李小勇，于群，趙紅玉，霍大勇

(喀什大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院，喀什 844000)

南疆地區(qū)的大規(guī)模農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李小勇，于群，趙紅玉，霍大勇

(喀什大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院，喀什 844000)

摘要:針對(duì)南疆農(nóng)業(yè)信息化需求，本文就實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離、低成本數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開研究。設(shè)計(jì)了一套能實(shí)現(xiàn)基本功能的遠(yuǎn)程農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)搭建無線采集網(wǎng)絡(luò)；采用網(wǎng)絡(luò)化嵌入式數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田信息；數(shù)據(jù)通過無線信道遠(yuǎn)程傳回農(nóng)田監(jiān)測(cè)中心；服務(wù)程序通過網(wǎng)絡(luò)從采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并完成處理和存儲(chǔ)的工作。通過該系統(tǒng)可方便地查看地農(nóng)田的狀態(tài)信息，為從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)指導(dǎo)等工作帶來便利。

關(guān)鍵詞:農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn);服務(wù)程序設(shè)計(jì);Web程序

引言

南疆地區(qū)地廣人稀，隨著農(nóng)村人口老齡化情況日益嚴(yán)重，農(nóng)作物規(guī)?；N植、農(nóng)田的管理依靠人力要費(fèi)很大的精力。信息技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)上促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化發(fā)展[1-5,11-12]，有助于幫助農(nóng)民節(jié)省體力和精力。比如，一般是到農(nóng)田巡視，憑借人的經(jīng)驗(yàn)確定缺水狀況。如將若干農(nóng)田水分信息進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則坐在室內(nèi)就可以比較科學(xué)地判斷農(nóng)田缺水狀況。

為了達(dá)到以上目標(biāo)，本文從技術(shù)層面上展開研究。首先，在農(nóng)田數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)搭建無線中繼網(wǎng)絡(luò)[6-7]，每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)可作為數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)橋的方式傳輸?shù)睫r(nóng)田監(jiān)測(cè)中心的PC主機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示。通過實(shí)驗(yàn)與測(cè)試得出，本文提出的農(nóng)田監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方案具有較大的數(shù)據(jù)帶寬，通信效果穩(wěn)定，搭建成本低廉，適用于進(jìn)行大范圍的數(shù)據(jù)采集的農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)。

1農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體模型

農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)在組成上分為三個(gè)部分，包括實(shí)現(xiàn)農(nóng)田數(shù)據(jù)大范圍、分布式數(shù)據(jù)采集的農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)部分，采用無線網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)現(xiàn)的無線橋接功能部分，以及完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、顯示等功能的農(nóng)田監(jiān)測(cè)中心部分。農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)包括用于組網(wǎng)的無線中繼設(shè)備、用于農(nóng)田數(shù)據(jù)采集的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

在農(nóng)田數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠有較遠(yuǎn)的通信距離，實(shí)現(xiàn)較大的覆蓋范圍。網(wǎng)絡(luò)的通信方式采用無線通信，這樣能減少有線連接，便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，方便現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的部署。通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)備采用較大功率的WiFi設(shè)備。首先，將WiFi設(shè)備配置為無線中繼模式，再通過無線中繼的方式將數(shù)個(gè)WiFi設(shè)備順序相連，構(gòu)成一個(gè)基本的通信網(wǎng)絡(luò)。

在圖1中，A、B、C表示三個(gè)無線WiFi設(shè)備，均工作在無線中繼模式。每一個(gè)無線中繼設(shè)備可以連接一至多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與無線中繼設(shè)備之間的連接方式既可以是無線連接方式(WiFi)，也可以是有線的連接方式(通過RJ45接口)。在本系統(tǒng)中，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為與最近的一個(gè)無線中繼模塊連接，并將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，最終會(huì)通過無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到農(nóng)田監(jiān)測(cè)中心的PC主機(jī)，以供數(shù)據(jù)處理和顯示。

在傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與無線中繼模塊距離較近時(shí)(數(shù)米以內(nèi))，可以采用有線連接方式，直接由無線中繼設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)線供電(POE)給采集節(jié)點(diǎn)。這時(shí)候網(wǎng)線的阻抗較低，電壓衰減較少，可以有效供應(yīng)電能。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以采用無線連接的方式。每一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)均需要獨(dú)立的微型供電系統(tǒng)，采用光伏發(fā)電方式。

