物联网技术在非标准日光温室中的应用研究

张如军，吴海鸿

(兰州市农业信息服务中心，甘肃兰州 730030)

随着网络信息技术的快速发展，农业信息化需求越来越迫切，而已有的互联网技术远远不能满足目前更加深入、更加复杂、更加智能的应用需求，“物联网”在此背景下应运而生，为智能农业的发展提供了前所未有的机遇。通过利用M2M技术、RFID技术、WSN网络、数据挖掘技术、智能学习知识等，依托移动无线网络(GPRS、3G等)和公共互联网(Internet)的无缝连接，将底层的传感器、农机设备、视频监控等整合起来，形成一个具有智能感知、远程控制的实时监控系统，实现“全面感知、无线传输、智能处理”，农户通过手机、电脑、PDA等随时随地查询田间或农业大棚的环境信息和设备状态，远程控制相关设备，摆脱了时间、空间的地域限制，全面推进了农业信息化的建设步伐［1－7］。兰州市农业信息服务中心针对兰州市非标准化日光温室在设施农业占有很大比例的现状，研发了兰州市设施农业远程智能化信息监控系统，系统通过功能模块化设计，为在非标准化温室中推广应用环境管控技术提供了较为可行的解决方案。

1 系统构成及工作原理

设施农业智能化管理系统主要由设施农业智能化管理系统应用平台、“数字大棚”终端、各类采集器和各种控制器以及对应设备等部分组成(图1)。安装在温室中的各类采集器，根据用户设定的采集时间，定时采集大棚的环境参数，通过内置的2.4G-RFID无线模块将大棚中的温度、湿度等信息及时发送到“数字大棚”智能终端，智能终端将这些信息分明别类，按一定规则通过移动通信网(GSM/GPRS)传送到“数字大棚”应用平台。“数字大棚”应用平台接收到温室中的相应数据后，与数据库中用户设置的参数范围进行比对，超出设定参数范围的数据，系统即刻采用短信方式自动向用户手机发出报警，用户也可以根据作物生产的设施环境要求，通过发送数据指令来远程完成对设施生产环境的调控操作。

图1 设施农业智能化管理系统构成

1.1 设施农业智能化管理系统应用平台 主要由WEB服务器、数据库服务器、应用服务器以及防火墙等组成。平台软件采用java语言开发设计，可部署于普通台式机或服务器，系统环境要求为windows/lunix。传感器将环境数据发送到终端设备后，由终端设备采用GPRS数据形式将数据通过移动互联网传输到软件平台，软件平台可以对相关数据进行加工和分类处理，以WEB形式方便用户对相应数据信息的查询和应用。其主要功能:①设备状态显示。能够显示各终端设备电源状态，是否正常工作，当前的采样数据值、数据采样时间等信息。②数据统计查询。能够查询各采集点及不同数据采集时间的环境数据值，在需要时还能将数据以EXCEL电子表格方式导出，方便对数据的综合分析利用。③采样详细信息。能够对各传感器采集的数据信息进行详细的查询，结合传感器的安置位置，能够详细了解设施环境在各时段的详细数据值和动态变化情况。④设备管理。能够对各终端设备的名称、安置地点、端口记录、设备编号等信息进行编辑修改，方便农户对终端设备进行变更调整。⑤卡管理。能够对每个传感器的名称、编号、所属终端等信息进行编辑修改，以方便农户对传感器的修正。⑥用户管理。能够进行后台用户的添加、删除和用户信息编辑等操作，为以后平台软件的共享应用预留空间。

