农业物联网测控系统的开发与应用

彭志良，赵泽英，陈维榕，王 虎，李莉婕

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

农业物联网测控系统的开发与应用

彭志良，赵泽英＊，陈维榕，王 虎，李莉婕

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

针对贵州省的生态气候条件和果蔬生产的实际需要，采用多种网络技术融合的农业物联网远程测控方案，开发适宜贵州果蔬生产管理的网关、数传、采集控制等ZigBee无线网络设备，开发集数据采集、设备控制、远程传输、存储管理、网络发布、视频监测等为一体的物联网测控系统，建立不同地形地貌、种植模式环境下的8个127.8hm2果蔬物联网应用示范基地，推动果蔬生产基地的标准化建设。

ZigBee；物联网；自动测控；蔬菜；果树

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其实质是物物相连的互联网，是指通过各种信息传感设备实时采集任何需要测控、连接和互动的物体或过程，采集其各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。作为现代信息技术三大基础（传感器技术、通信技术和计算机技术）高度集成而形成的物联网，可广泛应用在农业生产现场数据信息采集、农业生产设备的智能化控制等各个生产环节。物联网技术是实现农业集约、高效、生态、安全的重要支撑，研究物联网农业应用与示范实践［1－5］，对于农业广域空间分布的资源和环境信息的监测、处理及优化资源配置、生产管理信息的实时采集与分析都具有至关重要的意义。因此，以蔬菜、果树种植为对象开发基于生产管理监测与控制的物联网系统，并进行示范应用，以实现种植环境中温、光、水、气、肥的监测与控制。

1 系统架构

针对ZigBee、VPN、WiFi、GPRS和3G／4G等各自的优势和特点，采用多种网络技术融合的农业物联网远程测控方案［6－8］，根据测控现场不同的网络接入条件，采用不同的实现方式。测控现场采用ZigBee无线传感器、WiFi网络、光纤网络或无线AP等建立测控现场网络。在有条件的地方可在测控现场与中心服务器间建立VPN通道；对于一些有线（如ADSL、专线等）接入比较方便的测控现场，采用有线网线或WiFi进入Internet；针对地理位置分散，远离可上网地点的情况，通过4G／3G／GPRS／CDMA无线通信技术进行远距离联网，在3 G／4G信号覆盖较好的环境采用3G／4G方式进行数据传输，在3G／4G网络尚未覆盖的测控现场则自动切换为GPRS和CDMS等2.5G的传输方式，保持数据传输的顺畅。

整个系统设备由现场传感器或控制设备、终端模块、网络通信模块和服务器等几部分构成（图1），在具体的集成时，首先根据监测、控制要求配备各种硬件，再将各个部件用物联网与Internet网连接到测控服务器，形成能实现监测与控制功能要求的完整系统。现场终端模块负责采集环境数据，对辅助设备执行控制指令等操作。服务器主要负责接收存储数据，发送控制指令，并为用户提供多种数据决策、运算与访问服务。网络通信模块是现场终端模块与中心服务器通信的枢纽，网络通信模块是指具有网络共享功能的一类设备或芯片，其主要功能是让现场终端测控模块接入Internet与中心服务器建立网络连接，可能是一台小型路由器，也可能是集成到现场设备中的3G／GPRS无线移动芯片或独立的3G路由器。

图1 物联网智能测控系统网络示意图Fig.1 The diagram of internet intelligent monitoring and control system

2 ZigBee无线设备开发

2.1 硬件设计

ZigBee无线设备为用户端和田间传感器建立一条透明通信通道，分为网关设备、数传设备及采集控制设备，均采用2.4G自由频段的ZigBee无线网络，RS232接口，9－36VDC电压供电。使用集成化思想和动态电源管理技术，缩小其体积，降低其功耗及成本，增加可靠性。

ZigBee数传设备负责为串口终端设备增加无线通讯能力或作为ZigBee的中继路由，主要由CPU、射频和接插件3个部分组成，系统中ZigBee数传设备选用JN5139无线数传模块作为系统核心芯片，其集成RISC处理器、RF收发器、ROM、RAM、ADC和DAC，且采用TPS71533电源管理芯片对处理及通信模块进行供电，深度睡眠时仅消耗0.24μA电流，灵敏度高达97dBm，最大输出＋3 dBm，最大传送速率为250kbps，添加少量的外围元器件后，JN5139则可快速高效的实现ZigBee通信功能。

