張如軍，吳海鴻

(蘭州市農(nóng)業(yè)信息服務中心，甘肅蘭州 730030)

隨著網(wǎng)絡信息技術的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化需求越來越迫切，而已有的互聯(lián)網(wǎng)技術遠遠不能滿足目前更加深入、更加復雜、更加智能的應用需求，“物聯(lián)網(wǎng)”在此背景下應運而生，為智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇。通過利用M2M技術、RFID技術、WSN網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)挖掘技術、智能學習知識等，依托移動無線網(wǎng)絡(GPRS、3G等)和公共互聯(lián)網(wǎng)(Internet)的無縫連接，將底層的傳感器、農(nóng)機設備、視頻監(jiān)控等整合起來，形成一個具有智能感知、遠程控制的實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)“全面感知、無線傳輸、智能處理”，農(nóng)戶通過手機、電腦、PDA等隨時隨地查詢田間或農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息和設備狀態(tài)，遠程控制相關設備，擺脫了時間、空間的地域限制，全面推進了農(nóng)業(yè)信息化的建設步伐［1－7］。蘭州市農(nóng)業(yè)信息服務中心針對蘭州市非標準化日光溫室在設施農(nóng)業(yè)占有很大比例的現(xiàn)狀，研發(fā)了蘭州市設施農(nóng)業(yè)遠程智能化信息監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過功能模塊化設計，為在非標準化溫室中推廣應用環(huán)境管控技術提供了較為可行的解決方案。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)主要由設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應用平臺、“數(shù)字大棚”終端、各類采集器和各種控制器以及對應設備等部分組成(圖1)。安裝在溫室中的各類采集器，根據(jù)用戶設定的采集時間，定時采集大棚的環(huán)境參數(shù)，通過內(nèi)置的2.4G-RFID無線模塊將大棚中的溫度、濕度等信息及時發(fā)送到“數(shù)字大棚”智能終端，智能終端將這些信息分明別類，按一定規(guī)則通過移動通信網(wǎng)(GSM/GPRS)傳送到“數(shù)字大棚”應用平臺。“數(shù)字大棚”應用平臺接收到溫室中的相應數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中用戶設置的參數(shù)范圍進行比對，超出設定參數(shù)范圍的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即刻采用短信方式自動向用戶手機發(fā)出報警，用戶也可以根據(jù)作物生產(chǎn)的設施環(huán)境要求，通過發(fā)送數(shù)據(jù)指令來遠程完成對設施生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)控操作。

圖1 設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)構成

1.1 設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應用平臺 主要由WEB服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器以及防火墻等組成。平臺軟件采用java語言開發(fā)設計，可部署于普通臺式機或服務器，系統(tǒng)環(huán)境要求為windows/lunix。傳感器將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設備后，由終端設備采用GPRS數(shù)據(jù)形式將數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)杰浖脚_，軟件平臺可以對相關數(shù)據(jù)進行加工和分類處理，以WEB形式方便用戶對相應數(shù)據(jù)信息的查詢和應用。其主要功能:①設備狀態(tài)顯示。能夠顯示各終端設備電源狀態(tài)，是否正常工作，當前的采樣數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)采樣時間等信息。②數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢。能夠查詢各采集點及不同數(shù)據(jù)采集時間的環(huán)境數(shù)據(jù)值，在需要時還能將數(shù)據(jù)以EXCEL電子表格方式導出，方便對數(shù)據(jù)的綜合分析利用。③采樣詳細信息。能夠?qū)Ω鱾鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)信息進行詳細的查詢，結合傳感器的安置位置，能夠詳細了解設施環(huán)境在各時段的詳細數(shù)據(jù)值和動態(tài)變化情況。④設備管理。能夠?qū)Ω鹘K端設備的名稱、安置地點、端口記錄、設備編號等信息進行編輯修改，方便農(nóng)戶對終端設備進行變更調(diào)整。⑤卡管理。能夠?qū)γ總€傳感器的名稱、編號、所屬終端等信息進行編輯修改，以方便農(nóng)戶對傳感器的修正。⑥用戶管理。能夠進行后臺用戶的添加、刪除和用戶信息編輯等操作，為以后平臺軟件的共享應用預留空間。

