宋俊慷 黃秀梅 楊秀增

[摘要]農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測是發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)必不可少的重要技術(shù)，目前很多傳感器廠商都推出了多種專門用于采集農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)采集裝置，為智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術(shù)提供了必要技術(shù)支撐。在使用傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置的基礎(chǔ)上，配合物聯(lián)網(wǎng)開放平臺設(shè)計了一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測為目標(biāo)，農(nóng)作物的種植管理者可通過智能手機(jī)等設(shè)備依靠互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時獲取農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，為智慧農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。

[關(guān)鍵詞]智慧農(nóng)業(yè);物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)測系統(tǒng)

[中圖分類號] S126

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 引言

2020年中央1號文件指出要加強(qiáng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)。為了切實(shí)貫徹2020年中央1號文件的精神，就要求更近一步的發(fā)展作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高級階段的智慧農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)其本質(zhì)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化與信息化，是涉及多方面技術(shù)的協(xié)同與創(chuàng)新。農(nóng)作物種植作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也是加強(qiáng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)的目標(biāo)之一。農(nóng)作物種植的產(chǎn)量和品質(zhì)與其生長環(huán)境密切相關(guān)，近年來設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)作物的單位產(chǎn)量和品質(zhì)相較以前有了很大提升，為了更好的控制設(shè)施農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物生長環(huán)境，建立一套能實(shí)時監(jiān)測設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境的系統(tǒng)十分必要，在此基礎(chǔ)上使用反饋控制的方式配合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，采用信息化和自動化手段智能控制設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境，進(jìn)一步提升農(nóng)作物單位產(chǎn)量和品質(zhì)。為了完成前述目標(biāo)，考慮將物聯(lián)網(wǎng)開放平臺應(yīng)用在傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)中，設(shè)計面向智慧農(nóng)業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)對設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是在2005年1 1月27日的WSIS上由ITU所發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》報告中正式提出的。從2005年至今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從初創(chuàng)逐步走向成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大的特點(diǎn)是對傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行升級改造，例如當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合時就有了工業(yè)4.0的誕生，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合時就有了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年我國各大IT公司以“面向服務(wù)”的方式推動著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展， “物聯(lián)網(wǎng)開放平臺”是各大公司IT公司推廣的部署本公司物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。近年來比較有代表性的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺有：中國移動通信集團(tuán)有限公司的OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，華為技術(shù)有限公司的華為云IoT服務(wù)平臺，阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司旗下的阿里云IoT服務(wù)平臺，百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司的百度天工。物聯(lián)網(wǎng)開放平臺的推廣，使得中小企業(yè)將資金從基礎(chǔ)設(shè)備投入轉(zhuǎn)向應(yīng)用場景設(shè)計研發(fā)，加速了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)施。

3基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用OneNET平臺作為整個系統(tǒng)的核心，其主要完成數(shù)據(jù)采集命令的下達(dá)，采集數(shù)據(jù)的匯集存儲，存儲數(shù)據(jù)的可視化展示三個功能。在此基礎(chǔ)上配合完成數(shù)據(jù)傳輸功能的4G-DTU模塊和實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集裝置，最終完成面向智慧農(nóng)業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。整個系統(tǒng)有兩條非常重要的數(shù)據(jù)連接：一條是OneNET平臺和4G-DTU模塊通過TCP協(xié)議建立無線數(shù)據(jù)連接，另一條是4G- DTU模塊和農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置通過RS-485總線進(jìn)行有線數(shù)據(jù)連接。

