南疆地区的大规模农田远程监测系统设计*

李小勇，于群，赵红玉，霍大勇

(喀什大学 物理与电气工程学院，喀什 844000)

南疆地区的大规模农田远程监测系统设计*

李小勇，于群，赵红玉，霍大勇

(喀什大学 物理与电气工程学院，喀什 844000)

摘要:针对南疆农业信息化需求，本文就实现大范围、远距离、低成本数据监测系统展开研究。设计了一套能实现基本功能的远程农田数据采集系统，在农田现场搭建无线采集网络；采用网络化嵌入式数据采集节点采集农田信息；数据通过无线信道远程传回农田监测中心；服务程序通过网络从采集节点采集数据，并完成处理和存储的工作。通过该系统可方便地查看地农田的状态信息，为从事农业生产、农业指导等工作带来便利。

关键词:农田远程监测;网络化数据采集节点;服务程序设计;Web程序

引言

南疆地区地广人稀，随着农村人口老龄化情况日益严重，农作物规模化种植、农田的管理依靠人力要费很大的精力。信息技术的发展，在农业上促进农业生产信息化发展[1-5,11-12]，有助于帮助农民节省体力和精力。比如，一般是到农田巡视，凭借人的经验确定缺水状况。如将若干农田水分信息进行采集，并进行数据处理，则坐在室内就可以比较科学地判断农田缺水状况。

为了达到以上目标，本文从技术层面上展开研究。首先，在农田数据采集现场搭建无线中继网络[6-7]，每一个中继节点同时可作为数据接入节点；数据采集现场采集到的数据，通过无线网桥的方式传输到农田监测中心的PC主机，进行数据的处理、存储、显示。通过实验与测试得出，本文提出的农田监测网络方案具有较大的数据带宽，通信效果稳定，搭建成本低廉，适用于进行大范围的数据采集的农田信息监测。

1农田监测系统总体模型

农田数据监测系统总体结构示意图如图1所示。整个系统在组成上分为三个部分，包括实现农田数据大范围、分布式数据采集的农田现场数据采集网络部分，采用无线网桥设备实现的无线桥接功能部分，以及完成对数据进行采集、处理、存储、显示等功能的农田监测中心部分。农田现场数据采集网络包括用于组网的无线中继设备、用于农田数据采集的无线数据采集节点和有线数据采集节点，系统总体结构如图1所示。

图1　农田数据监测系统总体结构

1.1现场数据采集网络总体设计

在农田数据采集现场，现场通信网络应能够有较远的通信距离，实现较大的覆盖范围。网络的通信方式采用无线通信，这样能减少有线连接，便于网络维护，方便现场采集系统的部署。通信网络的组网设备采用较大功率的WiFi设备。首先，将WiFi设备配置为无线中继模式，再通过无线中继的方式将数个WiFi设备顺序相连，构成一个基本的通信网络。

在图1中，A、B、C表示三个无线WiFi设备，均工作在无线中继模式。每一个无线中继设备可以连接一至多个传感器数据采集节点。传感器数据采集节点与无线中继设备之间的连接方式既可以是无线连接方式(WiFi)，也可以是有线的连接方式(通过RJ45接口)。在本系统中，每一个数据采集节点设计为与最近的一个无线中继模块连接，并将采集到的传感器数据发送到现场网络中，最终会通过无线网桥将数据发送到农田监测中心的PC主机，以供数据处理和显示。

在传感器数据采集节点与无线中继模块距离较近时(数米以内)，可以采用有线连接方式，直接由无线中继设备通过网络线供电(POE)给采集节点。这时候网线的阻抗较低，电压衰减较少，可以有效供应电能。当距离较远时，可以采用无线连接的方式。每一个无线数据采集节点均需要独立的微型供电系统，采用光伏发电方式。

图2　农田现场数据采集网络组成框图

每个无线中继设备能够有效地覆盖多个农田，每一块农田至少安装一个传感器采集节点，并从最近的无线中继设备接入网络，多个无线中继设备组成一个完整的现场采集网络。可以看出农田的数据采集具有大面积采集、分布式采集的特点。农田现场数据采集网络组成框图如图2所示。采用这样的组网方式，一是为了方便实现多点分布式数据采集，二是可以实现较大容量的数据通信，在数据采集种类、数据采集量、农田采集范围等方面具有一定的可扩展性。例如，增加多种规格传感器种类，采集更丰富的农田数据，数据量增加了，也不会超出通信网络的带宽。

