苹果果园环境信息采集与推送研究

2015-09-07樊景超丘耘夏雪周国民

天津农业科学 2015年7期

樊景超+丘耘+夏雪+周国民

摘要：针对苹果果园监控现场偏远，受气候影响较大，监控和管理困难等特点，研究了以GPRS作为无线通讯方式的果园环境信息采集与推送的关键技术：即利用GPRS网络将果园内空气、土壤温湿度等生产环境信息远程传输到信息采集中心服务器，并使用Web Service及安卓推送服务实现智能手机上信息推送，为用户提供果园环境远程监控的相关技术。实际应用结果表明，该系统的实现为农业信息传输的“最后一公里”问题提供了一种便捷的解决方案。

关键词：果园；信息采集；推送

中图分类号：S126 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.014

Abstract：According to the apple orchard field remote monitoring， influenced by the climate largely， with monitoring and management difficulties and other characteristics， studied the key technology using GPRS as a wireless communication of orchard environment information collecting and pushing： using GPRS network to remotely transmit production information including air in the orchard， soil temperature and humidity environment to the central server of information collection center. The implementation of Web Service and Android smart phone push service on information provides related technical orchard environment remote monitoring for the user. The results showed that this research could provide a convenient solution for the agricultural information transmission "last one kilometer" problem.

Key words： orchard； information collecting； pushing

我国是一个水果大国，果树种植具有地域分布广泛、生产环境差异大等特点[1]。传统果树生产管理主要凭借果农长期积累的经验和直觉推测进行判断，果农既是果园生产环境的“传感器”，又是果园管理的“控制器”[2]，这无疑就限制了果树的产量及质量，不能获得更高的经济效益。对于果树生长以及生产进行管理决策，首先要有果树生长环境现场的各项参数数据来进行支持，也就是说果树生长环境中的空气温度湿度、光照强度、CO2浓度和土壤湿度等一系列参数是生长管理决策的基础[3]。因此，对苹果果园生产环境信息的采集、传输与存储，是进行果园生产管理的先决条件和基础。

另一方面，我国地域广阔、农户分散，政府投入少，大部分农村地区的信息化水平较低，电脑普及率不高，基于计算机的信息推送模式已经成为数字农业的“最后一公里”问题的瓶颈[4]。近年来，随着手机尤其是智能手机的普及，以其作为平台开发的服务程序或客户端越来越多，应用领域也越来越广泛。智能手机平台与农业的结合无疑是对农业信息推送的有益补充。

本研究使用传感器、GPRS网络、计算机和智能手机等技术将果园生产环境信息在不同的设备之间进行传输与格式转换，最终形成果园生产信息的采集—传输与存储—推送的一体化信息链条，为果农对果园的精准管理提供技术支撑。

1 总体设计

本研究将系统设计为3个部分，主要有果园数据信息采集、传输与存储层和信息推送。其中现场数据采集与传输部分主要完成空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、降雨量、风速（2 min）、风向（2 min）的自动采集，采集后的数据进行压缩打包后经GPRS通信模块传送给上一层；传输与存储模块部分把果园经GPRS网络传送的数据通过服务器解析后，将得到的有效数据存入数据库服务器中；信息推送部分将采集到的果园生产环境数据通过Web应用服务器和Web Service两种方式推送给不同的果农用户。图1为本研究的系统总体结构图。

2 信息采集硬件设计

进行果园生产环境信息采集主要解决3个方面的问题：首先是果园环境温湿度变化大并伴随风沙、雨雪等恶劣气候，这就要求暴露在户外果园中的各种传感器具有较好的适应能力及密封性和耐腐蚀性；其次果园位置大多相对偏远，受条件限制一般没有电力铺设，这就要求系统自身能够使用太阳能提供电力供应并保证电源稳定可靠；最后是通信网络的设计，现场采集到的数据必须要稳定可靠地传输到数据存储层，这就对通信网络的选择提出了一定的要求。