1.2 “數(shù)字大棚”終端 主要作用是采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)和控制設備。它集成了移動通信工業(yè)通信模塊(GSM/GPRS)、2.4G-RFID無線數(shù)據(jù)模塊以及相應的RS 485接口，從而在溫室大棚中實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸和設備控制。終端采用GSM/GPRS雙頻工業(yè)模塊和2.4G-RFID無線收發(fā)模塊設計，通過GPRS方式連接到“數(shù)字大棚”應用平臺，通過2.4GRFID與各類采集器進行無線連接，通過RS485與各類控制器進行有線連接。當各類采集器定時采集到環(huán)境數(shù)據(jù)后發(fā)送至終端，終端通過GPRS方式發(fā)送到“數(shù)字大棚”應用平臺。項目研發(fā)的設備能支持100個數(shù)據(jù)采集器，每個采集器能存儲50個數(shù)據(jù)。2.4G-RFID工作頻率頻段為2 415～2 512 MHz，采用全向天線，增益為4～6 dBi，檢測范圍為0～50 m，傳輸速率約為1 MB/s。內(nèi)置RS485接口，可以并接16個控制器，采用220VAC/9VDC開關電源和鎳氫充電電池供電，整機功耗小于2 W，掉電后待機12 h。通過GPRS方式連接移動互聯(lián)網(wǎng)，插上開通來電顯示和GPRS功能的SIM卡，打開電源即可工作。通過“數(shù)字大棚”應用平臺，可實現(xiàn)終端軟件的遠程升級，并監(jiān)控終端的運行狀態(tài)。

1.3 采集器 主要作用是通過各類傳感器將溫室大棚里的環(huán)境信息采集到設備中，然后通過2.4G-RFID無線模塊傳輸?shù)健皵?shù)字大棚”智能終端。采集器采用2.4G-RFID無線收發(fā)模塊、溫濕度傳感器和功率放大器設計。內(nèi)置1 000 mAH的鋰電池，待機電流小于0.005 mA，工作時發(fā)射和接收電流小于50 mA，超低功耗，使用壽命大于3年。配合“數(shù)字大棚”終端的2.4G-RFID讀寫器和全向天線，檢測范圍可達200～500 m?？蓪崿F(xiàn)有方向性和無方向性的識別，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求，環(huán)境適應溫度在－35～75℃，具有較好的實用性。采集器種類包括空氣溫濕度、二氧化碳氣體濃度、土壤水分和溫度等。為了有效延長2.4G-RFID模塊無線傳輸距離，開發(fā)了多級級聯(lián)功能，級聯(lián)的數(shù)量可達255級，也就是采集器既能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集也能實現(xiàn)信號中繼功能，當GPRS斷線時，能夠確保數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)倪B續(xù)性、穩(wěn)定性，同時也有效提高了大棚數(shù)據(jù)采集的安全性和準確性，并且具有良好的可拓展性。

1.4 控制器 控制器是通過RS485數(shù)據(jù)線與“數(shù)字大棚”終端進行分級連接，其主要作用就是農(nóng)戶采用短信或移動互聯(lián)網(wǎng)的方式，通過“數(shù)字大棚”終端實現(xiàn)對溫室大棚農(nóng)作物生長環(huán)境的遠程調(diào)節(jié)。控制器終端通過2.4G-RFID無線收發(fā)模塊、RS485或RS323數(shù)據(jù)線與各類控制器進行連接，用戶發(fā)出的控制指令通過“數(shù)字大棚”終端直接控制相應的控制器，可實現(xiàn)以下設備的自動控制:保溫卷簾控制器(正反轉(zhuǎn)啟停控制)，通風卷簾控制器(正反轉(zhuǎn)啟停控制)，滴灌控制器(啟?？刂?，CO2發(fā)生裝置控制器(啟?？刂?。控制終端采用功能模塊化設計，農(nóng)戶可根據(jù)自己生產(chǎn)的實際需要，加裝相應的控制模塊，從而實現(xiàn)不同的環(huán)境調(diào)控功能，大大提高了系統(tǒng)部署的靈活性，降低了投入成本，非常適合在非標準化的溫室中進行應用。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用2.4 GHz無線技術、J2EE平臺面向服務的體系結構(SOA)技術，主要由門戶管理、業(yè)務管理和系統(tǒng)接口3大部分組成(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能示意

門戶接入是“數(shù)字大棚”平臺與客戶的邊界，通過門戶將“數(shù)字大棚”平臺的業(yè)務展現(xiàn)給客戶使用?？蛻艨赏ㄟ^手機、互聯(lián)網(wǎng)等方式登錄訪問平臺。

業(yè)務管理是面向產(chǎn)品和營銷提供的應用支撐功能和面向平臺提供的運維支撐功能以及面向客戶應用提供的業(yè)務功能的集合，包括業(yè)務管理、業(yè)務支撐、計費結算、農(nóng)業(yè)管理、大棚管理、短信/彩信管理、設備管理、系統(tǒng)管理等功能。

系統(tǒng)接口部分是“數(shù)字大棚”平臺與終端、移動內(nèi)部各系統(tǒng)之間的功能集合，主要為“數(shù)字大棚”平臺提供支撐及應用擴展功能。外部接口主要包括短信接口、終端協(xié)議接口、預留接口等。

2.1 系統(tǒng)管理 “數(shù)字大棚”平臺提供組織機構的管理、用戶/角色/權限管理、日志管理、參數(shù)配置管理等功能，方便系統(tǒng)配置和用戶使用。