1.2无线数据采集节点设计

无线数据采集节点应能通过WiFi接入通信网络，在本文设计了如下方案实现这一功能：使用ESP8266[8]无线WiFi模块与单片机共同组成无线传感器数据采集节点，将采集到的传感器数据通过无线传输方式发送到网络[9]。

(1) ESP8266无线WiFi模块简介

ESP8266芯片是由乐鑫信息科技有限公司开发的一款高度集成的芯片，专门为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计。为了节约能源，ESP8266可工作于三种能耗模式：激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式。本文使用的是由ESP8266和单片机共同构成的WiFi模块，通过AT指令设置，可以使ESP8266模块工作于softAP模式、station模式、softAP+station共存模式中的一种，将ESP8266模块设置为工作在station模式。

(2) 无线数据采集节点接入通信网络

单片机与ESP8266连接原理示意图如图3所示。单片机采用IAP15F2K61S2芯片，其串行接口与ESP8266通过TTL串口连接在一起，并通过AT指令与ESP8266无线模块通信，实现网络数据的收发。单片机和ESP8266共同作为一个整体，相当于一个WiFi终端，从现场采集网络获取到IP地址，成为网络的终端设备，将无线采集节点采集到的农田数据传入通信网络中。通过这个WiFi终端，既能够将农田传感器数据发送到网络中，又可以接收网络发送给无线终端的数据。

图3　WiFi数据采集终端电路原理简图

要实现无线终端将农田传感器数据发送到网络中，单片机对ESP8266的操作流程如图4所示。

图4　单片机操作ESP8266发送传感器数据流程

1.3有线数据采集节点设计

有线数据采集节点[10]硬件总体设计框图如图5所示。硬件核心主要由三部分构成：传感器和信号调理电路构成的数据采集部分，C8051F340单片机及其附带硬件构成的控制中心部分，以及网络控制器CP2200及其附带硬件构成的网络通信部分。有线数据采集节点通过RJ45接口与无线中继模块实现有线连接。

图5　硬件总体设计框图

有线网络化数据采集节点软件结构框图如图6所示。节点在软件组织上分为4个模块部分：CP2200网络芯片驱动程序模块，精简的TCP/IP协议栈模块，数据采集与执行器控制模块和微型Web服务器模块。

图6　有线数据采集节点软件结构框图

在节点处理运行过程中，这4个模块互相协调，形成一个功能明确的软件整体。从处理客户端发来的HTTP1.1请求的角度分析，首先CP2200接收来自以太网的比特流并组装成以太网帧交付给上层TCP/IP协议栈；协议栈通过对以太网帧的一系列分析，判断为IP分组、TCP数据包、HTTP1.1请求消息；HTTP1.1消息被交付给Web服务器进行进一步处理，Web服务器对这个HTTP1.1请求消息解析，然后根据消息内容向测控节点发出各种动作指令(比如从传感器获取数据)，然后待发送数据再以HTTP1.1消息响应的方式将处理结果返回给发出HTTP1.1请求的客户端。

1.4无线桥接的实现

通过无线网桥设备，将农田现场采集的数据传输到农田监测中心的PC主机。在现场数据采集端设置一个无线网桥，在监控中心也设置一个无线网桥，通过对网桥设备进行设置，将这两个无线设备桥接在一起，组成一个无线通信的信道，以实现现场采集网络与监控中心的点对点的双向通信。

2农田数据监测中心设计与实现

图7　监测中心总体组成框图

农田监测中心由数据采集服务程序、Web服务器程序共同组成，其总体组成结构框图如图7所示。服务程序完成对农田现场各个数据采集节点的农田数据的采集，并将采集到的数据做分析处理并存入数据库中。Web服务器程序将数据库中相应的农田数据进行处理，以一定格式发送给Internet客户端用户浏览器并显示。

2.1服务程序设计

在农田现场采集到的数据，通过中心节点将数据汇集并传输给监控中心的PC主机，最终在监控中心进行处理、存储或显示。在监控中心端，实现数据采集、处理、存储功能的是服务程序，专门用来获取农田现场数据采集节点采集到的数据。服务程序软件组成框图如图8所示。

图8　服务程序软件组成

服务程序主要完成对农田数据采集、数据库读写的功能，采用Visual Studio 2005开发环境编写。服务程序在功能实现上包含三个方面：对无线采集节点数据进行采集；对有线采集节点数据进行采集；对数据库的读写操作。对于无线方式，采用TCP协议；有线方式，采用HTTP1.1协议。数据库通信线程完成对Access数据库的读写操作。

