李雙喜，徐識溥，劉 勇*，鄭憲清，王運(yùn)圣，呂衛(wèi)光

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海201403；2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海201403；3上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心，上海201403)

信息技術(shù)和裝備技術(shù)的進(jìn)步給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的機(jī)遇。不斷改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，成為未來農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展趨勢。我國作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，當(dāng)前正處于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展階段，迫切需要用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行現(xiàn)代化裝備與改造[1-2]。通過農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測獲得土壤環(huán)境參數(shù)是作物生長發(fā)育、作物栽培管理、病蟲害預(yù)警防治以及作物環(huán)境調(diào)控的重要參考指標(biāo)[3-4]，因此利用現(xiàn)代化設(shè)備對土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前使用的土壤監(jiān)測手段主要有利用便攜式儀器現(xiàn)場測量、獲取土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析和土壤環(huán)境參數(shù)實(shí)時采集等，前兩種方式費(fèi)時費(fèi)力，測量成本高，而且不能獲得連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。土壤環(huán)境參數(shù)實(shí)時監(jiān)測技術(shù)具有連續(xù)性、時效性和高效性特征，是土壤監(jiān)測的最佳方式，該方式因監(jiān)測對象和監(jiān)測需求不同而有不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。本研究根據(jù)上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所莊行綜合試驗(yàn)站精準(zhǔn)施肥試驗(yàn)提出的要求，選取對農(nóng)作物生長影響較大的土壤參數(shù)：土壤溫度、土壤濕度、土壤pH等，設(shè)計一套包含數(shù)據(jù)實(shí)時采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲與展示功能的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在無人干預(yù)的情況下不間斷對選取土壤參數(shù)采集、存儲和瀏覽，用于指導(dǎo)施肥、灌溉等管理和環(huán)境調(diào)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)針對大田土壤環(huán)境參數(shù)監(jiān)測而開發(fā)，目標(biāo)用戶為種植業(yè)從業(yè)人員或相關(guān)農(nóng)業(yè)科研人員及政府機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)主要功能為大田土壤溫度數(shù)據(jù)采集、土壤含水量數(shù)據(jù)采集及土壤pH采集，采集的數(shù)據(jù)通過TD-LTE模式的4G移動通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸至運(yùn)行在云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中存儲[5]，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可通過BS架構(gòu)的數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)隨時查看、下載和分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture of this system

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括傳感器、微功率無線傳輸模塊、嵌入式主控制器[6]、4G遠(yuǎn)傳模塊、太陽能供電系統(tǒng)等，硬件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。每個田塊內(nèi)布置4組傳感器，取4個傳感器的均值作為該田塊的土壤溫濕度或pH，所選傳感器均為485總線輸出，通信協(xié)議遵循ModBus RTU標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圖3 嵌入式軟件主程序流程圖Fig.3 Embedded software flow diagram

1.3 嵌入式軟件設(shè)計

軟件是整個土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的靈魂，包括運(yùn)行于STM32處理器上的嵌入式軟件和運(yùn)行于服務(wù)器上的上位機(jī)軟件。嵌入式軟件主要負(fù)責(zé)土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸，具體而言就是相關(guān)傳感器的操作、時序的控制和通信模塊的調(diào)用，主程序流程如圖3所示。

本系統(tǒng)的嵌入式軟件使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)的 C語言開發(fā)，為無操作系統(tǒng)的前后臺程序，前臺程序完成系統(tǒng)硬件初始化后即逐個發(fā)送讀傳感器命令，傳感器返回數(shù)據(jù)在后臺程序即外部中斷中解析和打包，打包完成后再由前臺程序調(diào)用通信模塊進(jìn)行發(fā)送，完成后即刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠時間結(jié)束后由定時間喚醒系統(tǒng)，如此往復(fù)循環(huán)。

1.4 上位機(jī)軟件設(shè)計

圖4 服務(wù)器端軟件界面Fig.4 Server-side software interface

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器

傳感器用于感知物理世界的各種參數(shù)并將所關(guān)心的物理化學(xué)等信號轉(zhuǎn)換為便于計算機(jī)處理的電信號[9-10]，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心元件，也是本研究所設(shè)計土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的源頭。本研究涉及的傳感器有土壤含水量傳感器、土壤溫度傳感器和土壤pH傳感器，以上傳感器均選用RS485接口的數(shù)字信號傳感器，RS485是一種半雙工的串行通信接口，兩根信號線采用差分信號負(fù)邏輯[11]，邏輯“0”以兩線間的電壓差為+(2—6)V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-(2—6)V表示，從而增加抗干擾能力，使得最大傳輸距離達(dá)到1.2 km。RS485是一種總線接口，系統(tǒng)中所有的傳感器都通過一個總線連接到RS485模塊，再通過USART串行接口連接到主控制器，不同傳感器必須有自己唯一的通信地址，主控制器作為RS485主設(shè)備使用ModBus RTU協(xié)議依序發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，傳感器收到命令后返回數(shù)據(jù)，主控制器采用中斷方式接收傳感器返回的土壤含水量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和土壤pH數(shù)據(jù)。

