基于物联网云技术的农业基地综合管理系统

曾 瑜，张仁贡，刘进宝，厉 莎

(1.浙江同济科技职业学院 水利工程系，杭州 311231；2.浙江禹贡信息科技有限公司，杭州 310052)

当前，随着科技的进步，尤其是4G及5G通信技术、云数据库及云服务技术、物联网技术、移动互联网APP技术、GIS技术等的进步[1,2]，为解决农村小型农业基地自动化智慧化的问题，包括：①采用人工农药喷洒和人工水管灌溉等，容易损伤作物且成本较高。②安全问题。尤其是比较名贵的作物或药物，安全管理存在问题，偷盗问题时有发生，传统的视频监控效果难以达到。③集成化程度较差。往往安装了多套功能单一的系统，如节水系统、语音系统、视频流系统、喷洒系统等[3]，操作非常不方便。④缺少互联网移动APP平台。一些大型大型农业基地或大型灌区的管理平台不是很适用[4]，无用的功能多且价格昂贵。为此，急需研究开发一款经济型、操作方便型、傻瓜型的现代化综合管理云系统，以解决上述问题。

为此，笔者科研团队通过五年多的科学实验和研究，结合4G及5G通信技术、云数据库及云服务技术、物联网技术、移动互联网APP技术、GIS技术等现代化技术[5]，发明了该系统。该系统获得国家软件著作权(2017SR228298)和水利部先进技术科技推广证书(TZ2016067)。

1 框架设计

总体框架如图1所示。从图1可知如下内容：首先，4G通信是核心链路技术[6]，通过该技术，将视频流数据与PLC控制器[7]和自主研发的双核多功能物联网装置进行通信。其次，各种状态量、开关量、模拟量、脉冲量等通过PLC与双核多功能物联网装置进行通信，这里涉及双核多功能物联网装置的发明专利，该装置实现了多种信号的集中采集和处理，具体参见核心技术的研发[8]。再次，云技术服务中心的研发，该中心结合了云技术和云数据库服务，可以租赁阿里巴巴云空间，实现数据库研发的云空间化，实现无需服务器实现多个农业基地的共享数据库的应用。最后，云服务中心可以通过移动互联网[9]，与APP、电脑终端监管系统等链接通信。

图1 综合管理云系统总体构架Fig.1 General framework of integrated cloud management system for intelligent small agricultural base

2 双核多功能物联网采集装置

经过自主研发发明的该双核多功能物联网采集装置，目的是解决多个系统数据采集的接口统一问题。该装置可以接收视频流、语音流、状态流、脉冲流、模拟流等数据信号，采用了4G通信网络的支持，带有双核多功能应用输入输出模块[10]，其结构如图2所示。

该装置以RTU+CPU为核心单元，属于双核装置，使用多种传感器采集各类参数，利用GPRS网络传送数据，支持太阳能极板供电。工作方式是采用随机和定时相结合的2种自报工作方式，这种方式功耗低，便于供电[11]，结构简单，可靠性高，实时性强，能很好地反映数据等变化的全过程[12]。随机自报方式的时间间隔大于0.5 s时，表明被测量装置有增减变化，会自动向数据信息中心传输一次数据。而定时自报方式，顾名思义是不管被测参数是否变化，都将每隔1 s向数据信息中心传输一次数据。

该设备支持与调度中心管理主机和手机双向信息交互功能，工作人员可通过手机APP实现对设备终端的参数设置、工作状态查询等操作。

该装置的主要功能包括：①“省电”模式，实现较低的功耗。GPRS终端模块可以设定上报时间，当需要上报是主动打开采集模块电源，信息发送完毕切断采集模块电源；②系统能够响应云服务中心发送的数据，并将其存储于本地服务器中[13]；③可以实现多种参数的测量，包括视频流、语音流以及脉冲量；④可设置GPS时钟，包括时钟点号、定时值、间隔秒数、系统时钟记录等；⑤可以定时定间隔报送数据；⑥可以设置数据报送的周期；⑦可以采用可再生能源和新能源，如太阳能、风能等，包括配合蓄电池进行供电[14]；⑧可以记录数据采集器采集的数据系统时间，可以精确到秒级[15]；⑨具有光电隔离功能，抗外部干扰能力强[16]。

3 电磁阀控制微系统

该系统可以采用现地手动人工控制、半自动的现地控制和全自动的远程控制控制三层控制系统[17]，现地手动人工控制优先级最高，其次为半自动的现地控制优先级，全自动的远程控制控制的优先级别为最低，且具有互锁功能[18]。系统结构图如图3所示。

4 云服务GIS设计

基于XML 进行信息交互的GIS 信息是属性数据和空间数据的结合，其中比较突出的问题是数据量比较大、位置分散[19]，通过国际统一格式标准实现数据库云服务中心与终端APP的互交通信，通信采用了XMLDOM对象，该对象采用XML数据传输格式，由XMLDOM语句处理XML 标准数据，其中DOM动态链接库模块，在接收到APP端响应时，会启动ASP 文件的URL链接，通过创建XMLDOM对象，调用XMLDOM对象的load 方法，由云服务器的WEB端的ASP 文件调用XMLDOM对象的有关属性和方法，主要代码为：