ZigBee网关设备负责将ZigBee网络连接到有线局域网、802.11b／g无线局域网、GPRS／CDMA／3G等网络中。数据由ZigBee进入网关采用串行传输的通信方式，采用JN5139嵌入式的ZigBee无线数传模块［9－13］将收集的数据送到协调器，由协调器将数据送至应用层，再通过串口发送到网关。相反，网关将外部网络发送的数据进行解封通过串口交给协调器，协调器将数据封装后，加上ZigBee的短地址发送出去，则实现从ZigBee到网关的双向数据传输。网关外部网络连接模块中，Wifi模块采用嵌入式ZK1000模块，以太网模块采用嵌入式ZK400，GPRS／CDMA模块采用SIEMENS GPRS模块与基于ARM7内核的TCP／IP协议控制芯片高度集成的ZK6000模块，TPS71533和TPS7133电源管理芯片分别对ZigBee模块和接入网络模块进行供电。

ZigBee采集控制设备是集成采集、控制和无线传输于一体的小型无线RTU，4路4～20mA（或0～5V）采集，4路光隔开关量输入，4路继电器输出，内建Modbus协议。采用JN5139无线数传模块，TPS71533和TPS7133电源管理芯片分别对处理及通信模块和传感器模块进行供电，采用ELM9550C为传感器模块提供5V的电源电压。测控设备供电采用12V外接胶体电池供电，电池可采用交流变直流后充电，也可采用太阳能供电，电路中安装浪涌保护器和地线，防止雷击造成设备损坏。

2.2 软件开发

系统的软件设计在Jennic提供的开发平台上进行，Jennic公司在ZigBee协议栈的基础上提供了初始化、协议栈调用和协议栈调用应用等一些基本的接口函数。设备软件包括实时的任务调度单元（RTOS）、存储数据管理单元（PDM）、系统功耗管理控制单元（PWRM）、协议栈数据通信控制单元（PDUM）、数据采集与控制实施单元（DACI）。网关设备负责组网并启动网络，定时接收网络中传输的数据和发送测控信号，并通过Internet连接模块向服务器写数据或接收信号；采集控制设备负责完成现场数据的采集与执行控制，通过通信模块将采集数据包传送或接收控制信号；路由设备负责建立跳转，将网关设备与采集控制设备进行联接。各节点遵循休眠－被唤醒－正常工作的工作模式，在休眠状态，处理器停止工作，而SPI端口和中断系统继续工作。当中断产生，节点通过控制引脚信号实现对传感器的控制，进行数据采集和发送。

网关设备是物联网主服务端设备，其程序中设置有客户端列表，客户端在使用与主服务端相同的频段访问主服务端后，将客户端信息加载进入客户端服务列表。无线ZigBee模块在接入网络中预先通过串口设置信道、ProfileID和网络内设备地址，开机后按照信道设置搜索服务端设备，服务端确认接入端设备的ProfileID和设备内部地址后，将设备加载进入设备列表，完成无线网络搭建。

3 智能测控系统开发

3.1 系统设计与开发工具

智能测控系统为部署在应用服器上的平台软件，作为整个物联网系统的主服务端，基于·net framework 4.0环境，采用Visual Studio 2010开发，总体设计分为数据采集、数据查询、视频监控、设备控制和平台管理等模块（图2），各模块通过使用不同的网络协议进行通讯。数据采集模块负责通过TCP／IP协议采集网关设备发送的农田环境因子与作物生理生态参数，接收到数据之后解析指令内容，然后根据解析的结果作相应处理操作。数据査询模块提供平台系统面向客户端的全部服务接口，采用Web Service开发，用户根据定制的前端接口格式向前端服务发送请求，前端服务接口接收到请求后，首先通过验证过滤非法的请求，然后根据请求的内容获取数据信息。设备控制模块负责对于田间设备的控制，同时负责环境信息的异常预警。

