基于物联网技术的设施温室监控系统设计方案

杨英茹，高欣娜，黄 媛，高 燕，李海杰，郝晓兰，岳赵寒

（石家庄市农林科学研究院，石家庄市农业信息化工程技术研究中心，河北 石家庄 050041）

1 系统方案

系统以构建基于WEB的组态化软件开发平台为目标，围绕“信息感知—采集传输—平台建设—应用服务”等关键环节[1]，研制系列农业环境传感器、采集和传输设备，构建基于WEB的组态化软件应用平台，形成完整的技术体系，建立既能实现信息感知、信息采集传输、分析处理和应用服务等相对独立使用的软硬件技术产品，又能构建在统一环境下集成应用的综合服务应用平台[2]。系统方案如图1所示。

系统设计从农业环境信息感知、信息采集传输、农业物联网平台建设及推广服务等4个方面开展，针对农业物联网底层数据获取需求，研究面向土壤信息、水环境信息、空气环境以及作物生理生态的感知技术，研制系列农业环境信息传感器，通过研究低功耗无线传输、远程传输、标准接口协议等共性关键技术，开发出高性能的采集传输设备[3]；通过GSM/GPRS无线网络、无线电台以及有线网络等完成信息交换；通过信息融合技术、信息采集构件技术、终端系统构建技术以及标准规范建立，构建基于WEB的组态化农业测控平台[4]，针对不同的应用对象，提供个性化的服务。

2 设计思路

（1）针对关键农业环境感知技术产品缺乏自主知识产权的现状，综合运用光学、电化学、电磁学、电子、人工智能、自动控制以及无线通信等技术，围绕土壤环境信息、水环境信息、空气环境信息等进行信息感知等关键技术研究，突破某些农业环境信息感知技术瓶颈，研制出高性价比的农业环境信息感知技术产品[5]。

（2）针对农业物联网中信息采集与传输技术产品相对较少、传输性能不稳定以及智能化程度低等特点，开发了适合不同应用区域和对象的信息采集和传输系列产品[6]。

（3） 面向农业物联网行业发展的共性技术需求，开发基于WEB的组态化软件开发平台，以组件的形式提供传感器、阀门、电机等农业测控设备及测控目标，通过可视化的界面，快速开发农业测控系统平台[7]。

图1 系统方案Fig.1 System scheme

（4）注重试验示范与推广应用，研发和应用并重，适时对产品和技术进行试验示范，进一步完善产品性能和系统功能，加快成熟产品的推广应用，建立完善的推广组织体系；依托基层技术推广部门、农业龙头企业、大型国营农场、现代农业科技园区，建立“研究—示范—完善—再示范”的应用体系和推广网络。

3 系统设计与实现

3.1 农业环境信息感知

农业环境信息感知针对农业物联网底层数据获取需求，基于低功耗、无线化、多点多参数监测的设计理念，研究高频振荡、扩频通信、低功耗低频无线信号唤醒、无线自组网信息获取、狭缝衍射、差分荧光探测、光路共聚焦等技术，研制了土壤信息传感器、环境监测传感器、水环境传感器及作物生理传感器等4类农业信息感知设备[8]。

3.1.1 土壤信息传感器 针对当前土壤墒情监测设备精度低、实用性差、安装困难等问题，提出了低功耗、无线化、多点多参数监测的设计理念，研究了低功耗高频振荡、扩频通信、低功耗低频无线信号唤醒等技术，研制了低功耗土壤水分、土壤温度、多剖面土壤水分、土壤三参数等系列传感器和无线空气温湿度、无线光照以及无线CO2等系列环境传感器，解决了土壤水分监测精度低、适用性差、设备安装维护成本高等问题，提供了农田墒情监测标准化和系列化解决方案，实现了低成本、高性能的自动信息监测[9]。

3.1.2 无线环境监测传感器 有线传感器需要使用电缆进行供电和信号传输，限制了传感器的安装位置，增加了施工难度。针对这一问题，研究了低功耗无线自组网信息获取技术，开发了系列低功耗无线环境监测传感器，包括无线土壤温度、无线土壤水分、无线空气温湿度、无线光照等系列无线传感器[10]。产品采用星型网络、树形网络（增加中继），传感器节点按照设置的时间间隔（1～120 s）向无线数传模块传输数据，无线数传模块通过USB或RS485方式与上位机软件进行通讯[11]。简单、单向的数据传输网络结构可以进一步降低系统功耗，延长网络寿命。星型网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km，适用于塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境。

