楊英茹，高欣娜，黃 媛，高 燕，李海杰，郝曉蘭，岳趙寒

（石家莊市農(nóng)林科學研究院，石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心，河北 石家莊 050041）

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)以構建基于WEB的組態(tài)化軟件開發(fā)平臺為目標，圍繞“信息感知—采集傳輸—平臺建設—應用服務”等關鍵環(huán)節(jié)[1]，研制系列農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器、采集和傳輸設備，構建基于WEB的組態(tài)化軟件應用平臺，形成完整的技術體系，建立既能實現(xiàn)信息感知、信息采集傳輸、分析處理和應用服務等相對獨立使用的軟硬件技術產(chǎn)品，又能構建在統(tǒng)一環(huán)境下集成應用的綜合服務應用平臺[2]。系統(tǒng)方案如圖1所示。

系統(tǒng)設計從農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知、信息采集傳輸、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺建設及推廣服務等4個方面開展，針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層數(shù)據(jù)獲取需求，研究面向土壤信息、水環(huán)境信息、空氣環(huán)境以及作物生理生態(tài)的感知技術，研制系列農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感器，通過研究低功耗無線傳輸、遠程傳輸、標準接口協(xié)議等共性關鍵技術，開發(fā)出高性能的采集傳輸設備[3]；通過GSM/GPRS無線網(wǎng)絡、無線電臺以及有線網(wǎng)絡等完成信息交換；通過信息融合技術、信息采集構件技術、終端系統(tǒng)構建技術以及標準規(guī)范建立，構建基于WEB的組態(tài)化農(nóng)業(yè)測控平臺[4]，針對不同的應用對象，提供個性化的服務。

2 設計思路

（1）針對關鍵農(nóng)業(yè)環(huán)境感知技術產(chǎn)品缺乏自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)狀，綜合運用光學、電化學、電磁學、電子、人工智能、自動控制以及無線通信等技術，圍繞土壤環(huán)境信息、水環(huán)境信息、空氣環(huán)境信息等進行信息感知等關鍵技術研究，突破某些農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知技術瓶頸，研制出高性價比的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知技術產(chǎn)品[5]。

（2）針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中信息采集與傳輸技術產(chǎn)品相對較少、傳輸性能不穩(wěn)定以及智能化程度低等特點，開發(fā)了適合不同應用區(qū)域和對象的信息采集和傳輸系列產(chǎn)品[6]。

（3） 面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的共性技術需求，開發(fā)基于WEB的組態(tài)化軟件開發(fā)平臺，以組件的形式提供傳感器、閥門、電機等農(nóng)業(yè)測控設備及測控目標，通過可視化的界面，快速開發(fā)農(nóng)業(yè)測控系統(tǒng)平臺[7]。

圖1 系統(tǒng)方案Fig.1 System scheme

（4）注重試驗示范與推廣應用，研發(fā)和應用并重，適時對產(chǎn)品和技術進行試驗示范，進一步完善產(chǎn)品性能和系統(tǒng)功能，加快成熟產(chǎn)品的推廣應用，建立完善的推廣組織體系；依托基層技術推廣部門、農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)、大型國營農(nóng)場、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，建立“研究—示范—完善—再示范”的應用體系和推廣網(wǎng)絡。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層數(shù)據(jù)獲取需求，基于低功耗、無線化、多點多參數(shù)監(jiān)測的設計理念，研究高頻振蕩、擴頻通信、低功耗低頻無線信號喚醒、無線自組網(wǎng)信息獲取、狹縫衍射、差分熒光探測、光路共聚焦等技術，研制了土壤信息傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器、水環(huán)境傳感器及作物生理傳感器等4類農(nóng)業(yè)信息感知設備[8]。

3.1.1 土壤信息傳感器 針對當前土壤墑情監(jiān)測設備精度低、實用性差、安裝困難等問題，提出了低功耗、無線化、多點多參數(shù)監(jiān)測的設計理念，研究了低功耗高頻振蕩、擴頻通信、低功耗低頻無線信號喚醒等技術，研制了低功耗土壤水分、土壤溫度、多剖面土壤水分、土壤三參數(shù)等系列傳感器和無線空氣溫濕度、無線光照以及無線CO2等系列環(huán)境傳感器，解決了土壤水分監(jiān)測精度低、適用性差、設備安裝維護成本高等問題，提供了農(nóng)田墑情監(jiān)測標準化和系列化解決方案，實現(xiàn)了低成本、高性能的自動信息監(jiān)測[9]。

3.1.2 無線環(huán)境監(jiān)測傳感器 有線傳感器需要使用電纜進行供電和信號傳輸，限制了傳感器的安裝位置，增加了施工難度。針對這一問題，研究了低功耗無線自組網(wǎng)信息獲取技術，開發(fā)了系列低功耗無線環(huán)境監(jiān)測傳感器，包括無線土壤溫度、無線土壤水分、無線空氣溫濕度、無線光照等系列無線傳感器[10]。產(chǎn)品采用星型網(wǎng)絡、樹形網(wǎng)絡（增加中繼），傳感器節(jié)點按照設置的時間間隔（1～120 s）向無線數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)，無線數(shù)傳模塊通過USB或RS485方式與上位機軟件進行通訊[11]。簡單、單向的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結構可以進一步降低系統(tǒng)功耗，延長網(wǎng)絡壽命。星型網(wǎng)絡節(jié)點之間傳輸視距達700 m，樹形網(wǎng)絡覆蓋距離達2 km，適用于塑料大棚、聯(lián)動溫室以及小規(guī)模日光溫室環(huán)境。