圖2　農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)組成框圖

每個(gè)無線中繼設(shè)備能夠有效地覆蓋多個(gè)農(nóng)田，每一塊農(nóng)田至少安裝一個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，并從最近的無線中繼設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)無線中繼設(shè)備組成一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)?？梢钥闯鲛r(nóng)田的數(shù)據(jù)采集具有大面積采集、分布式采集的特點(diǎn)。農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)組成框圖如圖2所示。采用這樣的組網(wǎng)方式，一是為了方便實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)采集，二是可以實(shí)現(xiàn)較大容量的數(shù)據(jù)通信，在數(shù)據(jù)采集種類、數(shù)據(jù)采集量、農(nóng)田采集范圍等方面具有一定的可擴(kuò)展性。例如，增加多種規(guī)格傳感器種類，采集更豐富的農(nóng)田數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量增加了，也不會(huì)超出通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

1.2無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)能通過WiFi接入通信網(wǎng)絡(luò)，在本文設(shè)計(jì)了如下方案實(shí)現(xiàn)這一功能：使用ESP8266[8]無線WiFi模塊與單片機(jī)共同組成無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)[9]。

(1) ESP8266無線WiFi模塊簡(jiǎn)介

ESP8266芯片是由樂鑫信息科技有限公司開發(fā)的一款高度集成的芯片，專門為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。為了節(jié)約能源，ESP8266可工作于三種能耗模式：激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式。本文使用的是由ESP8266和單片機(jī)共同構(gòu)成的WiFi模塊，通過AT指令設(shè)置，可以使ESP8266模塊工作于softAP模式、station模式、softAP+station共存模式中的一種，將ESP8266模塊設(shè)置為工作在station模式。

(2) 無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)接入通信網(wǎng)絡(luò)

單片機(jī)與ESP8266連接原理示意圖如圖3所示。單片機(jī)采用IAP15F2K61S2芯片，其串行接口與ESP8266通過TTL串口連接在一起，并通過AT指令與ESP8266無線模塊通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。單片機(jī)和ESP8266共同作為一個(gè)整體，相當(dāng)于一個(gè)WiFi終端，從現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)獲取到IP地址，成為網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，將無線采集節(jié)點(diǎn)采集到的農(nóng)田數(shù)據(jù)傳入通信網(wǎng)絡(luò)中。通過這個(gè)WiFi終端，既能夠?qū)⑥r(nóng)田傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，又可以接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無線終端的數(shù)據(jù)。

圖3　WiFi數(shù)據(jù)采集終端電路原理簡(jiǎn)圖

要實(shí)現(xiàn)無線終端將農(nóng)田傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，單片機(jī)對(duì)ESP8266的操作流程如圖4所示。

圖4　單片機(jī)操作ESP8266發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)流程

1.3有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)[10]硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。硬件核心主要由三部分構(gòu)成：傳感器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集部分，C8051F340單片機(jī)及其附帶硬件構(gòu)成的控制中心部分，以及網(wǎng)絡(luò)控制器CP2200及其附帶硬件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信部分。有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過RJ45接口與無線中繼模塊實(shí)現(xiàn)有線連接。

圖5　硬件總體設(shè)計(jì)框圖

有線網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。節(jié)點(diǎn)在軟件組織上分為4個(gè)模塊部分：CP2200網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)程序模塊，精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧模塊，數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行器控制模塊和微型Web服務(wù)器模塊。

圖6　有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)框圖

在節(jié)點(diǎn)處理運(yùn)行過程中，這4個(gè)模塊互相協(xié)調(diào)，形成一個(gè)功能明確的軟件整體。從處理客戶端發(fā)來的HTTP1.1請(qǐng)求的角度分析，首先CP2200接收來自以太網(wǎng)的比特流并組裝成以太網(wǎng)幀交付給上層TCP/IP協(xié)議棧；協(xié)議棧通過對(duì)以太網(wǎng)幀的一系列分析，判斷為IP分組、TCP數(shù)據(jù)包、HTTP1.1請(qǐng)求消息；HTTP1.1消息被交付給Web服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步處理，Web服務(wù)器對(duì)這個(gè)HTTP1.1請(qǐng)求消息解析，然后根據(jù)消息內(nèi)容向測(cè)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出各種動(dòng)作指令(比如從傳感器獲取數(shù)據(jù))，然后待發(fā)送數(shù)據(jù)再以HTTP1.1消息響應(yīng)的方式將處理結(jié)果返回給發(fā)出HTTP1.1請(qǐng)求的客戶端。

1.4無線橋接的實(shí)現(xiàn)