图2 双核多功能物联网采集装置结构图Fig.2 Dual core multi-function network collection device structure diagram

图3 电磁阀控制微系统结构图Fig.3 Microsystem Structure of Electromagnetic Valve Control

ZenYustrURL =“query.asp ? ID = 1001”∥ ZenYustrURL为构造URL ，1001 为渠道ID 号

Set ZenYudocSubmit = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)∥ 创建XMLDOM对象

ZenYudocSubmit.load(strURL)∥ 装载XML 数据

Set ZenYudocReceive = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)

ZenYudocReceive.async = False

ZenYudocReceive.load(“result.xml”)∥ 调用服务器端生成的XML

5 交互集成技术

由于系统涉及APP的一张图现实，或多个基地点的一张图访问机制。本系统采用MapInfo 与VB的互交技术，该技术的服务端通过OLE链接库文件开放式实现MapInfo的处理数据与云服务中心的链接，例如可以用VB 编程工具，采用OLE 嵌入并生成MapInfo 对象，由MapInfo.CallBack属性实现数据访问和调用，Class Module中的MapCallBack 包含GetSelectPoint 和GetLength两个过程函数，可以通过这两个过程，实现数据回调，主要代码如下：

Public ZenYUmapApp as Object ∥ 定义名为mapApp 的MapInfo 对象

Public ZenYUcallback as Object ∥ 定义名为callback 的回调对象

ZenYUMapApp.do“Set ZenYUApplication Windows” &MainForm.Hwnd /设置apInfo句柄

Set ZenYUcallback = New MapCallBack

ZenYUMapApp.SetCallBack callback ∥ 获取回调函数

ZenYUMapApp.do “Create Buttonpad” “ICallBack” “as Toolbutton ID 2002 DrawMode 34 Cursor 0 Calling OLE”“

GetSelectPoint“”∥ 获取点击处的位置

ZenYUmapApp.do“Create Buttonpad”“WcallBack”“as Toolbutton ID 2018 DrawMode 36 Cursor 138 Calling OLE”

6 实例分析

该应用案例基地位于嘉兴海宁市钱塘江江畔，实施面积1.333 hm2，要求采用上述互联网云服务的设计体系。①该农业基地包括水池基础(20 m3及以上)、水泵和增压泵，电磁阀、管道、视频基座、控制房等；②现地控制单元LCU包括温度、湿度、水位等模拟量物联网采集装置、电磁阀开关量、RS-485通讯串行接口设备、西门子PLC单元控制系统、光端机、组态软件、触摸屏系统等；③视频流监视系统包括球形摄像机、无线通信、360旋转云台、APP终端系统等；④云数据库系统包括SPACE云空间、云DABE数据库、MIS系统、安全配置等[20]；⑤移动APP平台包括各类功能的实现等。

6.1 云服务器数据访问措施

首先通过APP的设置，实现现地与APP的访问，由现地触摸屏，实现云端服务器的注册。同时通过ZenYUstrings字符串实现安全配置，包括用户名和密码。然后进行数据的初始化，同时配置云端服务器与现地存储单元的备份机制，保持同步更新，有利于基地的数据的长期保存。

6.2 WebGis对接ArcGIS

在本项目经费有限，通过一段时间的努力，采用该系统节约了成本，又一次完成要达到的功能。尤其是在APP开发上，在基本功能满足的条件下，通过InfoGAP的诸多现存的属性、函数和方法，实现功能的APP设置，实现APP显示的丰富内容，便于用户操作。图片存储和导出尽量采用通用的手机访问格式，不但苹果手机还是安卓手机都能够接受，如png或jpeg等格式。开发接口Arcgis Server，实现一张图的高级格式化输出，有利于访问的实时性，同时采用公用平台的云服务，节约了服务器的成本，节约了投资，符合解决农村农业基地经费不足的问题。

6.3 数据库对接和整合相关信息

系统软件链接和安装完成后，完成数据库的配置，这需要采用MISDABES的数据管理功能，可以采用SQl2008语句，实现基于WEB的SQL设置和开发，可以采用SETSQL、UPDATESQL、ADDSQL等语法，实现云数据库与WEB APP终端软件的无缝对接[21]，具体云数据库服务设计框架如图4所示。

图4 嘉兴海宁市钱塘江农业基地节水灌溉云系统框架Fig.4 Framework of water-saving irrigation cloud system for Qiantang River agricultural base in Haining,Jiaxing

从图4可知，云技术服务中采用无线云网，实现了与移动用户的链接，采用Dispose模式，在云服务中，设计了安全体系。基于移动APP互联系统与现地控制单元西门子PLC-200型智能控制器LCU的动态链接，采用DOM的协助管理触摸屏程序。本系统需要接入智慧钱塘江综合管理系统，故通过大数据库系统，通过云链路接口，实现接口的接入。图5为案例界面。

7 结 语

目前，本系统已应用到全国200多个小型农村农业基地，系统稳定可靠，成本低廉，操作简单，有效解决了小型农村农业基地的诸多问题。我们的下一步研究将把重心放在开辟协助农业基地产品发布的商业云链接等，通过大数据分析上，针对不同的植物使灌溉更加精准，愿通过本系统的研究和开发，能为全国农业基地的节水灌溉系统设计提供借鉴。