系統(tǒng)工作原理流程如下： （ 1） OneNET平臺以ModBus-RTU詢問幀格式生成農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集命令的同時將該ModBus-RTU詢問幀封裝在TCP報文段中，通過OneNET平臺與4G-DTU模塊已經(jīng)建立好的TCP無線數(shù)據(jù)將封裝有ModBus-RTU詢問幀的TCP報文段從OneNET平臺發(fā)送至4G-DTU模塊。（2）4G-DTU模塊在接到封裝有ModBus-RTU詢問幀的TCP報文段后從中解析出ModBus-RTU詢問幀，通過自帶的RS-485接口將ModBus-RTU詢問幀發(fā)送到RS-485總線上。（3）在RS-485總線上連接的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置在接收到總線上ModBus-RTU詢問幀后會根據(jù)其中的地址信息核對該命令是否是發(fā)給自己的，如果是則將采集好的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)以ModBus-RTU應(yīng)答幀的格式將其發(fā)送至RS-485總線上，如果不是則忽略。（ 4） 4G-DTU模塊通過RS-485總線接收包含農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的ModBus-RTU應(yīng)答幀，在此之后將該ModBus-RTU應(yīng)答幀封裝在TCP報文段中。（5）通過OneNET平臺與4G-DTU模塊已經(jīng)建立好的TCP無線數(shù)據(jù)將帶有ModBus-RTU應(yīng)答幀的TCP報文段從4G-DTU模塊發(fā)送到OneNET平臺。 （6） OneNET從封裝有ModBus-RTU應(yīng)答幀的TCP報文段中提取出農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的處理后將其存儲起來用于數(shù)據(jù)可視化展示。

3.2農(nóng)作物生長環(huán)境采集裝置

對于設(shè)施農(nóng)業(yè)來說，設(shè)施內(nèi)的溫濕度對農(nóng)作物生長有十分重要的影響，因此選用溫度和濕度作為智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象。針對設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集問題，選用建大仁科公司的RS-WS-N01-8型溫濕度變送器作為農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置。RS-WS-N01-8型溫濕度變送器主要技術(shù)指標(biāo)如表l所示。

3.3 4G-DTU模塊

4G-DTU模塊的主要作用是建立OneNET平臺與農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)通路，一方面使得OneNET平臺所發(fā)送的包含數(shù)據(jù)采集信息的ModBus-RTU詢問幀可以正常傳送到對應(yīng)的采集裝置，另一方面農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置所采集的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)可以通過ModBus-RTU應(yīng)答幀正常上傳至OneNET平臺。選用有人物聯(lián)網(wǎng)USR-G781型4G-DTU模塊完成上述工作，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

3.4 0neNET平臺

OneNET平臺是由中國移動通信集團(tuán)公司下屬中國移動物聯(lián)網(wǎng)有限公司推出的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，其主要提供的服務(wù)分為基礎(chǔ)服務(wù)和增值服務(wù)兩類?；A(chǔ)服務(wù)主要功能是完成需要聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，增值服務(wù)主要功能是在基礎(chǔ)服務(wù)的提供數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等服務(wù)。目前OneNET平臺所能提供的具體服務(wù)如圖2所示，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)主要用到基礎(chǔ)服務(wù)下多協(xié)議接人中的ModBus協(xié)議接入。

4系統(tǒng)配置

4.1 RS-WS-N01-8溫濕度變送器配置

RS-WS-N01-8溫濕度變送器配置連接如圖3所示，使用USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器橋接計算機(jī)和RS-WS-N01-8溫濕度變送器，在計算機(jī)上運(yùn)行配置軟件對RS-WS-N01-8型溫濕度變送器進(jìn)行配置。

4.2 USR-G781型4G-DTU配置與測試

USR-G781型4C-DTU配置連接如圖4所示，依然使用USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器橋接計算機(jī)和USR-G781型4G-DTU配置，在計算機(jī)上運(yùn)行配置軟件對USR-G781型4G-DTU進(jìn)行配置。

4.3 0neNET平臺配置

OneNET配置主要是在平臺上建立一個用于接收監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要信息配置如圖5所示，其中產(chǎn)品ID，DTU序列號和DTU密碼三個參數(shù)十分重要，主要用于OneNET平臺與4G-DTU模塊在無線TCP連接建立之后4G-DTU模塊登錄產(chǎn)品的鑒權(quán)工作。4G-DTU模塊成功登錄OneNET建立的產(chǎn)品后，就保證了產(chǎn)品與農(nóng)作物生長環(huán)境采集裝置之間數(shù)據(jù)鏈路的暢通。