3.2 可擴展溫室智能控制器

基于構建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺所需的信息采集傳輸與控制設備，研究了適應農(nóng)業(yè)惡劣環(huán)境的多通道信息采集傳輸技術，研制了適用于溫室環(huán)境信息采集的可擴展溫室智能控制器等產(chǎn)品，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集與傳輸[12]。

可擴展溫室智能控制器標配為8路模擬量輸入、8路繼電器輸出，可通過I2C總線或485總線增加模擬量輸入模塊或繼電器輸出模塊擴，展至48路模擬量輸入、48路繼電器輸出，具有采集、決策、控制、存儲、通信等功能，滿足普通日光溫室和大型聯(lián)棟溫室環(huán)境智能調控、大面積農(nóng)田或綠地自動灌溉的需求。該設備既可以作為主控設備直接連接傳感器、機電設備和DTU設備，通過內(nèi)置的控制邏輯單元，形成獨立工作的溫室環(huán)境調控或自動灌溉控制系統(tǒng)，也可以作為一個執(zhí)行終端，執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)平臺的采集、控制指令，在物聯(lián)網(wǎng)平臺的控制模型下工作。系統(tǒng)具有1路RJ45網(wǎng)絡接口，2路RS232接口，2路RS485接口，可擴展無線通訊電臺、無線網(wǎng)橋、GPRS模塊等通訊設備，滿足多種數(shù)據(jù)通訊需求。系統(tǒng)的多路通訊接口可并行工作，滿足多層、多級通訊需求，具有擴展能力強、控制精確、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺構建

針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)周期長、穩(wěn)定性差、成本高等問題，研究了實時監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的架構和數(shù)據(jù)抽象模型，建立實時數(shù)據(jù)采集、存儲子系統(tǒng)；研究柔性的監(jiān)控網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡的連接管理、數(shù)據(jù)傳輸，建立數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)[13]；研究基于COM組件的連接點機制的設備驅動程序模型，開發(fā)傳感器、閥門、電機、風機等農(nóng)業(yè)測控設備，建立農(nóng)業(yè)測控可視化組件庫，構建可視化的人機交互界面開發(fā)子系統(tǒng)；突破多種類型設備帶來的多協(xié)議、多信道、多變量等異構通信技術難題，通過開發(fā)動態(tài)設備加載技術，構建了基于WEB組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺[14]。

基于WEB組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺主要包括兩大功能模塊，系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境模塊和系統(tǒng)運行環(huán)境模塊，如圖2所示。

圖2 組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺功能結構Fig.2 Function structure of measurement and control platform based on configurable agricultural internet of things

系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境是物聯(lián)網(wǎng)平臺設計人員為了在系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境的支持下測控應用程序而設計的管理方案。通過建立組態(tài)模塊的配置數(shù)據(jù)文件生成相應的組態(tài)應用程序。主要包括界面配置、測控設備配置、數(shù)據(jù)庫配置、報警配置等；系統(tǒng)運行環(huán)境主要負責解析設計人員在組態(tài)過程中生成的配置文件、鏈接數(shù)據(jù)庫、生成配置文件相對應的組態(tài)模塊及實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的運行環(huán)境主要用于物聯(lián)網(wǎng)平臺界面的顯示、實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)曲線和報表的生成、報警提示和灌溉設備的遠程控制。系統(tǒng)的運行環(huán)境只提供了監(jiān)測控制功能，在此環(huán)境下平臺的組態(tài)修改是不允許的，這樣很好的將物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)控和運行進行分離，確保了物聯(lián)網(wǎng)平臺在監(jiān)測和控制過程中的安全性[15]。

基于WEB的組態(tài)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺按照Web構架進行了詳細的層次劃分，如圖3所示。用戶表現(xiàn)層是基于瀏覽器的一個富客戶端互聯(lián)網(wǎng)應用程序（RIA），為用戶呈現(xiàn)一個豐富的、高交互性的可視化界面，以圖文一體化的方式顯示空間和屬性信息，主要包括圖形化展示、農(nóng)業(yè)信息控制與實時監(jiān)測、分析決策等[16]。業(yè)務邏輯層負責響應Flex富客戶端請求，并根據(jù)用戶請求做出響應。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的底層，負責空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存取，維護各種數(shù)據(jù)之間的關系[17]。

4 結語

系統(tǒng)開發(fā)圍繞農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設需求，從農(nóng)業(yè)環(huán)境信息感知、信息采集和傳輸、平臺建設等3個關鍵環(huán)節(jié)入手，開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術、傳輸采集技術和平臺建設等方面的研究，突破了關鍵技術，通過示范應用，為發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、增加農(nóng)民收入、建設綠色城市、提供了重要保障。

圖3 系統(tǒng)整體結構圖Fig.3 Structure of the system