2.1 传感器设计

果园信息的采集既要考虑性能采集信息的稳定可靠，又要考虑经济成本以便于推广应用。经过多方调研选型，本研究选用富奥通公司生产的FRT-LC低成本自动气象站、FRT GT02型土壤温度传感器和FRT SM-2型土壤湿度传感器采集果园生产环境信息。FRT-LC型气象站可进行常规的环境温湿度、风向、风速、雨量和光照等基本气象要素的观察，同时该气象站自带LCD彩屏可方便查看[5]。

传感器指标如下[5]：大气温度传感器测量范围为-40～60 ℃，测量精度±1 ℃，测量分辨率0.1 ℃；大气湿度传感器测量范围为1%～99%RH，测量精度±5%；雨量传感器工作范围为0～9 999 mm，测量精度±10%，测量分辨率分别是0.3 mm（降雨量≤1 000 mm）和1 mm（降雨量>1 000 mm）；风速传感器0～50 m·s-1，误差精度±1 m·s-1；风向传感器0°～360°，测量精度为5°；光照强度传感器测量范围为0～400 lx，测量精度±15%；大气压力传感器测量范围为300～1 100 hPa，测量精度为±3 hPa；FRT GT02型土壤温度传感器测量范围为-50～100 ℃，测量精度±0.2 ℃；FTR SM-2土壤湿度传感器的测量范围为0%～100%RH（m3·m-3），测量精度±3%。

2.2 供电模块设计

为保证系统的全天候运行，系统供电模块选用太阳能电池板和蓄电池结合的供电方式即小型太阳能供电系统[6]。供电模块主要包括20 W太阳能电池板、17 Ah小型蓄电池和太阳能控制器三部分。太阳能电池板是整个供电系统的核心，它实际上是一种半导体器件，主要作用是将太阳能辐射转换成电能为蓄电池充电。当系统在夜晚和无光照的阴雨天工作时使用蓄电池进行供电，蓄电时使用铅酸电池，在无光条件下可为系统供电8～10 h。太阳能控制器的作用是对蓄电池的充电电流和电压进行控制，使其保持在正常范围内，避免过充、过放现象的发生。

2.3 数据采集模块设计

数据采集模块选用的是富奥通公司的FRT DT60型数据采集器，该采集器是一种多功能集成化的数据采集器，内部设计了多种传感器参数的采集处理程序，同时预留了多种工业接口便于扩展[7]。采集器主要参数如下：内置4 G存储卡；内置GPRS通信模块；通讯方式为2个RS232接口和一个485接口；供电电压DC 6～35 V；功率小于0.2 W；工作环境为-40 ～60 ℃（温度）和0%～100%RH（湿度）。

3 数据传输与解析存储

由传感器采集的果园环境数据需要经过采集器的GPRS模块发送给内置好IP地址的服务器进行接收。服务器端接收采用Socket网络通信机制，通过端口监听线程实时监听用户指定的端口。为保障数据可靠性降低丢包率，数据传输采用UDP进行连接。当监听到UDP请求则接受请求并建立连接，同时启动据接收线程接收该UDP连接发来的数据。

解析服务器按照约定的格式进行数据的解析并验证完整性及合法性，如果合法就进一步解析，从而得到一条有效的数据，每一条数据的内容包括设备编号、设备电压，采集时间和所有传感器的数值。如果不合法，则丢弃该数据包。解析得到的有效数据通过ADO.NET方便高效地存入数据库服务器中的MS SQL Server 2005数据库中。为了提高系统的运行效率，本研究将数据接收和储存都放在同一台服务器中。

4 信息推送

针对农村信息化水平的差异，本研究实现了2种模式的信息推送：一种是基于PC平台的浏览器和服务器结构（B/S），这种模式要求农民家中有计算机并有一定的计算机操作知识与经验；另一种是基于Web Service和Android智能手机，这种模式要求农民具有一部Android智能手机并有一定的Android客户端操作经验即可。果园信息采用图表相结合的方式进行信息推送，用户通过浏览器查看当前果园的环境信息，如图2所示。

