物联网技术在远程霜冻预防控制系统中的应用

王昕雨，卫建国，雷冰冰，锁兴亚，畅绍宇

(1.北方民族大学 计算机科学与工程学院，宁夏 银川 750021；2.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏云控农业物联网科技有限公司，宁夏 银川 750200)

0 引 言

近年来，物联网通过实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[1]，发展迅速且已被广泛应用于生产生活的多个领域，农业物联网[2]也成为了世界各国尤为关注的热点问题。当前，中国农业正处于传统农业向现代农业转型期，农业物联网为现代农业的发展提供了前所未有的机遇[3]。而随着全球气候环境的多变、异常，农业气象灾害的日益严重成为农业生产发展的巨大阻碍，其中，霜冻灾害是一种较为常见的农业气象灾害，严重的霜冻灾害造成果树等作物的大面积减产，使农业收成遭受重创[4]。

一些发达国家在防霜方面很早实现了机械化、自动化。日本早在1928年就开始用电机带动较大的风扇进行茶园防霜研究，到20世纪50年代用机械对茶园、果园防霜的技术已较成熟，到80年代末期，日本有霜害威胁的果园90%以上开始使用机械防霜[5]。在国内，物联网技术已推向全国市场且取得了较好的成绩[6]，但由于现代化农业起步较晚，存在着自动化、智能化不足，信息化建设缺乏的缺点，在极端环境应急措施上，还采用一些比较传统的方式，物联网在农业霜冻灾害预防控制方面应用较少，虽然个别企业生产了防霜烟雾弹，防霜机[7]，极大地解决了极端天气环境下的霜冻问题，但是这些预防措施自动化程度不高，使用起来较为麻烦，且人工操作达不到理想效果。

基于此，考虑到物联网技术的特点和发展现状以及霜冻灾害对农业发展的重要影响，研究一套科学完善的霜冻预防控制系统符合中国农业需求，对促进中国农业物联网的发展[8]具有十分重要的意义。文中提出了基于物联网的远程防霜控制系统的总体框架，根据物联网三层架构特点介绍了其感知层、网络层、应用层的具体设计与实现，并与实际果园霜冻预防结合，验证了其可行性和有效性。

1 系统总体设计

1.1 霜冻预防措施选择

文中系统设计使用的防霜措施为防霜局部加热、烟弹点燃、防霜机[9]防霜三种方式结合的防霜措施，采用防霜加热装置、烟弹点火装置、防霜机三种设备配合预防霜冻。

(1)防霜加热装置是室外果园集中燃烧加热点采用的装置，通常在装置内加入燃烧物和引燃材料，在霜冻来临时，对设备内的燃烧物进行引燃，燃烧时产生热量并释放二氧化碳气体，二氧化碳气体属于温室气体，可以吸收地面的热辐射，有效提高植物周围的空气温度，防止霜冻。防霜加热装置主要由控制终端和防霜加热点火控制装置组成。防霜加热控制装置设计有镂空外壳、引燃物以及可燃物、快速点燃点火装置。

(2)烟弹是室外果园分散点产生烟雾的装置。烟弹点火装置主要用于远程自动控制点燃烟弹，具有快速、稳定、不受环境影响、APP远程操作的优点。烟弹点火装置由烟弹点火智能控制终端和烟弹点火控制装置两大部分组成。主要进行烟弹点火输出控制，实时温湿度数据采集和无线数据实时传输。烟弹点火控制装置由钨丝发热装置进行烟弹引火线点燃控制，其中的钨丝发热装置能在1 s～3 s内达到点火温度，可一次性点燃引火线，很好地克服了现有技术中点火装置自动化控制困难和使用化学引燃物可能存在的安全隐患，且为了让引火线与发热装置充分接触设计的用于固定的反弹压力结构能够很好地固定引火线，使点火装置点火时更加安全可靠，固定板采用阻燃材料，连接装置的导线采用防火阻燃云母高温线，使点火装置具有较高的安全性。

(3)防霜机防霜主要通过防霜机控制系统实现远程调控防霜机的启动和停止。防霜机是工业企业按照防霜技术要求生产的电力驱动设备。防霜机安装于室外果园，属于固定设备，设备依靠电力提供能源改变风力循环。防霜机控制系统主要由防霜机控制终端和防霜机控制装置组成。防霜机控制装置通过控制终端进行指令调控，主要由软启动调控装置、旁路接触器等组成。