2.2Web程序设计

图9　Web程序功能组成框图

通过编写Web程序，可将采集到的数据进行处理、显示，并以动态Web页面响应的形式发送至Internet的浏览器终端。数据库采用Access数据库，基于.NET技术完成Web程序的编写。Web程序功能组成如图9所示。

3实现基于Internet的远程监测总体测试

3.1数据采集系统网络延时、带宽测试

通过网络性能测试工具JPerf对农田数据采集系统进行带宽测试，在无线中继模块相距100 m左右时，测试结果如图10所示。经统计得出，经过100次带宽测试，平均带宽为4 586 kbps；系统带宽标准差为509，延时变化较大，但对于农业用数据采集系统，这个影响很小,能整体上满足大规模农田数据采集对系统的数据通信稳定性要求和带宽要求。

图10　使用JPerf测试系统通信带宽与稳定性

3.2数据采集实例测试

单个有线数据采集节点进行土壤数据采集，实物图如图11所示。图中包含一台无线中继模块、有线数据采集模块、高精度土壤湿度传感器MS20等设备。

图11　单个数据采集节点采集土壤湿度数据实物图

在浏览器地址栏输入Web页面地址，查看数据采集节点采集到的土壤湿度数据。表1所列为1号数据采集节点(AcqID=1)采集到的部分数据。

结语

根据本文提出的系统设计方案实现了一个基本的远程数据采集系统，并已应用于农田数据监测，通过测试，能基本达到预期目标。目前系统还较为简单，但是通过测试与论证，可以看出本文提出的方案具有较好的可扩展性，

表1　土壤湿度数据查询

参考文献

[1] 邹金秋.农情监测数据获取及管理技术研究[D].北京：中国农业科学院, 2012.

[2] 唐珂.国外农业物联网技术发展及对我国的启示[J].中国科学院院刊,2013,28(6):700-707.

[3] 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(5):1058-1061.

[4] Dongxian He,Youlu Bai,Po Yang.Agricultural remote monitoring systems based on web server embedded technology and CDMA service[J].New Zealand Journal of Agricultural Research, 2008(50):1393-1397.

[5] 黄震.分布式农田信息采集及预测系统研究[D].济南：山东大学,2013.

[6] 李先权.WiFi网络构建与应用研究[D].广州：华南理工大学,2012.

[7] 郭欣.无线多跳中继网络资源调度[D].合肥：中国科学技术大学,2008.

[8] Espressif Systems IOT Team.0A-ESP8266__Datasheet__CN_v4.4.pdf[EB/OL].[2016-01].http://bbs.espressif.com/download/file.php?id=713,2015.

[9] 张如龙,陈科明,严迪科,等.易用的物联网网关设计与实现[J].杭州电子科技大学学报：自然科学版,2015(2):16-19.

[10] 李小勇,娄颜超.可配置IP地址的微型嵌入式WEB服务器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(11):35-38.

[11] Gilberto Z.Pastorello, G.Arturo Sanchez-Azofeifa, Mario A.Nascimento.Enviro-Net: From Networks of Ground-Based Sensor Systems to a Web Platform for Sensor Data Management[J].Sensors, 2011, 11(6):6454-6479.

[12] 白冰.基于物联网技术的北方设施农业环境数据监测与控制系统研究[D].北京：中国农业科学院,2013.

李小勇(硕士研究生)，主要从事网络化测控技术方向的研究;于群(副教授)，主要从事电力系统自动化、安全监测方向的研究;霍大勇(教授)，主要从事控制技术方向研究。

Remote Monitoring System of Large-scale Farmland in Southern Xinjiang

Li Xiaoyong,Yu Qun,Zhao Hongyu,Huo Dayong

(College of Physics&Electrical Engineering,Kashgar University,Kashi 844000,China)

Abstract：Aiming at the agricultural informationization demand of the southern of xinjiang,this paper focuses on the realization of large-scale,long distance and low-cost data monitoring system.A remote farmland data acquisition system is designed,which can realize the basic functions.The wireless data acquisition network is built and the farmland information is collected by the networked embedded data acquisition node.The data collected is transmited to the remote monitoring center through wireless channel.The service program collects the data from acquisition node through the network,then completes the processing and storage.The system can conveniently check the state information of the farmland.

Key words:farmland remote monitoring;networked data collecting node;service programming design;Web program

* 基金项目：校内课题 网络化数据采集在喀什农业生产信息化应用研究((14)2528)。

中图分类号:TP273

文献标识码:A

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2016-01-25)