3.2 信息采集与设备控制

信息采集与设备控制运用多线程技术与socket通信技术开发，注重程序的并发处理能力，控制协议采用ModBus。软件负责与各个现场终端设备建立控制连接，保证控制指令的实时发送执行。软件启动后，占用固定通信端口，专为物联网设备访问通道，Socket首先建立IP及主机端口套接字，然后将套接字加入监听序列。软件开始不断地扫描是否有客户端设备接入，当有客户端进入时，通过客户端发送的身份标识认证客户端身份，并将设备加入客户端列表。在服务器接收连接后，服务器与客户机可通过调用函数实现数据通信。

图2 系统平台的功能结构设计图Fig.2 The functional and structural design drawing of the system platform

数据采集指令的特征码为03，按照地址＋特征码＋数据端口＋crc的数据格式进行设置。数据采集指令发送后，若物联网设备成功接收数据指令，返回设备端口采集到的数据值，按照MOUDBUS协议格式进行编译后返回给软件系统。当软件系统与设备通信时，读取到数据后转入delegate方法进行委托处理，代码如下：

设备控制与数据采集类似，但数据特征码不同，数据特征码为05。系统发出指令后，节点设备在运行控制代码后，返回一组与接收指令相同的指令，软件系统收到指令后可确认控制状态成功改写。在控制设备时，由于供电异常、信号异常及设备故障等原因，设备控制指令发出后无响应，设备控制异常。在经过实际试验后，综合设备反应和信号的传输等因素设定异常处理时限。在控制时限内，设备正常接收返回的控制指令；超出时限，则为系统超时设定，系统连接失败。控制时限代码：

3.3 视频监控嵌入

在测控现场配合安装带有云台控制功能的海康威视高清网络摄像头，实时观察到设备指令的执行情况，监测作物的生长发育状态，建立作物生长图片库。采用海康威视iVMS－7000集中监控应用管理平台建立流媒体服务器与大容量磁盘阵列，视频监控的嵌入开发通过链接视频服务器平台，采用TCP／IP网络通信与Webservers作为数据桥接软件，应用海康视频显示组件与接口组件进行软件开发，采用监控接口为基础平台，通过视频接口video WebReference获取视频监控通道信息，使用基础视频播放axPlayView＿OCX插件加载视频信息，将网络摄像头视频接收到本地，实现视频预览、视频窗口调整和摄像头调整等需求。系统运行时调用接口连接函数，向视频服务器发出连接需求。连接成功后，按照摄像头连接格式，生成xml连接配置文件，连接获取视频监控图像。

3.4 系统功能

物联网系统界面参见图3。

图3 物联网测控的系统界面Fig.3The interface ofinternet intelligent monitoring and control system

3.4.1 系统配置 设置物联网监控点、终端模块参数，数据采集时间段、采集间隔、控制系统执行条件等参数。

3.4.2 采集数据 软件按设定程序或指令，进行数据采集并将其存贮在数据库。

3.4.3 控制功能 将控制指令通过传输模块发送给终端模块，控制设备的开启或关闭。

3.4.4 数据查询 提供农田环境与作物生理生态信息查询、传感器节点状态査询和用户信息查询等查询接口。

3.4.5 决策功能 将环境数据作为支撑，农作物管理模型作为管理基础，为作物管理提供精准管理方案，智能解决农业灌溉、施肥和通风等管理问题，当环境因子达设定下限时自动启动设备，当环境因子达设定数值上限时自动关闭设备。