2.2 大棚管理 ①實現(xiàn)對農(nóng)戶信息、大棚信息、大棚中作物信息的增、刪、改、查和統(tǒng)計，支持web和短信。信息修改只有棚主或系統(tǒng)授權系統(tǒng)進行;除棚主外，所轄農(nóng)業(yè)主管、技術部門可以查詢。②實現(xiàn)對環(huán)境指標的查詢和統(tǒng)計。除棚主外，所轄農(nóng)業(yè)主管、技術部門可以查詢。③統(tǒng)計一定時段內(nèi)的環(huán)境指標、設備狀態(tài)，可以導出excel。④實現(xiàn)設置環(huán)境告警閥值，設置設備操作觸發(fā)條件，支持web和短信指令。⑤根據(jù)環(huán)境或業(yè)務閥值的要求，通過短信或web平臺方式自動向用戶發(fā)出告警信息，提示用戶進行相關操作。可設置告警方式、周期、次數(shù)等。

2.3 設備管理 對終端信息、傳感器、控制器信息的維護。

3 系統(tǒng)特點

采用了2.4GHz-RFID有源電子標簽技術與移動互聯(lián)網(wǎng)(GSM/GPRS或TD-SCDMA)技術相結合的方式來完成在溫室大棚溫度、濕度等信息的采集和處理工作以及農(nóng)業(yè)設施設備的控制。具有以下較為突出的特點。

3.1 自動化 各類采集器自動完成溫室內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)的采集、存儲，并根據(jù)用戶的實際生產(chǎn)需求，實現(xiàn)各類環(huán)境調(diào)控設備的遠程自動控制。

3.2 智能化 用戶利用智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)，通過設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)應用平臺，獲得溫室中的環(huán)境信息。當大棚中的環(huán)境超過用戶設置的范圍時，可自動向農(nóng)戶發(fā)送各類報警信息，用戶可及時通過移動互聯(lián)網(wǎng)或手機短信方式完成對設施環(huán)境的遠程調(diào)節(jié)。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與信息查詢 用戶利用移動互聯(lián)網(wǎng)登錄設施農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)網(wǎng)站，查詢相應的環(huán)境數(shù)據(jù)停息，并可自動生成相關參數(shù)的變化曲線，為人工決策提供參考。

3.4 網(wǎng)絡化 充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)以及智能手機越來越普及的優(yōu)勢，通過物聯(lián)網(wǎng)RFID技術，將溫室中需要觀測的環(huán)境參數(shù)，自動連接到互聯(lián)網(wǎng)中，供需要的用戶查詢和設置。

3.5 低成本 系統(tǒng)集成了成熟的產(chǎn)品和技術，針對非標準化溫室的實際建設情況，采用模塊化設計思路，建設和部署成本較業(yè)內(nèi)同樣的產(chǎn)品降低30%以上，特別適合經(jīng)濟條件較薄弱的地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 總體評價

該系統(tǒng)集成了移動數(shù)據(jù)GPRS模塊、2.4G-RFID無線收發(fā)模塊與溫濕度傳感器以及終端電路控制等目前業(yè)界最先進的信息處理和管理技術，能夠進行無線數(shù)據(jù)傳輸和遠程電路控制，能夠?qū)崿F(xiàn)設施生產(chǎn)的溫濕度自動監(jiān)測、手機短信數(shù)據(jù)即時查詢、溫度濕度超標短信報警，通過手機短信遠程進行自動卷簾調(diào)光、卷膜通風、CO2補充和自動節(jié)水灌溉控制等功能;系統(tǒng)開發(fā)了網(wǎng)絡平臺軟件，通過互網(wǎng)也能對設施環(huán)境數(shù)據(jù)進行查詢，并能進行歷史數(shù)據(jù)的導出和分析。系統(tǒng)具備以下優(yōu)點:①能夠進行數(shù)據(jù)緩存，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，信號無線傳輸距離遠，抗干擾，環(huán)境適應性強、性能穩(wěn)定。②緩存能力強，數(shù)據(jù)防沖突，信號穩(wěn)定，能耗低，讀取數(shù)據(jù)快，控制接口有良好的可拓展性，能夠進行閥值自動告警。③解決了傳統(tǒng)溫室在自動卷簾過程中可能出現(xiàn)的保溫簾翻卷過后墻的問題。④體積小、安裝簡單。通過控制各種電路的開啟以達到實現(xiàn)設施環(huán)境遠程調(diào)控的目的，可以設定電路的開啟時長以實現(xiàn)精準控制操作的功能，不用對大棚進行全面改造就可以實現(xiàn)相關控制系統(tǒng)的遠程操作，適合在各種類型的設施中進行部署。系統(tǒng)環(huán)境要求不高，部署方便，功能較為全面。

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