数据采集传输控制系统在农业物联网中的应用

姚佳+李涛

摘 要：在智慧农业中，感知层前端传感器采集的大量监测数据需要进行收集、传输并联动控制后端设备。传统的数据采集方式对硬件运维环境和数据传输条件要求高、硬件成本高，无法满足物联网项目的多样化场景。在这种背景下，ARM芯片微控制器被应用到数据采集传输控制系统中，以降低投资成本、提供高效的数据处理能力，并可应用到农业物联网的多种生产场景中。文中阐述了应用于农业物联网ARM数据采集系统的原理、特点及实际应用。

关键词：ARM；农业物联网；数据采集传输控制系统；传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-00-02

0 引 言

目前，在全球人口持续增长、耕地不断减少、自然资源匮乏的情况下，农业的高效增产、绿色环保、有机天然备受关注。研发农业物联网智能化操作终端、建立农业信息化数据库来精准耕作、指导生产是未来农业的发展趋势。农业物联网是农业应用平台、生产物联动控制系统和数据采集系统三大系统利用感知硬件设备、网络平台技术、云计算方法，来实现农业信息数字化、农业生产自动化、农业管理智能化，从而构建低碳节能、高效高产、绿色生态的现代农业体系。农业物联网关键技术和产品的发展需要经过“培育、成长和成熟”的过程，预计成熟应用将在2020年前后。我国仍然以传统农业生产方式为主，农业机械化水平是日本的1/90，法国的1/11，美国的1/5，这种状况不仅与发达国家难以比拟，而且低于世界平均水平。农业物联网感知层设备、智能控制应用标准不统一、造价过高、缺少规模化，农业物联网应用技术和系统集成度低、整体效能差。

据统计数据分析，通过对温度、降雨量及湿度、风、光照等种植环境因素进行监控，可有效避免85%以上病虫害的发生。我国传感器规模约1 500万只/年，并保持每年10%的增长率。由于这些传感器来自不同的厂家，因此接口、数据格式不统一。同时，所产生的大量数据需要传输，而农业环境供电、布线困难，导致所采集的数据各自为营，很难将其集中统一提供给上层应用平台。另外，对农业设施、器械的控制使用也耗费了大量人力、物力。

数据采集传输控制系统可以适配主流传感器厂商的主流产品，统一前端传感器采集数据的数据格式，内置SIM卡模块及程序控制模块，既可以使用有线传输也可以通过M2M物联网卡传输，并且经过上层应用平台的数据分析后，可以自动或手动地对农用设备进行联动控制。

1 数据采集控制系统的原理

目前，业内对前端传感器的数据采集支持485总线接入，该数据采集控制系统可以接入各种端口的传感器设备，并统一数据格式，传输给上层平台。

数据采集传输控制系统采用模块化设计，主要由电源、DC/DC，ARM，ADC，PGA，GPRS网络接口以及MCU等组成。ARM芯片上集成了众多外设，具有八通道10位ADC，可并行接入8个传感器设备信号，可扩展性强，传输方式灵活，既可采用有线网络也可采用无线网络，适应各种不同场景的需求。通过信号转换、数据处理，统一输出数据格式。数据采集传输控制系统架构如图1所示。

ARM芯片采用RISC结构，具有如下优点：

（1）所有指令可以根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；

（2）通过加载/存储指令来批量传输数据，提高了数据的传输效率；

（3）可同时完成一条处理指令的逻辑处理和移位处理；

（4）循环处理时，通过地址自动增减来提高运行效率。

数据采集传输控制系统嵌入无线通信模块，通过物联网卡进行GPRS PPP拨号上网，获得一个由联通随机分配的内部IP地址，ULG主动发起与数据中心的通信连接，并保持。因IP地址不固定，只能由ULG主动连接数据中心，数据中心的公网IP地址或固定的域名作为参数存储在ULG内，以便ULG上电拨号成功后主动连接到数据中心。

对于ULG来说，只要建立了与数据中心的双向通信，完成用户串口数据与GPRS网络数据包的转换就相对简单了。一旦接收到用户的串口数据，ULG就立即把串口数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心；反之，当ULG收到数据中心发来的TCP/UDP包时，从中取出数据内容，立即通过串口发送给用户设备。

2 数据采集控制系统的特点和应用

本文所提架构使采集控制传输成为一体化设备，ARM芯片上可集成各种模块，简化电路板设计，使得系统更加稳定，节省硬件投资成本；具有多通道ADC，可并行接入多个传感器设备信号，可扩展性强；传输方式灵活，即可采用有线网络也可采用无线网络，适应各种不同场景的需求；通过信号转换、数据处理，可采集不同品牌、接口类型的传感器数据，统一输出数据格式；体积小，方便放置，减少传感器布线和维护成本。

基于ARM的数据采集传输控制系统在农业物联网中的应用如图2所示。在智慧农业大田自动灌溉系统中，将采集到的前端传感器检测的土壤温湿度、农业“四情”等数据统一上传到数据管理平台，对数据进行分析后，通过数据采即传输控制系统对后端设备进行联动控制，包括自动灌溉系统、水肥一体化等。与传统的灌溉方式和施肥技术相比，能节水、节肥85%以上。

自动化农业温室大棚如图3所示。首先，数据采集传输控制系统采集前端传感器的实时作物生长环境数据信息和实时视频信息；然后，将数据统一格式后上传到数据平台进行分析；最后，联动控制后端的风机、遮阳幕、补光灯的自动开启关闭，从而为农作物的生长提供适宜的环境，节省人力、提高产量、提高农产品附加值。

智慧畜牧养殖系统如图4所示。数据采集传输控制系统采集传感器检测到的棚舍内的温湿度，光照度，O2，CO2，NH3等气体浓度，待环境数据达到规则数据后联动控制风机、遮阳幕等，为动物提供更好的生活环境，并可自动添水添料。通过定位技术实现对动物的精准定位，防止丢失。同时，使用电子耳标采集从出生到屠宰加工的数据，从而达到溯源的目的。

智慧水产养殖系统如图5所示。数据采集传输控制系统采集圈内的实时视频信息、水质温度、水质溶解氧、水质pH值、水质氨氮含量、液位等参数，联动控制后端自动增氧、自动投食等设备，对水产养殖环境等进行监测管理，对疾病进行有效预防，达到省时省力、增产增收的目的。

3 结 语

基于ARM的数据采集传输控制系统可以应用于不同的农业生产场景，有效解决了农业应用中的数据传输和设备安装问题，并且接口多样、扩展灵活，硬件成本低，数据格式统一、应用灵活，大大加快了物联网数据采集技术的发展，势必将在未来智慧农业项目的建设中发挥巨大作用。

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