1.2 系统整体架构设计

基于物联网技术[10]的远程防霜控制系统是采用“物联网+APP”远程控制技术，在野外种植地(农场、果园等)采集气象要素信息，针对林果发育期特定阶段和气象条件，进行小气候调控或霜冻灾害防御的软件和硬件控制系统。系统主要由防霜系统手机APP、智能网关、智能控制终端、烟弹点火装置、防霜机[11]控制装置、防霜加热装置、温湿度监测系统等组成。系统具有自主运行机制，在春、夏、秋、冬四季中，在夏、秋等时节，系统保持低功耗或睡眠状态，以节约内部电池电能。进入冬末或初春植物花期需要谨慎防治霜冻时节，系统可通过人工设置监测频率来达到极端气象环境的监测；系统还设置了温湿度自动监测提醒装置，当温度处于正常范围，未有管理员设置规则时，系统保持低功耗状态；当温度下降到某一极限值时，系统自动提高数据上报频率；当温度继续下降，达到防霜温度要求的极限值时，系统自动启动防霜机、烟弹点火、防霜加热等装置，防止植物冻伤。图1为系统总体架构。

基于物联网[12]三层架构特点，系统由感知层、网络层、应用层三层结构构成。首先由感知层终端部分进行基础数据采集、实地情况信息采集，将采集到的数据通过网络层设计的多种传输技术结合的方式进行传输，最终将数据传回应用层客户端、手机APP，便于用户可视化使用以及针对数据实际情况分析，并回传控制命令对终端设备进行控制，以达到系统整体功能的有效实现，最终达到系统霜冻预防的目的。

图1 系统总体架构

1.3 感知层设计

感知层主要实现果园等野外实地基础数据、实地情况信息的采集功能，根据霜冻形成的主要原因，采用温湿度采集分析的方式，采集实地温湿度数据，并同时设计防霜加热装置、烟弹点火装置、防霜机控制装置三种防霜终端设备结合，以达到根据回传控制命令控制设备开启的目的。

其设计要求为：(1)准确、有效地测量野外实地的温湿度数据；(2)测量设备满足理论及实际应用标准要求、具有较高的可靠性；(3)考虑野外环境的特殊性，设备需具有一定抗环境侵蚀能力，以保证其稳定性；(4)具备数据采集及通讯功能。此外，还要考虑其经济可行性。

基于上述要求，文中系统设计了如图2所示的感知层智能控制终端原理结构，即系统中的智能控制终端内部结构。智能控制终端的主要功能是温湿度采集、控制各设备单元、与智能网关进行数据交互。终端主要由MCU中央处理单元、温湿度监测单元、433MHzLoRa模块、系统工作电源转换及分配单元、高密度功率电池组成。根据不同的用途和环境，分别设计有防霜加热装置点火接口单元、防霜加热装置点火控制输出功能模块；防霜机接口单元、防霜机控制输出功能模块；烟弹点火装置接口单元、烟弹点火装置控制输出功能模块。主要接收来自智能网关的控制指令，控制烟弹点火装置、防霜机、防霜加热点火装置等工作，并上传相关的控制状态至智能网关。由于设备处于野外长期工作的特殊情况，对供电电池的使用寿命、电压稳定性和抗环境侵蚀能力的要求比较高，系统采用的ER34615M电池工作电压平稳，在使用寿命期内具有高而稳定的电压响应，低自放电率(在25℃的条件下存储，年自放电率低于1%)，采用气密的玻璃封口金属外壳和非可燃性电解液炭包式结构，能很好地满足上述需求。

图2 感知层智能控制终端原理结构示意图

温湿度监测单元是智能控制终端中的重要组成部分，在此部分文中设计了专门的温湿度监测系统。温湿度监测系统的功能主要有两种：(1)采集温湿度用于大数据分析，便于客户精准了解果园实际情况，进行科学化管理，以便稳定生产，提高产量；(2)采集温湿度数据上传终端，实现烟弹、防霜加热装置、防霜机的自动启动。

温湿度监测系统主要由工业级温度采集传感器、湿度采集传感器、前端信号放大调理模块、A/D多路转换器、数字处理接口单元、MCU中央处理单元组成。主要采集现场区域内的温度、湿度数据。并且将实时数据上传至智能网关。由智能网关将数据上传至后台服务器。通过后台软件系统进行数据分析，从而控制下发相应的操作指令。当现场实际温、湿度低于某一设定阈值时，自动启动烟弹、防霜加热装置及防霜机等设备进行工作。同时可通过手机APP、PC控制端向服务器主动下发相关的控制指令进行实时控制，继而通过智能网关将控制指令分发至相应的智能控制终端，智能控制终端相关的输出接口输出对应设备的控制状态，进而实现防烟弹、防霜加热装置、防霜机的自动启动。

图3为温湿度监测系统原理框图。

图3 温湿度监测系统原理框图

1.4 网络层设计

网络层的主要功能是将感知层采集到的温湿度数据及信息传输至应用层(客户端、手机APP)，文中系统采用智能网关、云端服务器[13]、互联网多种方式结合的数据传输方式实现网络层数据的传输，其中智能网关设计了如图4所示的原理结构架构。由于果园的野外环境不存在正常的电力供给的能力和日常生活中人们习以为常的网络通讯环境，自主研发了一款用于野外环境下的自组网络，可以进行短距离和长距离全天候通讯的智能网关系统。

