基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发

王 新，张圆圆，许 苗，邢 博,2，曾 浩



基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发

王 新1，张圆圆1，许 苗1，邢 博1,2，曾 浩1

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中国汽车技术研究中心，北京 100070）

针对中国当前农业无线监测中农业信息化标准尚未建立，监测终端各不相同，监测系统数据结构兼容性差的问题，该文围绕异构数据规范化设计和管理，开发了面向差异化农业信息监测终端的一体化网络平台。根据异构网络数据特点，将不同监测终端上传的数据格式标准化；基于XML（extensible markup language）和Visual Basic 6.0开发了标准化网管数据接口，将不同终端数据按照通讯协议的标准格式解析、存储数据；基于PHP、MySQL数据库和服务器及网站网页技术设计并搭建了远程监测平台。利用开沟机监测终端进行田间试验，监测耕深和跟踪机具，试验表明：网管数据接口能实时接收并正确解析终端数据；监测平台可实现远程数据的曲线显示、数据导出和控制终端的远程控制、轨迹绘制的功能；通过导出数据的轨迹和平台显示轨迹对比，轨迹精确。该研究解决了监测系统异构数据及终端硬件差异问题，把单机测控应用扩展至广域网，可应用于农机信息的远程实时监测和远程控制，对现代化农业信息化共享有着重要作用。

监测；互联网；信息技术；异构网络；数据共享；标准化数据管理接口；通讯协议

0 引 言

近年来，受益于远程无线监测技术的发展，中国农业信息化体系框架初步成型，各涉农职能部门在农业信息资源的利用与整合方面开始积累一定经验，农业信息服务也取得了一定成效[1-3]。­

但现有远程无线监测系统大多只是有线监测系统，并将其在距离和空间上进行延伸，将数据传输通道由电缆突破到无线网络，其监测实质并没有发生变化。而各高校和科研机构对现代化农业监测的研究多集中于监测技术本身的优化、监测终端的布局组网和监测系统的实现[4-12]。且每一种作物需要监测的参数均不相同，导致下位机的开发千差百异。同时受制于摩尔定律的影响，硬件飞速发展，以及农业信息化标准尚未建立[13-14]，各设备无法兼容，各无线监测系统数据无法互通共享，进而重复监测的现象极为普遍，监测数据大量浪费。

此外，现代农业无线监测系统中，网络仅作为数据传输通道，不参与数据的处理和结果的分析，这无疑是对于服务器及互联网资源的浪费。随着设施农业信息化体系的建立，必须要打破各监测系统间的闭环监测壁垒，将无线监测的通信数据进行整合，纳入各系统监测终端，并统一数据通信协议，推动监测系统融入互联网，形成现代化农业信息化共享平台[15-19]。

本文针对目前农业信息监测平台众多、数据统一管理机制薄弱的问题，研究了一种异构数据规范化设计与管理方法，首先规范各系统感知层终端的采集信息，并将标准格式化数据利用远程网络上传到远程服务器，利用标准化数据管理接口实现异构数据通过统一的格式转换载入到互联网监测系统的数据库内，实现多种异构网络接口统一配置以及各监测终端数据解析、数据存储、数据显示功能。

1 系统方案

现代农业信息监测系统主要由信息监测终端、网管数据接口和网络平台3部分组成，聚焦实现多种农业信息监测网络群组及通信方式的异构网络数据的统一化管理，并赋予农业信息监测的可视化功能。

农业信息监测网络平台系统架构设计如图1所示，信息监测终端主要实现各种农业设施传感器信息的采集和初步处理，例如滤波除噪等；网管数据接口包含数据通信和数据处理2部分，前者负责将信息监测终端采集的信息进行远程传输至应用程序服务器，后者在接收传输数据之后，根据统一的数据格式及配置将数据进行处理并存储，供网络平台使用；网络平台利用网站网页编程技术，将农业信息数据进行展示，完成农业信息的远程网络化监测。同时，基于监测系统的数据传输通道，开发的监测系统连接服务器数据库与底层终端的中间件[20-24]即网管数据接口，实现了异构网络数据统一化管理，和由网络监测平台向监测终端的控制功能。

图1 现代农业信息监测网络平台系统架构

综上所述，系统通过监测终端、网管数据接口和网络平台可完成数据采集、远程通讯、远程控制并提供Web服务，客户端可通过网络平台查看监测信息、读取历史记录、管理监测设备等（如图2所示）。

图2 系统软件结构

2 网管数据接口软件设计

网管数据接口是监测系统数据集中处理和异构网络数据交互的核心，其硬件直接依托服务器自身硬件，将网管数据接口搭建在通信程序服务器上，无需独立设计硬件电路，使用服务器处理器及外设接口，具有处理速度快、兼容多种接口、充分利用硬件资源等优势。其软件部分运行于服务器系统上，以Visual Basic 6.0为编程语言，采用MySQL数据库[25-26]。其实现的主要功能有：统一数据格式、通信数据接收读取、采集数据解析和数据库管理。