3.4.6 视频监控 将不同地方的视频集中到1个平台中，可集中管理和监测生产活动，为病虫害预警及远程专家诊断提供依据。

3.4.7 数据管理 在系统内查看数据让用户随时随地管理数据信息，按照数据应用方案，对数据进行分析和整理。

3.4.8 平台管理 主要是监控平台的运行状态，记录平台每天处理的所有任务情况，主要由权限模块、监控模块和日志系统等部分组成。

4 应用示范

依据开发的设备与软件建立贵州省农业科技信息研究所惠水试验基地、罗甸林场火龙果基地、普定县绿源苗业有限公司梨园基地、普定县嘉名农业科技有限公司玫瑰园基地、南明区永乐乡桃园种植基地、凯里市舟溪镇黔东南现代农业科技示范园区、榕江蔬菜标准化园、关岭县板贵乡火龙果标准园等不同地形地貌、种植模式的环境下8个127.8hm2果蔬物联网应用示范基地，推动了果蔬生产基地的标准化建设，产生了良好的社会经济效益。如关岭县板贵乡三家寨村火龙果物联网应用示范基地田间监测与测产，节水节肥50%，每批次单株结果增加1个，单果重增加0.07kg，优果率达81.6%，增产78.3%；普定玫瑰种植基地节水70%左右，节肥45%；普定梨树种植基地节水节肥超过50%。

5 小结

1）根据贵州省的生态气候条件、土壤条件和果蔬生产的实际需要，选择了适宜贵州果蔬生产管理的相关硬件设备与控制策略，设计开发了基于ZigBee的物联网测控系统，针对多种不同测控需求同时采用多种网络技术，实现了多种网络融合与无缝连接，实现对现场多种环境要素数据采集、设备控制、远程传输、存储管理、网络发布、分析处理，并将图像、视频多媒体技术集成在系统中，克服了传统测控系统现场封闭测控的局限性。通过在省内多个果蔬园区的示范应用，具有较好的效果，将推动贵州果蔬物联网技术应用的发展。

2）研究开发的硬件设计时采用简单有效的协议及算法降低了节点整体功耗，在测控区域内部署工作时自动加入网络，系统具有很强的容错性能。但除环境因素及距离的关系外，网络通信还受到电磁、天气因素及节点本身硬件的精度等影响，今后将进一步增加影响因素的关系分析，不断改进信号传播模型，从而提高定位的准确性与组网的容错能力。

3）由于物联网测控系统投资较高，企业或种植大户不愿独自承担物联网测控系统的投资，目前系统的推广应用存在“瓶颈”问题。随着贵州高效农业示范园区建设进程的加快和农业结构调整，果蔬产业对物联网测控系统的广泛需求。因此，下一步的研究中，将引入新的智能化技术和传感技术开发价格低、性能可靠及操作简便的硬件产品，并利用物联网平台长期采集的数据进行数据挖掘，开发适应环境复杂多变的作物管理模型，提升平台的通用性，降低物联网技术在农业生产中的应用成本。

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（责任编辑：刘忠丽）

Development and Application of Agricultural Internet Monitoring System

PENG Zhiliang，ZHAO Zheying＊，CHEN Weirong，WANG Hu，LI Lijie
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The ZigBee wireless network equipment with gateway，data transmission and collection control for production management of fruits and vegetables and the integration internet monitoring and control system with data collection，equipment control，remote transmission，storage management，Web publishing and video monitoring are developed by the agricultural internet long－distance monitoring and control scheme with multiple network technology according to local ecological climatic conditions and actual demand of fruits and vegetables production in Guizhou.8internet application demonstration bases （127.8hm2）of fruits and vegetables are built according to different landform and cropping pattern to promote standardization construction of fruits and vegetables production bases.

ZigBee；internet；automatic monitoring；vegetable；fruit

S126

A

1001－3601（2016）08－0358－0135－05

2016－05－02；2016－07－01修回

贵州省农业科技攻关项目“果蔬作物物联网关键技术集成与示范”［黔科合NY字（2011）3097］；贵州省农业科学院项目“贵州主要经济作物物联网关键技术集成与示范应用”［黔农科院院专项（2011）030］，“土壤墒情自动监测预报系统的研究与应用”［黔农科院院专项（2011）031］，“贵州辣椒、火龙果数字化管理技术研究”［黔农科院自主创新科研专项字（2014）011］，“农业园区水肥精准控制管理技术研究与示范”

彭志良（1962－），男，研究员，从事农业信息技术研究。E－mai1：pengzhiliang＠126.com

＊通讯作者：赵泽英（1975－），男，研究员，从事农业信息技术研究。E－mai1：605538133＠qq.com