图4 网络层智能网关原理结构示意图

智能网关主要由MCU中央处理单元、太阳能供电输入模块、系统充/供电控制、系统后备电池、系统电源分配、433MHzLoRa以及天线组成。负责数据的中转以及各类控制设备的管理，它接收来自后台或客户端的指令，下发至智能控制终端，并把相关设备状态数据信息进行反馈。智能网关采用的Lora技术[14]实现与智能控制终端的短距离通讯。Lora技术是LPWAN通信技术中的一种。这是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统。在实现全天候稳定工作的同时，也使通讯距离达到500 m以上。在文中系统中的所有Lora通讯均为实现智能网关和智能控制终端的短距离通讯。

智能网关采用GPRS[15]通讯技术是为了实现与客户端APP的远距离通讯。GPRS(general packet radio service)是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。采用GPRS通讯，无论客户处于多远距离，只要有手机信号，就能通过APP远程监测果园的信息，并控制烟弹的点火。由于智能网关需要全天候不间歇工作，虽采取了低功耗处理，耗电量也不是几块干电池可以长时间维持的，同时大部分果园不具备供电能力，所以设备采用了蓄电池与太阳能系统的混合供电方式。即使出现连续阴天的情况也能正常工作。

1.5 应用层设计

考虑到系统用户及维护人员在操作方面的方便快捷等需求以及智能手机的广泛普及，文中系统开发设计了基于手机APP[16]的应用层实现。总体来说应用层具有如下特点：

(1)使用方便快捷。系统用户通过手机下载APP，登陆后在使用权限范围内即可查看设备数据并根据实际需求控制设备工作，可达到远程高效控制的效果，无需人员实地对设备进行操作[17]。

(2)防霜措施多样。根据霜冻产生的特点及成因，针对实际环境设计了防霜加热装置、烟弹点火装置、防霜机装置三种防霜措施相结合的方式，以达到科学有效的防霜目的。

(3)系统可扩展性高。在网络资源充裕的条件下，可针对实际野外环境情况，扩展模块接口，并根据实际需求增加终端设备数量。

用户通过手机APP可查看防霜机、防霜加热装置、烟弹的工作状态和果园环境温度等数据；可以随时远程操控果园的防霜机、防霜加热装置、烟弹等设备工作；还可以设定相关设备的温度阈值，当达到设定的工作温度阈值时，系统自动启动防霜机、防霜加热装置和烟弹等设备并及时提醒管理员。图5为系统的手机APP软件[18]功能模块。

图5 应用层手机APP软件功能模块

2 结果与评价

该系统在宁夏灵武陶林园艺厂进行了使用，在系统实际使用过程中，用户下载系统手机APP后，远程通过用户名密码登录后进入系统，系统获取当前果园生长舒适度、平均温度、平均湿度、测量站序号及防霜设备数量并将结果反馈给用户；用户通过点击防霜设备后对相应设备进行管理，根据需要控制设备的开关状态；系统提供实时温湿度数据查询功能，以表格和曲线图形式直观地为用户显示当前实时温湿度数据及其变化趋势；用户实际使用过程中通过控制烟弹点火装置将防霜烟弹点燃(如图6(a)、图6(b))。由此可见，该系统应用物联网远程控制技术实现了通过安卓手机APP远程接收野外实时温湿度数据并生成相应温湿度数据曲线，控制野外各霜冻预防设备工作及显示各设备工作情况，并在突发情况实现自动控制等功能，在实际应用中系统具有较高的可行性和有效性，达到了物联网与霜冻预防相结合，方便有效的预防灾害的效果。这在一定程度上解决了霜冻预防远程与自动控制方面的缺陷，在农业生产霜冻灾害预防方面具有重要作用，更对中国农业霜冻灾害预防控制的发展及农业物联网的发展应用具有重要意义。

图6 手机端APP控制烟弹点燃效果

3 结束语

采用物联网技术开发了远程霜冻预防控制系统，基于STM32 MCU[16]开发了智能控制终端，基于安卓手机系统的APP软件，方便用户远程控制。首先，感知层通过温湿度传感器采集野外环境温湿度数据；然后，由智能控制终端将采集到的数据由网络层智能网关通过GPRS信号将数据传输至云端服务器，再由云端服务器通过互联网与客户端用户手机APP进行通讯，数据传输，历史数据显示及设备控制等功能；最后，以三种防霜设备结合作为物理层，验证了霜冻预防控制系统的可行性和实用性[19]。

此外，该霜冻预防控制系统选用了通用开发环境及设备，具有较高的可移植性。后期将在数据通信、设备状态显示、数据云存储等方面开展进一步的测试，以明确系统性能的要求和网络布局，从而提高系统在复杂环境工作条件下的稳定性。