2.1 数据格式标准化

通信数据的结构和格式是网管数据接口可以准确识别监测终端通信数据的依据，其包括了数据格式标准化模块、传感器标定模块和监测对象测控信息模块，用来判断数据包的完整性和解析各通道采集数据数值位置，直接决定上传数据能否被解析。该协议固化在程序内部，不可更改。在现实作业中，控制部分的通信数据可设置监测终端相关参数，用来定义终端采集频率、采集点等。传感器标定模块用来定义通信数据各通道工程数与采集数对应关系，可由网络平台管理员进行更改，定义用户层网络平台的显示数据。而监测对象的数据类型与结构十分灵活，用来定义监测终端及监测对象名称、通道含义等，与底层监测相互分离，可由网络平台进行更改，有助于提升监测系统的人性化和友好度。

本网络监测平台的通讯数据格式由程序定义，包含起止符、终端唯一标识号和通道数据流3部分。其结构如图3所示，起止符判定数据是否完整，唯一标识号定义数据流的从属，数据流包含通道采集数据。本设计中，数据本身没有任何意义，仅代表传感器电压或电流数值，其含义及转换关系均可由传感器标定模块和监测对象的数据结构进行定义。由此，既保证了下位机远程监控终端的灵活性，由充分利用上位机服务器的数据处理能力进行数据解析、显示与存储，实现了资源的优化配置。

注：“*”代表数值

传感器标定模块用来定义结果数值和监测原始数值之间的关系，由网络平台进行定义，由网管数据接口进行解析。XML 被设计用来传输和存储数据，由于其具有跨平台的数据表述能力，支持多种数据解析工具，多用于实现数据的结构化描述[27-30]。借助已有的类文件提供的接口，Visual Basic 6.0语言可对XML文件进行解析操作，且服务器端编程语言（例如，php、java）均可操纵XML文档，故XML文档可实现传感器标定数据的封装。其协议结构如图4所示，编号标识监测终端，与其唯一标识号相对应，通道元素对应上传数据监测通道，各通道属性值value表示其传感器标定公式。

监测对象数据结构工作于网络平台上，主要依赖于数据库，在数据库中对各监测对象加以定义，由网络监测平台进行解析显示。

2.2 数据传输及解析

监测终端与网管数据接口通过TCP/IP协议栈进行通信，服务器端采用固定ip，监测终端将监测数据发送至服务器端口。服务器端通过Visual Basic 6.0程序comm控件实现与串口通信数据的交互，如图5所示。首先，对网络进行基本配置，包括通道的连接属性及通信波特率等信息。程序运行过程中对网络进行实时监听，当接收到数据时，取出数据流，根据通信数据协议进行解析，识别起止符；当数据完整时，对数据分通道进行解析。然后，读取传感器协议XML配置文件，根据通信数据的唯一识别号查询该终端各通道的传感器标定公式，通过其对应传感器公式将其公式中的自变量用对应的通信数据进行替换，并利用js空间将该公式作为计算式进行计算转换，得到该监测终端各通道的最终数值。其中XML读取及字符串作为计算式计算的部分程序如图6所示。

图4 传感器协议XML封装树状图

图5 异构网络数据解析

图6 调用公式处理数据程序

配置XML文件解析功能通过使用Visual Basic 6.0软件和dmXML.cls类文件进行实现。根据配置文件位置，读取配置文件，借助元素值及属性名称可轻易地读取该元素对应属性值。本设计中将公式赋值给元素值，再读取对应公式进行下一步运算。读取XML文件对应程序，如图6所示，所有具体程序全部封装在类文件中，主程序仅需调取相应函数属性即可运行。获取通信数据，调取对应的公式，使用Replace函数实现通信数据对公式未知数的替代，得到计算数据的字符串，然后利用JavaScript插件编写Eval函数将字符串转换为计算公式，得到计算结果。

2.3 数据通信控制

网管数据接口是监测平台服务器与底层监测硬件终端的桥梁，不仅负担底层硬件向上位机通信传输数据的解析和存储，还承担着服务器端数据向下的传输，以实现监测服务器端对监测终端的控制。出于网络安全考虑，服务器控制数据写入数据库的过程中，服务器须与应用程序进行一定的隔离，故数据库无法直接调用网管数据接口程序，需要网管数据接口循查MySQL数据库。所以控制命令的下发分为两部分：用户通过网页设置控制命令后，监测服务器连接数据库，将控制命令写入，同时写入控制标识，如图7a所示；网管数据接口定时循查数据库，当发现控制命令标识时，读取控制命令内容，将其通过串口通信和TCP/IP协议向下传输至监测终端，如图7b所示。

