基于物联网技术的设施农业服务平台设计

安徽省宿州市气象局 卢 俞 王 颖

安徽省宿州市埇桥区是全国重要“国家绿色农业示范区”，目前建立无公害蔬菜标准化生产基地30万亩，在西二铺乡沟西村一个地方拥有无公害蔬菜大棚3000多亩[1]。

物联网技术[2]也称为传感网技术，它综合了传感器技术、现代网络及无线通信技术等，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，以实现科学管理。蔬菜大棚种植，作为设施农业的重要组成，物联网技术在现代设施农业建设中有着广泛的应用[3]。

作为埇桥区设施大棚种植的典型，沟西村的种植管理方法是粗放型的，大棚内环境因子通过直接人工读取的办法获得，各环境因子数据缺少或者积累不够，难以形成有效的科学种植和管理。现代通信与信息技术，特别是数据无线传输技术的发展，为解决目前的现状，提供现实可能性。

1.设施农业信息服务设计思路

利用物联网技术，对蔬菜大棚实施科学种植和管理，一种实践方法是在大棚内建立设施农业小气候自动仪，实时获取棚内的温度、湿度、辐射等作物生长的环境因子，通过GPRS通信无线传输到中心机房相关数据服务器上；依据数据服务器建立网站实现对实时资料管理与监控，并对数据进行科学处理分析，归纳一种较适宜的管理指导建议，通过手机短信发送给种植管理者；同时，在大棚外设置LED电子屏，将温度、湿度、太阳辐射等数据实时直观显现，为菜农从事农业生产提供参考。

以西二铺乡沟西村为例，蔬菜大棚采用水泥构架，相间大约10米，沿路或呈直线排列。根据无线电管理法规，允许无线发射的通信距离为20米左右[4]。我们设计以5个大棚为一组，以中间大棚的小气候自动仪为中心节点，无线接收其它4个分节点的数据，将数据汇聚一组进行传输，其电路框图如图1。

2.服务平台远端的设计实现

远端电路设计主要完成温度、湿度、太阳辐射等环境因子的数据采集，数据的发射与接收，移动GPRS通信的传输。供电系统由一块12V/7AH充电电池、一块10W太阳能电池板及太阳能充电控制器和一块10W的蓄电池组成。

2.1 数据传感器

数据传感器采用集成化的设备。小气候自动仪由AV-10TH型空气温湿度传感器、AV-20P型太阳总辐射传感器，AV-410BP型气压传感器，AV-10T型暴晒温度传感器各一套组成，参数如表1所示。

2.2 数据处理（单片机）模块

数据处理模块主要完成传感器采集数据的接收、转换和传输功能。以温度数据处理为例，由ADC0809模数转换器[5]和MCS-51单片机系列芯片[6]组成。

分节点电路由ADC0809和MCS-51系列8051单片机构成。ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，是一种单片CMOS器件，可直接分时进行A/D转换。在MCS-51单片机系列芯片中，8051是片内有ROM/EPROM的单片机，用这种芯片构成的系统简单、可靠。

中心节点电路采用主从双CPU结构，选用MCS-51单片机系列芯片中的AT89S52(分别用主CPU和从CPU表示)。主CPU主要用来完成与GPRS通信模块和LED电子屏的数据的通讯功能；从CPU主要用来对温度传感器的数据进行转换和接收其它分节点传输的数据，并与主CPU进行数据传递。

2.3 发射电路和接收电路

发射电路和接收电路功能实现主要是通过TX5000和RX5000芯片[7]完成。TX5000发射器和RX5000接收器芯片的工作频率均为433.92MHz，工作电压为2.2～3.7V，工作温度范围为-50～+100℃，数据传输率高达115.2kbp。

数据传输的通信协议如图2，数据列由字符数字组成，与LED电子屏内容一致，分四行显示，DATA为接收信息标题，①②③④为指定的行控制码，“*”号为接收到的信息数值；第一行显示小气候自动仪位置，其它三行显示该自动仪大棚的环境因子数值，五个大棚的数据轮流显示。

接收程序：程序流程如图3（左）。以启动开始的主程序，在寄存器、定时器初始化后，进入接收循环。主程序的接收处理过程：如果检测到字符“DATA”，就禁止中断，停止接收处理中的发射；在接收期间，检测到“A、B、C、D、E”等字符，如果与预先约定的不符合，接收处理就此点中止。

