嬌，燕明偉，張亞珠，等.物聯網農業智能控制系統概述[J].計算機教學，20117（11）：122.

[3]張壘，時恩早.淺析無線傳感器網絡在精準農業中的應用[J].南方農業，2019（15）：175-176.

[4]紀婉玉，蔣超.基于北斗的農田處理采集系統及應用[J].技術進展，2015（6）：24-26.

[5]孫鐵波.北斗衛星定位在精準農業中的應用研究[J].技術推廣，2019（7）：40.