图7 控制命令下发流程

2.4 数据库架构设计

本设计采用MySQL数据库，网管数据接口端通过Visual Basic 6.0语言利用OBDC数据源与MySQL数据库进行连接。通过SQL语句对数据库进行读写管理。网管数据接口接收到数据并进行数据格式匹配、数据计算之后，会根据匹配结果判定发送数据的智能终端唯一标识号，然后连接数据库将数据写入数据库。同时，网管数据接口循查数据库，发现控制标识时，读取控制命令内容，向下传输。

监测服务器端采用php服务器语言进行编程，php通过程序直接连接MySQL数据库，读取数据库数据，经服务器后台解析处理后输送至浏览器端前端进行显示；同时，浏览器前端输入的控制参数、控制终端协议内容等POST至监测服务器后台，经服务器语言解析写入数 据库。

由于数据库是应用程序和服务器的桥梁，所以服务器存储信息极为重要，不但包含终端底层信息表，而且包含网页用户信息及用户设置表。本设计中，数据库主要表格分为用户表、终端表、采集数据表和控制表4种。用户表主要用于网页登录查看控制，包含用户名、哈希加密后的密码、邮箱等信息；终端表用于监测终端的信息存储对应，如表1所示，主要包含终端设备号、设备名称、通道名称等；采集信息表用来存储经网管数据接口处理的数据，如表2所示，主要包含设备号、时间、各通道数据等；控制表存储浏览器前端控制信息，供网管数据接口循查及向下控制使用，主要包含控制命令内容和控制标识等字段。

表1 终端信息表

表2 采集数据表

3 服务器监测平台

服务器监测平台用来展示数据和输入设置信息，是监测系统和用户连接的通道，包含系统界面和信息的输入输出处理。服务器基于Windows+Apache+MySQL+ PHP环境进行搭建，前端主要由HTML+CSS+Js操纵界面风格，后台负责连接处理输出数据库数据，同时接收处理前端传输的用户数据。界面的整体结构如图8所示，包含区域选择、对象选择、对象信息和监测数据及曲线。此外，网站支持将数据导出excel文件，使用户进行自行编辑，实现数据共享。

监测平台功能分为用户管理、数据展示和数据设置3部分。用户管理主要用于用户登录验证；数据展示采用曲线和图表2种方式展示采集数据，清晰明了；数据设置可以使管理员通过网页设置对采集终端进行监测设置。图9为监测平台部分界面。

图8 监测平台界面结构图

图9 部分监测平台界面图

4 实际应用

2016年5月18日在北京市延庆县农机站针对设计的农机农业信息监测系统进行挖沟机耕深及作业位置田间试验，验证监测系统采集数据的准确性和传输实时性是否满足要求。

在试验之前，将传感器和数据采集处理器安装在兖泰-504型号悬挂开沟机上，如图10所示，角度传感器1需放置在车上，和地面平行，作为零点参考，角度传感器2放置在挖沟机臂同一平面上，检测挖沟机相对于水平面的姿态，即角度。两传感器检测角度的差值，表示挖沟机相对于车体的姿态，通过公式计算即可得到耕深。开沟机开始工作后，传感器检测角度传输给采集器，采集器将角度差值、地理位置通过无线通信模块上传至服务器端口，经网管数据接口处理后存储至数据库，经Web服务器调用进行显示。

图10 挖沟机耕深检测终端安装示意图

同一挖沟机作业时，其机具自身尺寸是不变的，耕深的变化只与两传感器检测到的角度差值相关，其关系为：

式中，为角度差，(°)；为耕深，mm

角度差值作为一个通道数据从监测终端传输到服务器，在网页上不显示角度差值而显示耕深，所以需根据式（1）配置相应通道标定公式，在处理数据时，提取相应公式对变量进行替换即可将角度差值转换为耕深，公式设置为：

式中，为显示耕深，mm；为标定前的角度差，（°）。

将传感器协议设置好后，开始测量。数据采集器以定时采集的模式向远程监测中心上传数据，时间间隔为2～4 s，通过监测系统界面得到耕深曲线（mm）。从曲线可以看出，测试期间多次调整耕深进行试验，4次调整分别为340、130、330和250 mm，网页得到表格数据如图11b所示。此外监测平台支持数据导出至Excel，图11a数据导出如图11c所示，表中包含耕深和位置信息。