2.2 雙供電系統(tǒng)

由于大田環(huán)境不便于實(shí)現(xiàn)市電供電，故本系統(tǒng)設(shè)計為太陽能電池板加蓄電池的供電方案，為節(jié)省功耗，在數(shù)據(jù)采集的間隔期內(nèi)系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時將所有傳感器斷電，間隔超時后將自動喚醒并開始下一輪的采集(圖5)。220 V的交流市電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V交流電之后為鋰電池充電，如果沒有市電接口，則可接上太陽能電池板，通過12 V的充電控制器給連電池充電[12]。本系統(tǒng)選用10 000mAh鋰電作為電源緩存池，電池的輸入端接防逆流二極管以防止太陽能和市電都沒有輸入時電池反向放電。鋰電池輸出為5 V直流電，可同時為主控制器、通信模塊和傳感器供電。

圖5 市電和太陽能雙供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Double power supply system

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的打包方式、傳輸格式及上位機(jī)解析方式，由于本系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)均為數(shù)值型，所以本研究設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個結(jié)構(gòu)體封裝所有需要傳輸?shù)男畔?。?shù)據(jù)幀格式包含頭部、田塊號、傳感器數(shù)據(jù)以及尾部，傳感器數(shù)據(jù)以一個獨(dú)立的土壤環(huán)境參數(shù)為單位用分隔符分開，每個田塊內(nèi)的參數(shù)按傳感器序號依次排列。

傳感器返回的原始值均為二進(jìn)制數(shù)，為了調(diào)試方便，均轉(zhuǎn)換為可顯示的ASCII(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼)字符，整個數(shù)據(jù)包也都是采用ASCII編碼，例如數(shù)據(jù)包頭部為“$$|ZHST1|”，其中豎線為分隔符，兩個“$”符號表示一幀數(shù)據(jù)的開始，“ZHST1”中字母為“莊行生態(tài)”的漢語拼音首字母，1表示第一個田塊，尾部為“end”表示一個數(shù)據(jù)包的結(jié)束。上位機(jī)收到一個數(shù)據(jù)包后首先驗(yàn)證幀頭幀尾是否完整并符合定義，如完整則根據(jù)田塊號在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表中插入新的一行，并將數(shù)據(jù)包中的傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間存入其中從而完成一次數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的田間布設(shè)

系統(tǒng)監(jiān)測田塊為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站內(nèi)的精準(zhǔn)施肥試驗(yàn)田，為了更好的滿足作物生長需求，吻合作物需肥需水規(guī)律，降低肥料流失，緩解農(nóng)業(yè)面源污染，目前共實(shí)現(xiàn)了對36個田塊的大面積實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)布局如圖6所示，每個田塊內(nèi)布置4個傳感器組，以便于求取平均值從而反應(yīng)出該田塊內(nèi)土壤參數(shù)的總體狀況。每組傳感器均可監(jiān)測土壤溫度、土壤濕度和土壤pH等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計為每10min對所有傳感器輪詢一遍，完成后將數(shù)據(jù)打包，通過4G遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送到云服務(wù)器。另外本系統(tǒng)為可擴(kuò)展式設(shè)計，可根據(jù)用戶需求增加或減少監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量。

圖6 監(jiān)測田塊布局圖Fig.6 Monitoring field layout

3.2 客戶端應(yīng)用效果

考慮到農(nóng)田土壤的特性，為了在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)得到全面、準(zhǔn)確、實(shí)時的有效數(shù)據(jù)，對傳感器的布置進(jìn)行了合理的優(yōu)化，同一類型的傳感器在每個田塊內(nèi)均放置4個，取4個傳感器的均值作為該田塊的值，同時，當(dāng)某個傳感器出故障時還有其他三個在工作，不至于造成數(shù)據(jù)缺失。系統(tǒng)開發(fā)完成后首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了反復(fù)測試，確保沒有數(shù)據(jù)錯誤和邏輯錯誤后才最終安裝布置到試驗(yàn)田里，至2017年4月已穩(wěn)定運(yùn)行10個月，系統(tǒng)源源不斷地將土壤環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器并展現(xiàn)給用戶，通過手機(jī)和電腦查看的界面如圖7和圖8。

圖7 手機(jī)端查看數(shù)據(jù)界面Fig.7 Data view interface on mobile phone

圖8 電腦端查看數(shù)據(jù)界面Fig.8 Data view interface on PC

4 結(jié)論

本研究根據(jù)大田土壤環(huán)境監(jiān)測的實(shí)際需求，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一套基于4G無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可以對農(nóng)田土壤的溫度、濕度、pH等信息進(jìn)行長期遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以長期保存并且可以在有互聯(lián)網(wǎng)接入的地方通過Web瀏覽器隨時查看。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)配合相應(yīng)的專家系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，可使農(nóng)業(yè)科研人員或生產(chǎn)技術(shù)人員更加精準(zhǔn)地掌握和控制影響作物生長的土壤環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)業(yè)科技工作者和農(nóng)業(yè)從業(yè)者在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)方面的研究與實(shí)踐提供可靠和低成本的數(shù)據(jù)來源和便捷的操作，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。