基于物联网的水稻种植全过程智能监控终端设计

李荣德 郑忠毅 李全文

【摘 要】水稻是广西主要的粮食作物之一，目前广西水稻种植仍以家庭为单位的个体种植为主，存在种植规模小，种植全过程信息化、精细化程度低的问题。文章融合应用定位技术、通信技术、传感技术等物联网关键技术，设计一套水稻种植全过程智能监控终端，为水稻种植智能化、精细化管理和降低水稻种植生产成本、提高经济效益提供技术手段支撑。

【关键词】物联网;水稻种植;智能监控

【中图分类号】TP274.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）05-0024-03

0 引言

水稻是广西主要的粮食作物之一，种植分布在广西的各个区域，一年分为两季种植。目前，广西水稻种植仍以传统的生产方式为主，农村家庭联产承包责任制的独家独户种植、个体种植、小规模经营种植仍是水稻种植的主要生产方式，受到水稻种植信息化程度不高，种植方式粗糙，种植过程智能化和精细化程度低等因素的影响，广西水稻种植平均产量相对较低，与新型、优质型的杂交水稻种子种植产量预期不相符，整体水稻种植生产经济效益低。

随着广西城镇化进程的不断加快，大量人口向城镇转移，农村劳动力不断减少，使水稻种植面临着严峻的挑战，水稻信息化、集约化种植显得尤为迫切，而物联网等新一代信息技术的兴起和在农业精细化管理的成功应用推广，可为水稻种植的信息化提供技术及经验借鉴。本文针对水稻种植智能化、精细化管理需求，融合应用北斗定位技术、GPRS通信技术、采集传感技术等物联网关键技术，研究设计一套水稻种植全过程智能监控终端，以解决水稻种植中信息数据采集、通信传输、远程监控、智能调控等技术难题，并为基于大数据的水稻农业种植管理平台建设提供技术支撑和参考，从而实现水稻的“催芽播种-植秧-分蘖-抽穗扬花-灌浆-黄熟收晒”等全过程环节智能化、精细化管理，提高水稻种植效益。

1 水稻种植全过程智能监控终端设计方案

1.1 硬件架构设计

现代智慧农业对低功耗、高传播速度、高稳定性和高精确性有着较高的要求。水稻种植全过程智能监控终端在硬件设计上，主要以基于ARM采用低功耗卫星定位硬件创新集成的方式构建具有可连通性、冗余复式的由采集传感网络、GPRS通信网络等组成的无线采集传感数据通信传输网络体系，通过实时对水稻种植的“催芽播种-植秧-分蘖-抽穗扬花-灌浆-黄熟收晒”等全过程环节进行监控，采集水稻种植环节环境及行为反应信息数据，并自动存储为水稻种植知识数据库，为水稻种植智能决策分析，形成科学的种植方案提供信息数据来源，从而实现水稻种植全过程的智能化、精细化管理。终端硬件架构如图1所示。

如图1所示，终端硬件系统主要由核心处理单元、通信部分、定位模块、时钟模块、外围接口电路处理模块、显示及扩展通信接口6个部分组成。①核心处理单元包括ARM处理器、数据存储器、数据传输信号接口等。采用高速ARM工业级芯片LPC2148，配备工业级FLASH存储芯片SST25VF016B，协调整个控制终端的各个模块。②通信部分主要由RS232接口和无线通信模块组成，其中无线通信模块用于监控终端与远程服务器端之间的通信。③定位模块采用GPS/北斗双定位模块，北斗星通BDM100双系统高性能GNSS模块能够同时支持北斗2北斗1、GPSL1两个频点，其主要是对接入传感采集及控制设备进行实时定位。此模块外接有源天线，以确保获取更高的精度和定位速度。④时钟模块主要是终端主控板内置显示时钟，可进行终端时间设置和定时控制。⑤外围接口电路处理模块提供接口为传感采集及控制设备接入，并能读取处理采集信息数据和输出控制电压、模拟控制电量。采用EasyARM1138为控制芯片，通过RS485、RS232接口接入传感设备，接收传感设备采集的信息参数数据，传感器I2C读取模块可以平衡数据传输电平，加速数据传输速度。⑥显示及扩展通信接口可输出显示终端设置、时钟、功能设置等状态，并可外接其他设备。

1.2 软件架构设计

终端嵌入式系统主要是基于Linnux平台环境开发，系统可支持多任务，并提供丰富的数据库函数，使得系统应用功能具有很大的发展空间和伸缩性。终端嵌入式系统的应用程序主要负责对采集到的水稻种植传感数据进行处理和数据通信等事务，通过对接入的传感采集、控制、北斗等硬件设备资源进行直接或间接的访问，并通过交互编译、重新编译内核的方式实现对整个监控终端的统一管理。终端嵌入式系统架构如图2所示。