通過無線網(wǎng)橋設(shè)備，將農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫r(nóng)田監(jiān)測(cè)中心的PC主機(jī)。在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端設(shè)置一個(gè)無線網(wǎng)橋，在監(jiān)控中心也設(shè)置一個(gè)無線網(wǎng)橋，通過對(duì)網(wǎng)橋設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，將這兩個(gè)無線設(shè)備橋接在一起，組成一個(gè)無線通信的信道，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信。

2農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖7　監(jiān)測(cè)中心總體組成框圖

農(nóng)田監(jiān)測(cè)中心由數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序、Web服務(wù)器程序共同組成，其總體組成結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。服務(wù)程序完成對(duì)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)做分析處理并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。Web服務(wù)器程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的農(nóng)田數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以一定格式發(fā)送給Internet客戶端用戶瀏覽器并顯示。

2.1服務(wù)程序設(shè)計(jì)

在農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，通過中心節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯集并傳輸給監(jiān)控中心的PC主機(jī)，最終在監(jiān)控中心進(jìn)行處理、存儲(chǔ)或顯示。在監(jiān)控中心端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)功能的是服務(wù)程序，專門用來獲取農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。服務(wù)程序軟件組成框圖如圖8所示。

圖8　服務(wù)程序軟件組成

服務(wù)程序主要完成對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫的功能，采用Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境編寫。服務(wù)程序在功能實(shí)現(xiàn)上包含三個(gè)方面：對(duì)無線采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對(duì)有線采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫操作。對(duì)于無線方式，采用TCP協(xié)議；有線方式，采用HTTP1.1協(xié)議。數(shù)據(jù)庫(kù)通信線程完成對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫操作。

2.2Web程序設(shè)計(jì)

圖9　Web程序功能組成框圖

通過編寫Web程序，可將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，并以動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面響應(yīng)的形式發(fā)送至Internet的瀏覽器終端。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，基于.NET技術(shù)完成Web程序的編寫。Web程序功能組成如圖9所示。

3實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)總體測(cè)試

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、帶寬測(cè)試

通過網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具JPerf對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行帶寬測(cè)試，在無線中繼模塊相距100 m左右時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出，經(jīng)過100次帶寬測(cè)試，平均帶寬為4 586 kbps；系統(tǒng)帶寬標(biāo)準(zhǔn)差為509，延時(shí)變化較大，但對(duì)于農(nóng)業(yè)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這個(gè)影響很小,能整體上滿足大規(guī)模農(nóng)田數(shù)據(jù)采集對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性要求和帶寬要求。

圖10　使用JPerf測(cè)試系統(tǒng)通信帶寬與穩(wěn)定性

3.2數(shù)據(jù)采集實(shí)例測(cè)試

單個(gè)有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土壤數(shù)據(jù)采集，實(shí)物圖如圖11所示。圖中包含一臺(tái)無線中繼模塊、有線數(shù)據(jù)采集模塊、高精度土壤濕度傳感器MS20等設(shè)備。

圖11　單個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集土壤濕度數(shù)據(jù)實(shí)物圖

在瀏覽器地址欄輸入Web頁(yè)面地址，查看數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)。表1所列為1號(hào)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)(AcqID=1)采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并已應(yīng)用于農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過測(cè)試，能基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。目前系統(tǒng)還較為簡(jiǎn)單，但是通過測(cè)試與論證，可以看出本文提出的方案具有較好的可擴(kuò)展性，

表1　土壤濕度數(shù)據(jù)查詢

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李小勇(碩士研究生)，主要從事網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)方向的研究;于群(副教授)，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)方向的研究;霍大勇(教授)，主要從事控制技術(shù)方向研究。

Remote Monitoring System of Large-scale Farmland in Southern Xinjiang

Li Xiaoyong,Yu Qun,Zhao Hongyu,Huo Dayong

(College of Physics&Electrical Engineering,Kashgar University,Kashi 844000,China)

Abstract：Aiming at the agricultural informationization demand of the southern of xinjiang,this paper focuses on the realization of large-scale,long distance and low-cost data monitoring system.A remote farmland data acquisition system is designed,which can realize the basic functions.The wireless data acquisition network is built and the farmland information is collected by the networked embedded data acquisition node.The data collected is transmited to the remote monitoring center through wireless channel.The service program collects the data from acquisition node through the network,then completes the processing and storage.The system can conveniently check the state information of the farmland.

Key words:farmland remote monitoring;networked data collecting node;service programming design;Web program

* 基金項(xiàng)目：校內(nèi)課題 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集在喀什農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化應(yīng)用研究((14)2528)。

中圖分類號(hào):TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-01-25)