3.2 可扩展温室智能控制器

基于构建农业物联网平台所需的信息采集传输与控制设备，研究了适应农业恶劣环境的多通道信息采集传输技术，研制了适用于温室环境信息采集的可扩展温室智能控制器等产品，实现了农业物联网信息采集与传输[12]。

可扩展温室智能控制器标配为8路模拟量输入、8路继电器输出，可通过I2C总线或485总线增加模拟量输入模块或继电器输出模块扩，展至48路模拟量输入、48路继电器输出，具有采集、决策、控制、存储、通信等功能，满足普通日光温室和大型联栋温室环境智能调控、大面积农田或绿地自动灌溉的需求。该设备既可以作为主控设备直接连接传感器、机电设备和DTU设备，通过内置的控制逻辑单元，形成独立工作的温室环境调控或自动灌溉控制系统，也可以作为一个执行终端，执行物联网平台的采集、控制指令，在物联网平台的控制模型下工作。系统具有1路RJ45网络接口，2路RS232接口，2路RS485接口，可扩展无线通讯电台、无线网桥、GPRS模块等通讯设备，满足多种数据通讯需求。系统的多路通讯接口可并行工作，满足多层、多级通讯需求，具有扩展能力强、控制精确、运行稳定等优点。

3.3 农业物联网平台构建

针对农业物联网监控系统软件开发周期长、稳定性差、成本高等问题，研究了实时监控数据库的架构和数据抽象模型，建立实时数据采集、存储子系统；研究柔性的监控网络结构，实现监控网络的连接管理、数据传输，建立数据通信子系统[13]；研究基于COM组件的连接点机制的设备驱动程序模型，开发传感器、阀门、电机、风机等农业测控设备，建立农业测控可视化组件库，构建可视化的人机交互界面开发子系统；突破多种类型设备带来的多协议、多信道、多变量等异构通信技术难题，通过开发动态设备加载技术，构建了基于WEB组态化农业物联网测控平台[14]。

基于WEB组态化农业物联网测控平台主要包括两大功能模块，系统组态环境模块和系统运行环境模块，如图2所示。

图2 组态化农业物联网测控平台功能结构Fig.2 Function structure of measurement and control platform based on configurable agricultural internet of things

系统组态环境是物联网平台设计人员为了在系统组态环境的支持下测控应用程序而设计的管理方案。通过建立组态模块的配置数据文件生成相应的组态应用程序。主要包括界面配置、测控设备配置、数据库配置、报警配置等；系统运行环境主要负责解析设计人员在组态过程中生成的配置文件、链接数据库、生成配置文件相对应的组态模块及实时监控数据。系统的运行环境主要用于物联网平台界面的显示、实时数据的监测、历史数据曲线和报表的生成、报警提示和灌溉设备的远程控制。系统的运行环境只提供了监测控制功能，在此环境下平台的组态修改是不允许的，这样很好的将物联网平台监控和运行进行分离，确保了物联网平台在监测和控制过程中的安全性[15]。

基于WEB的组态化农业物联网测控平台按照Web构架进行了详细的层次划分，如图3所示。用户表现层是基于浏览器的一个富客户端互联网应用程序（RIA），为用户呈现一个丰富的、高交互性的可视化界面，以图文一体化的方式显示空间和属性信息，主要包括图形化展示、农业信息控制与实时监测、分析决策等[16]。业务逻辑层负责响应Flex富客户端请求，并根据用户请求做出响应。数据层是系统的底层，负责空间数据和属性数据的存取，维护各种数据之间的关系[17]。

4 结语

系统开发围绕农业物联网建设需求，从农业环境信息感知、信息采集和传输、平台建设等3个关键环节入手，开展农业物联网信息感知技术、传输采集技术和平台建设等方面的研究，突破了关键技术，通过示范应用，为发展高效农业、增加农民收入、建设绿色城市、提供了重要保障。

图3 系统整体结构图Fig.3 Structure of the system