如图2所示，终端软件系统的应用程序主要采用C语言开发，实现的功能包括信令的接收、处理与发送，北斗/GPS数据处理及电源控制，报警，无线通信模块的通信，I/O口信号采集与控制等，终端主程序主要用来实现开机自检、协调整个系统工作、在不同时间调用不同程序实现记录仪的各种功能。同时，通过设置特殊的看门狗进程，监视各个进程的工作状态，并处理和恢复出故障的进程，从而保证智能监控终端系统的稳定运行。终端软件主要的应用程序及任务包括以下几个方面：①RS232串行通信进程，负责与电脑终端进行数据交互。②UART-BDM001通信进程，负责与北斗星双模定位芯片BDM001进行数据通信。③UART-GSM通信进程，负责与GSM/GPRS模块进行通信、控制。④键盘扫描进程，负责监听用户按键输入。⑤UART-I2C通信进程，负责与IC卡读卡器进行数据交互。⑥LCD显示进程，负责显示数据给用户。⑦时钟进程，负责与时钟模块进行通信、参数设定。⑧业务逻辑进程，负责整个业务逻辑功能，协调各个进程间的工作，实现监控终端的核心进程。⑨看门狗进程，负责监视各個进程的运行状态，处理并恢复异常进程。

1.3 功能模块设计

1.3.1 精细数据采集

根据监控终端对水稻种植全过程环节传感采集相关参数设置，实时采集位置信息及影响水稻种植的环境温湿度、土壤pH值、病虫害、风速风力等信息，为及时制订种植方案提供数据支撑。

1.3.2 实时监控预警

根据采集到的位置信息、传感信息及数据处理结果，对有可能影响水稻发芽、生长、分蘖、抽穗扬花、灌浆、黄熟的信息状态进行预测和警报。信息状态包括温湿度、土壤pH值、土壤成分、光照度、风速、有害气体、病虫害等环境因素及异常状况。

1.3.3 智能远程调控

依托GPRS通信网络技术，提供远程智能调控功能。通过远程服务器端，可根据采集数据与水稻种植专家库进行比对、参考，形成水稻制种调控指令下发，包括浸育种时的温度、补排水控制及植秧、分蘗、抽穗扬花、灌浆、黄熟等时期的水肥药调控等。

1.3.4 即时定位

终端支持北斗定位，定位信息包括经纬度、高程、方向和北斗速度。支持远程服务器端发送即时定位指令，终端可向服务器端返回一条当前的位置状态信息，位置状态信息包含时间、经纬度、高程、速度、方向、终端状态等。

1.3.5 自检及报警

终端具备自检功能，当终端启动时，先自检，如果出现故障，则在LCD上显示故障状态，并及时发出警报。此外，根据参数设置，当出现传感采集参数超标时，终端自动发出警报。

2 嵌入式数据管理

终端在监控过程中往往会产生大量的定位数据、传感采集数据及控制指令数据，如何对这些数据进行有效存储和管理是实现水稻种植全过程智能监控终端功能应用的重要支撑。本文基于SQLite数据管理系统的关联式特性，采用组件化的方式划分终端软件系统功能模块，并与定位数据、传感采集数据及控制指令数据等关联，构建嵌入式数据管理体系。嵌入式数据管理结构如图3所示。

如图3所示，系统组件由对象类和接口组成，通过开发一种开放式的API接口，可实现卫星定位模块、GPRS模块、时钟模块、传感器采集模块和控制模块的接入，使得外部应用程序及功能的接入只需开发新的组件即可直接通过特定的编程接口实现与嵌入式系统的链接，从而满足水稻种植全过程监控的感知信息采集与智能控制应用的交互。终端内核SQL命令处理器通过串口通信接口获取定位、采集和控制指令后，利用编码器对信息数据进行解析和存储处理，供远程服务器端数据应用程序进行调用。

3 智能人机交互

终端智能人机交互需要软、硬件相互协调来实现，可通过虚拟机或状态机互相调配来实现显示程序的调用，终端显示程序将数据和控制指令载入显示缓存，再由设定好的显示驱动程序将显示缓存中的内容及指令显示到LED屏幕上。智能人机交互结构如图4所示。

如图4所示，终端智能人机交互模块包括界面交互、消息框和键盘按钮三大部分，界面交互为终端参数设置和监控提供界面交互功能，要求当进行键盘按钮时，界面交互必须实时响应;消息框提供任务、状态、时钟、位置信息和提示信息显示;键盘按钮为人机交互智能管理提供参数设置、任务管理等键入操作，方便对终端进行操控;状态监控可用于对开机进行自检，尤其是对CPU与外围器件，如存储器RAM、实时时钟模块、显示模块等模块的通信状态检查及实现对这些器件的初始化，如果各外围器件状态良好、初始化通过，则终端开始工作循环，实现既定功能，同时绿色的工作指示灯闪亮指示;如果终端开机自检没有通过，则实现红色报警指示灯闪烁和报警蜂鸣器的轰鸣报警提示。

4 结语

本文围绕水稻种植全过程智能化、精细化管理需求，融合应用北斗定位技术、GPRS通信技术、采集传感技术等物联网关键技术，设计了一套基于物联网的水稻种植全过程智能监控终端，为水稻种植信息化及提高生产效率提供了可靠的技术支撑，同时也为建设基于大数据的水稻种植信息平台和物联网技术在农业发展中推广应用提供借鉴。

参 考 文 献

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