图11 试验耕深数据

对于位置测量，为了增大测量数据量，从奔赴试验场地时便将GPS设备进行调试测量，实时对GPS设备进行轨迹动态跟随，得到其整体地理位置信息如图12a所示。其中包含GPS设备全天的轨迹信息，放大到蓝色框内单独显示的部分为挖沟机在15:03至15:43工作时间内的工作轨迹。利用导出Excel文件中得轨迹信息数据进行轨迹拟合得到轨迹如图12b，通过对比图12a可以看出，两者轨迹符合。

图12 GPS轨迹

5 结 论

1）采用面向对象的思想，为众多农业信息采集终端制定统一的数据格式，开发连接上位机与监测终端的中间件——网管数据接口。解决监测系统异构网络数据共享问题；在不改变采集模块数据传送模式的情况下，根据标准化网管数据接口，将串口数据与服务器网页数据库联系起来，将C/S测控模式与B/S测控模式联系起来。

2）结合互联网技术、MySQL数据库技术和服务器技术，设计了农业农机远程监测系统，搭建了基于C/S模式的农业信息远程监测平台，实现了农机远程数据采集和作业状态的实时监测。

3）利用已有的监测终端对基于网管数据接口的监测平台进行挖沟机田间试验。试验结果表明：网管数据接口可实时接收解析终端监测数据并进行数据库存储；监测平台准确清晰反应实时监测数据，试验期间挖沟机多次调整耕深，平台均准确反映，数据导出功能正常，并通过导出数据进行轨迹模拟与平台轨迹进行对比，轨迹精确，满足监测要求。

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Wang Xin, Zhang Yuanyuan, Xu Miao, Xing Bo, Zeng Hao. Development of integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring terminal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 211－218. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027 http://www.tcsae.org

Development of integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring terminal

Wang Xin1, Zhang Yuanyuan1, Xu Miao1, Xing Bo1,2, Zeng Hao1

(1.100083,2.100070,)

Because of lack of agriculture informatization standard in Chinese agricultural wireless monitoring, variability of monitoring terminals and weak compatibility of monitoring system data structure, this research focused on standard design and management of heterogeneous data and developed integrated network platform for heterogeneous agricultural information remote monitoring systems. The establishment of integrated network platform was mainly on account of the following points. Firstly, communication protocol for collected data was carried out to standardize data formats of different monitoring terminals in view of data characteristics of heterogeneous network. Secondly, standardized data management interface was set up based on XML (extensible markup language) and VB (Visual Basic) 6.0. could parse data and store data from different monitoring terminals according to standard format of communication protocol. Thirdly, remote-monitoring platform was designed and built on the basis of PHP (hypertext preprocessor) language, MySQL (microsoft structure quest language) database, as well as server and website technology. Monitoring system consists of 3 parts: information monitoring terminals, data interface and network platform. Information monitoring terminals collect information of sensors and process original data preliminarily. In the meantime, monitoring terminals are supposed to integrate data according to communication protocol and send data to server. Data management interface is the core of concentrated processing of monitoring data and heterogeneous network data interaction. It is the bridge between monitoring terminals and server database and is tied to communication server. Moreover, its main task is to parse data and transform data by formulas from XML file. Network platform is used to display data and import some setting information. It is a connection channel between monitoring system and clients. Field test was conducted in Yanqing County, Beijing on May 18th, 2016. The test utilized trench depth and position during operation of trencher as monitoring targets. The purpose of test is to verify whether the accuracy of collected data and real-time capacity of data transmission can meet the requirement. In the field test, monitoring terminal collected original data from sensors and integrated data according to the standard format of communication protocol after preliminary treatment. Angle difference and longitude and latitude data were taken as channel data and sent to server interface. Angle difference was channel data monitored, whereas data that needed to be displayed was trench depth. As a result, angle difference needed to be transformed to trench depth by their correlation. The correlation was written to XML file in the form of formula. Data management interface parsed data, calculated trench depth through the formula and stored processed channel data to corresponding sheet in MySQL database. Network platform could invoke trench depth, longitude and latitude in the database. Trench depth could be displayed by means of graphs and tables and from graphs and tables it could be exported to Excel. Longitude and latitude were used to track trencher from platform. The test showed that data management interface could receive and parse data from monitoring terminal in real time, platform could display monitoring data accurately and position track was precise. We can conclude that this research solves problems on heterogeneous network and terminal hardware difference of monitoring system and realizes remote real-time monitoring and remote control of agricultural machinery information.

monitoring; internet; information technology; heterogeneous network; data sharing; standardized data management interface; communication protocol

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027

S126

A

1002-6819(2017)-23-0211-08

2017-06-07

2017-09-06

国家自然科学基金资助项目（51405492）；国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项（2017YFD0700603）

王 新，副教授，博士生导师，主要从事农业装备智能测控研究，Email：wangxin117@cau.edu.cn