5系統(tǒng)測試

5.1 0neNET平臺添加采樣數(shù)據(jù)流

系統(tǒng)測試的第一步就是給OneNET平臺上已經(jīng)建立好的產(chǎn)品添加用于記錄農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采樣數(shù)據(jù)流，采樣數(shù)據(jù)流和監(jiān)測設(shè)備的個數(shù)一一對應(yīng)。OneNET平臺在接收到RS-WS-N01-8溫濕度變送器通過USR-G781型4G-DTU上傳來的溫度和濕度數(shù)據(jù)后，就會將其推送至對應(yīng)產(chǎn)品所屬的采樣數(shù)據(jù)流進(jìn)行展示。采樣數(shù)據(jù)添加配置如圖6所示，其中采樣數(shù)據(jù)命令選項(xiàng)要和USR-G781型溫濕度變送器相關(guān)配置數(shù)據(jù)配套，保證采樣數(shù)據(jù)流可以正確接收到USR-G781型溫濕度變送器所采集到的數(shù)據(jù)。

5.2 USR-G781型4G-DTU登錄OneNET平臺

系統(tǒng)測試的第二步就是在建立的USR-G781型4G-DTU與OneNET平臺之間的無線TCP連接的基礎(chǔ)上，USR-G781型4C-DTU發(fā)送正確的鑒權(quán)數(shù)據(jù)包使其能成功登錄到OneNET平臺上所建立的產(chǎn)品，保證的產(chǎn)品與RS-WS-N01-8溫濕度變送器之間能正確的交互ModBus-RTU詢問和應(yīng)答信息幀，與此同時還要確保USR-G781型4G-DTU與OneNET平臺之間的TCP連接不中斷。因此在配置USR-G781型4G-DTU時除了要保證能正確連接OneNET平臺的TCP連接服務(wù)信息之外還要配置注冊包和心跳包，注冊包能使USR-G781型4G-DTU正確登錄OneNET平臺上建立的產(chǎn)品，心跳包用于保證USR-G781型4G-DTU與OneNET平臺的無線TCP連接不會無故中斷，USR-G781型4C-DTU模塊配置如圖7所示。

5.3 0neNET平臺添加設(shè)計監(jiān)測用API

系統(tǒng)測試的第三步就是在OneNET平臺設(shè)計用于監(jiān)測數(shù)據(jù)展示的API，設(shè)施農(nóng)業(yè)的管理者可以使用智能手機(jī)或計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問該API，這樣可以實(shí)時的監(jiān)測設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)RS-WS-N01-8溫濕度變送器所測量的溫度和濕度數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境智能控制提供必要的研究基礎(chǔ)。圖8為使用智能手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問該API查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)。

6總結(jié)

農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)與其生長環(huán)境密切相關(guān)，近年來設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)作物的單位產(chǎn)量和品質(zhì)相較以前有了很大的提升，為了更好的控制設(shè)施農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物生長環(huán)境，建立一套能實(shí)時監(jiān)測設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境的系統(tǒng)是十分必要的。本文在使用傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置的基礎(chǔ)上，配合物聯(lián)網(wǎng)開放平臺設(shè)計了一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測為目標(biāo)，農(nóng)作物的種植管理者可通過智能手機(jī)等設(shè)備依靠互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時獲取農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上使用反饋控制的方式配合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，采用信息化和自動化手段智能控制設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境，為智慧農(nóng)業(yè)的更進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。

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[收稿日期] 2020-07-08

[基金項(xiàng)目] 2019年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計”項(xiàng)目資助（編號：2019KY0784）;廣西科技計劃項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)計劃“基于物聯(lián)網(wǎng)的酒紅球蓋菇生態(tài)高產(chǎn)栽培技術(shù)研究及應(yīng)用示范”項(xiàng)目資助（編號：2018AB44094）;廣西民族師范學(xué)院服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目“家庭微型工廠食用菌生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究扶貧應(yīng)用示范”項(xiàng)目資助（編號：2018FW004）;

[作者簡介]宋俊慷（1989-），男，陜西漢中人，講師、工程師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和接人技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。