1.2 “数字大棚”终端 主要作用是采集数据、传输数据和控制设备。它集成了移动通信工业通信模块(GSM/GPRS)、2.4G-RFID无线数据模块以及相应的RS 485接口，从而在温室大棚中实现环境数据的采集、传输和设备控制。终端采用GSM/GPRS双频工业模块和2.4G-RFID无线收发模块设计，通过GPRS方式连接到“数字大棚”应用平台，通过2.4GRFID与各类采集器进行无线连接，通过RS485与各类控制器进行有线连接。当各类采集器定时采集到环境数据后发送至终端，终端通过GPRS方式发送到“数字大棚”应用平台。项目研发的设备能支持100个数据采集器，每个采集器能存储50个数据。2.4G-RFID工作频率频段为2 415～2 512 MHz，采用全向天线，增益为4～6 dBi，检测范围为0～50 m，传输速率约为1 MB/s。内置RS485接口，可以并接16个控制器，采用220VAC/9VDC开关电源和镍氢充电电池供电，整机功耗小于2 W，掉电后待机12 h。通过GPRS方式连接移动互联网，插上开通来电显示和GPRS功能的SIM卡，打开电源即可工作。通过“数字大棚”应用平台，可实现终端软件的远程升级，并监控终端的运行状态。

1.3 采集器 主要作用是通过各类传感器将温室大棚里的环境信息采集到设备中，然后通过2.4G-RFID无线模块传输到“数字大棚”智能终端。采集器采用2.4G-RFID无线收发模块、温湿度传感器和功率放大器设计。内置1 000 mAH的锂电池，待机电流小于0.005 mA，工作时发射和接收电流小于50 mA，超低功耗，使用寿命大于3年。配合“数字大棚”终端的2.4G-RFID读写器和全向天线，检测范围可达200～500 m。可实现有方向性和无方向性的识别，对现场各种干扰源无特殊要求，环境适应温度在－35～75℃，具有较好的实用性。采集器种类包括空气温湿度、二氧化碳气体浓度、土壤水分和温度等。为了有效延长2.4G-RFID模块无线传输距离，开发了多级级联功能，级联的数量可达255级，也就是采集器既能实现数据采集也能实现信号中继功能，当GPRS断线时，能够确保数据记录和传输的连续性、稳定性，同时也有效提高了大棚数据采集的安全性和准确性，并且具有良好的可拓展性。

1.4 控制器 控制器是通过RS485数据线与“数字大棚”终端进行分级连接，其主要作用就是农户采用短信或移动互联网的方式，通过“数字大棚”终端实现对温室大棚农作物生长环境的远程调节。控制器终端通过2.4G-RFID无线收发模块、RS485或RS323数据线与各类控制器进行连接，用户发出的控制指令通过“数字大棚”终端直接控制相应的控制器，可实现以下设备的自动控制:保温卷帘控制器(正反转启停控制)，通风卷帘控制器(正反转启停控制)，滴灌控制器(启停控制)，CO2发生装置控制器(启停控制)。控制终端采用功能模块化设计，农户可根据自己生产的实际需要，加装相应的控制模块，从而实现不同的环境调控功能，大大提高了系统部署的灵活性，降低了投入成本，非常适合在非标准化的温室中进行应用。

2 系统功能

系统采用2.4 GHz无线技术、J2EE平台面向服务的体系结构(SOA)技术，主要由门户管理、业务管理和系统接口3大部分组成(图2)。

图2 系统功能示意

门户接入是“数字大棚”平台与客户的边界，通过门户将“数字大棚”平台的业务展现给客户使用。客户可通过手机、互联网等方式登录访问平台。

业务管理是面向产品和营销提供的应用支撑功能和面向平台提供的运维支撑功能以及面向客户应用提供的业务功能的集合，包括业务管理、业务支撑、计费结算、农业管理、大棚管理、短信/彩信管理、设备管理、系统管理等功能。

系统接口部分是“数字大棚”平台与终端、移动内部各系统之间的功能集合，主要为“数字大棚”平台提供支撑及应用扩展功能。外部接口主要包括短信接口、终端协议接口、预留接口等。

2.1 系统管理 “数字大棚”平台提供组织机构的管理、用户/角色/权限管理、日志管理、参数配置管理等功能，方便系统配置和用户使用。

2.2 大棚管理 ①实现对农户信息、大棚信息、大棚中作物信息的增、删、改、查和统计，支持web和短信。信息修改只有棚主或系统授权系统进行;除棚主外，所辖农业主管、技术部门可以查询。②实现对环境指标的查询和统计。除棚主外，所辖农业主管、技术部门可以查询。③统计一定时段内的环境指标、设备状态，可以导出excel。④实现设置环境告警阀值，设置设备操作触发条件，支持web和短信指令。⑤根据环境或业务阀值的要求，通过短信或web平台方式自动向用户发出告警信息，提示用户进行相关操作。可设置告警方式、周期、次数等。