Web Services是独立的、模块化的应用，能够通过因特网来描述、发布、定位以及调用，它采用面向服务的体系结构（Service Oriented Architecture，SOA），包括3个部分：服务提供者提供服务；服务请求者使用服务；服务注册服务[8]。.NET平台提供了对服务描述、实现、发布和调用等的支持，可以高效地构建起所需的Web Service。本研究为实现果园信息的推送，研究并实现了2个Web Service：一个是用于用户注册和登录权限验证；另一个是用户查询果园环境数据的更新检查和数据推送服务。

安卓智能手机客户端的信息推送流程如图3所示。果农点击应用程序后，首先通过Web Service进行用户的注册与登录，登录完成后在手机上创建本地用户数据库用于记录用户信息及果园环境信息。用户在个人设置里制定信息推送的方式和定制内容：定制方式分为按天推送、按小时推送和按分钟推送，同时选择推送的时间间隔；定制内容是由用户自主选择需要的果园信息。在完成个人推送定制后，系统在后台启动服务与Web Service进行通信并比对本地数据，符合推送规则的数据系统将在手机通知栏发送一条通知消息，用户点击该消息查看推送的果园环境信息。

传统安卓手机客户端使用基于java语言的Eclipse开发工具，而Web Service是在基于C#语言的.NET平台下开发的，完成整个系统的开发要求开发者掌握两套开发语言和工具平台，这大大增加了开发强度。为了解决这个难题，本研究对安卓手机客户端的开发使用Mono For Android软件工具。Mono for Android由Novell推出，业界首个使用Microsoft Visual Studio为Android平台开发Microsoft .NET应用程序的解决方案。Mono for Android是一个运行时和开发堆栈。.NET程序员可以充分利用他们现有的Visual Studio和C#知识为基于Android的智能设备开发应用程序[9]。图4是用户的信息推送定制界面，图5是系统的通知消息界面，图6是系统显示的果园环境信息。

5 系统测试

为了测试本文所研究技术的可行性，系统首先在实验室进行安装部署和调试，通过本地测试后，系统于2013年安装在洛川苹果果园开展信息采集与推送工作。整个系统一直工作至今，运行统稳定可靠，实现了果农足不出户即可掌握果园环境信息的目标。从使用效果上看，系统可以及时提供详细、准确的果园生产环境信息，具有显著的社会效益和生产经济效益。虽然本研究的相关技术是针对苹果果园环境信息的，但是整个方案可以移植到其他农业经济作物的信息采集与推送工作中，因而具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 王文山，柳平增，臧官胜，等.基于物联网的果园环境信息监测系统的设计[J].山东农业大学学报：自然科学版，2012，43（2）：239-243.

[2] 孙忠富，曹洪太，李洪亮，等.基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报，2006，22（6）：131-134.

[3] 岳学军，王叶夫，刘永鑫，等.基于GPRS与ZigBee的果园环境监测系统[J].华南农业大学学报，2014，35（4）：109-113.

[4] 张军，尚敏，陈剑.基于3G技术的智能农业远程监控与管理系统[J].计算机测量与控制，2011，19（5）：1 058-1 061.

[5] 富奥通科技（北京）有限责任公司.自动气象站[EB/OL] .（2015-01-01）. http：//www.fronttech.com.cn/Product_list.aspx？type=137.

[6] 夏雪，丘耘，胡林，等.基于3G和DDNS的果园环境远程监控系统[J].总线与网络，2013（8）：18-21.

[7] 富奥通科技（北京）有限责任公司.DT60数据采集器[EB/OL].（2015-01-01）.http：//www.data-taker.com/Product/903478319.html.

[8] 王彦集，张瑞瑞，陈立平，等.农田环境信息远程采集和Web发布系统的实现[J].农业工程学报，2008，24（S2）：279-282.

[9] 王净，范园芳，田洪.C#开发Android应用实战-使用Mono for Android和.NET/C#[M].北京：清华大学出版社，2013.

[10] 卢树昌，贾文竹.河北省果园土壤质量现状及演变分析[J].华北农学报，2008，23（5）：219-222.

[11] 刘宝生，古希树.设施果园“绿色果品”病虫害综合防治技术[J].天津农业科学，2010，16（1）：42-43.