表1 数据传感器采用集成化的设备

图1 分节点和中心节点电路框图

图2 数据传输的通信协议

图3 接收（左）和发射（右）电路的实现流程框图

发射程序：程序流程如图3（右）。利用定时器的中断，每隔30s发射一次数据。期间，每一组数据连接发射10次；发射时，接收电路置OFF。此后，RAM内存数据以数据串的形式发射，发射结束后，RAM内的数据清空，以指定字符（这里为X）替代，如果在接收时，数据串中包含有X，则判断为无效数据，最后接收电路置ON。

2.4 LED显示模块

LED显示模块完成蔬菜大棚内各环境因子数值的实时直观显示，主要由LED显示屏和显示控制卡组成。

LED电子屏选取UCDOS中文宋体字库，显示点阵中的汉字(温度、湿度、辐射等字符)单元为16×16点，字母与数字采用16×8点(两个字母、符号或数字视为一个汉字)为一单元。电子屏字阵数据条屏为64×128点，单色、宋体字、文字大小为16×16点，需要32块16×16的显示单元，按4×8块方式拼接组成；显示控制卡的主要功能是显示中心节点的数据，并负责单元显示的同步。

本模块采用北京雨根科技有限责任公司的通信模块，设置好参数即可运行，通信终端(DTU)有4个状态指示灯[8]：

DATA指示灯：DTU串口向外发送数据时，此灯有规律闪烁

WAN指示灯：灯亮表示GPRS/CDMA网络连接成功

POWER指示灯：电源正常时，灯亮

图4 服务器端定时下载界面

图5 服务器端实时数据显示页面

SIGANL指示灯：供电正常灯亮，当GPRS/CDMA网络正常，SIM/UIM卡正确插入时，此灯有规律闪烁。

3.服务器端的设计实现

服务器端的主要功能是接收由中国移动GPRS网络传输的数据包，经过处理、写入Microsoft SQL 2000数据库进行存储和管理。

图4为服务器端定时下载界面，接收数据的组网方式采用固定IP通信模式，各组中心节点直接与服务器建立链接，数据以TEXT文件形式定时下载，其实现界面如图5。

Web网络服务器运行模式为Windows Server 2003+IIS6.0，开发语言为JS和ASP网页脚本语言，采用B/S(Browser/Server)的Web网页数据发布模式，将已下载的TEXT文件形式的数据分解处理，写入SQL2000数据库中。

通过对SQL数据库的各蔬菜大棚不同作物的温度、湿度、辐射等环境因子数值进行处理，做出趋势分析，根据种植作物的需求提供各种短信预警信息。比如当温湿度超过设定值的时候，自动发送给设定的用户群。短信群发采用移动商务中心短信平台(简称：WINIC)，其发送信息的ASP源码[9]为：

4.结束语

通过本设施农业服务平台，加强了对蔬菜大棚的精细化种植与管理；各节点间数据的无线传输自制电路的实现，降低了种植管理的成本，也避免因为有线线路铺设对菜农造成种植方面的影响。

目前，利用物联网技术理念，通过GPRS实现传输功能的设施农业服务平台还处于刚刚起步的阶段。通过原始数据不断积累存储，进行数据的统计和预测，或者将现有数据和历史数据进行对比，以便制作形成对广大菜农有益的管理建议，这是建立平台的基本出发点；同时这个平台极大地促进现代设施农业科学化管理的进程，在现实农业生产实践中，有着重大的指导意义。

[1]安徽先锋网.沟西村先锋在线信息点、气象与农网信息点[OL].http://oa.ahxf.gov.cn/village/?WebName=lyqxepg.

[2]工业和信息化部.物联网“十二五”发展规划.中华人民共和国工业和信息化部,2011-11-28.

[3]齐莉.蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究[J].安徽农业科学,2011(30).

[4]农村实用电子制作荟萃[N].2010年电子报合订本(下册),2010,820-822.

[5]陈晓风.ADC0809模数转换器的使用详解与程序[J].福建师范大学学报(自然科学版),2001(04).

[6]鲍宏亚,李月华.MCS-51系列单片机应用系统设计及实用技术[M].中国宇航出版社,第1版(2005-9-1).

[7]霍迎辉,张学习.基于RX5000/TX5000的无线收发电路[J].国外电子元器件,2004(02).

[8]GPRS无线传输模块使用说明.北京雨根科技有限责任公司.

[9]汪晓平,吴勇强,张宏林等.ASP网络开发技术[M].人民邮电出版社.