2.3 设备管理 对终端信息、传感器、控制器信息的维护。

3 系统特点

采用了2.4GHz-RFID有源电子标签技术与移动互联网(GSM/GPRS或TD-SCDMA)技术相结合的方式来完成在温室大棚温度、湿度等信息的采集和处理工作以及农业设施设备的控制。具有以下较为突出的特点。

3.1 自动化 各类采集器自动完成温室内温湿度等数据的采集、存储，并根据用户的实际生产需求，实现各类环境调控设备的远程自动控制。

3.2 智能化 用户利用智能手机和移动互联网，通过设施农业智能化管理系统应用平台，获得温室中的环境信息。当大棚中的环境超过用户设置的范围时，可自动向农户发送各类报警信息，用户可及时通过移动互联网或手机短信方式完成对设施环境的远程调节。

3.3 数据统计与信息查询 用户利用移动互联网登录设施农业智能化管理系统网站，查询相应的环境数据停息，并可自动生成相关参数的变化曲线，为人工决策提供参考。

3.4 网络化 充分利用移动互联网以及智能手机越来越普及的优势，通过物联网RFID技术，将温室中需要观测的环境参数，自动连接到互联网中，供需要的用户查询和设置。

3.5 低成本 系统集成了成熟的产品和技术，针对非标准化温室的实际建设情况，采用模块化设计思路，建设和部署成本较业内同样的产品降低30%以上，特别适合经济条件较薄弱的地区的农业生产。

4 总体评价

该系统集成了移动数据GPRS模块、2.4G-RFID无线收发模块与温湿度传感器以及终端电路控制等目前业界最先进的信息处理和管理技术，能够进行无线数据传输和远程电路控制，能够实现设施生产的温湿度自动监测、手机短信数据即时查询、温度湿度超标短信报警，通过手机短信远程进行自动卷帘调光、卷膜通风、CO2补充和自动节水灌溉控制等功能;系统开发了网络平台软件，通过互网也能对设施环境数据进行查询，并能进行历史数据的导出和分析。系统具备以下优点:①能够进行数据缓存，监测数据准确，信号无线传输距离远，抗干扰，环境适应性强、性能稳定。②缓存能力强，数据防冲突，信号稳定，能耗低，读取数据快，控制接口有良好的可拓展性，能够进行阀值自动告警。③解决了传统温室在自动卷帘过程中可能出现的保温帘翻卷过后墙的问题。④体积小、安装简单。通过控制各种电路的开启以达到实现设施环境远程调控的目的，可以设定电路的开启时长以实现精准控制操作的功能，不用对大棚进行全面改造就可以实现相关控制系统的远程操作，适合在各种类型的设施中进行部署。系统环境要求不高，部署方便，功能较为全面。

［1］金鹏，宋秀英.设施大棚生产物联网应用系统研究与开发［J］.农业网络信息，2011(10):8－10.

［2］卢闯，彭秀媛，宣锴，等.物联网在设施农业中的应用研究［J］.农业网络信息，2011(9):10－13.

［3］陈静.物联网技术在日光温室大棚中的应用研究［J］.科技信息，2012(36):78 －79.

［4］华北计算技术所.GB/T15126－1994，信息处理系统数据通信网络服务定义［S］.北京:中国标准出版社，1995.

［5］中国电子技术标准化研究所.GB/T15126－2008，信息技术开放系统互连网络服务定义［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［6］吉增瑞，刘广明，王志强，等.GB/T20270－2006，信息安全技术网络基础安全技术要求［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［7］北京机械工业自动化研究所.GB/Z18729－2002，基于网络的企业信息集成规范［S］.北京:中国标准出版社，2002.