作物需水信息無線監(jiān)測系統(tǒng)與無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

作物需水信息無線監(jiān)測系統(tǒng)與無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)摘要：為了解決作物需水信息的快速獲取和無線遠(yuǎn)程傳輸問題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由３部分組成，即PＴM一48M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀及所適配的傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、GPＲＳDTＵ與GPＲＳ網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲和處理中心。為此,闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),并從軟硬件兩方面描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了GＰＲSDTU和PTM一4８M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀的成功連接，且PＴM一48Ｍ連接多個(gè)傳感器，可實(shí)時(shí)采集多個(gè)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多通道作物需水信息的異地實(shí)時(shí)監(jiān)測與無線遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)使用靈活，數(shù)據(jù)傳輸可靠。關(guān)鍵詞:作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng);傳感器；ＧＰRS;無線數(shù)據(jù)傳輸0引言對作物需水狀況進(jìn)行準(zhǔn)確、快速和可靠的評價(jià),是以實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷與作物需水狀況密切相關(guān)的作物水分信息為基礎(chǔ)的。作物水分信息采集不僅是實(shí)施灌溉決策和管理的重要基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和精量灌溉工程系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。先進(jìn)、可靠的作物水分信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與采集設(shè)備則是精準(zhǔn)、快速和連續(xù)獲取作物水分信息的基礎(chǔ)保障。目前,作物水分的數(shù)據(jù)采集與傳輸多為有線方式,而無線的數(shù)據(jù)傳輸方式相對較少。本文所闡述的作物需水信息實(shí)時(shí)監(jiān)測與無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)即在不對PＴＭ一48Ｍ植物生理生態(tài)監(jiān)測儀做任何改變的情況下，與GPRSＤTU成功連接，實(shí)現(xiàn)了多通道作物需水信息的異地實(shí)時(shí)監(jiān)測與無線遠(yuǎn)程傳輸,為實(shí)時(shí)診斷作物水分狀況提供了依據(jù)和保證隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以及國家對三農(nóng)的的高度重視，特別是國家２01２農(nóng)業(yè)國家一號文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機(jī)裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運(yùn)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù),力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸,真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。浙江托普儀器有限公司和浙江大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識別(ｒfｉd）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細(xì)管理，避免了“瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋"等問題的再次發(fā)生，保證了食品的安全和產(chǎn)量.目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示范園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運(yùn)行，技術(shù)穩(wěn)定成熟,功能齊全.為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施將大大提高國家推進(jìn)科技創(chuàng)新增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品均屬于自有品牌，自主研發(fā)生產(chǎn)。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個(gè)層次：感知層:采用各種傳感器（如溫濕度、光照、CO2、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等)獲取植物的各類信息.傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心,各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由配對、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WSＮ獲取植物實(shí)時(shí)生長環(huán)境.圖溫濕度、光照參數(shù)等,收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),進(jìn)行存儲和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試點(diǎn)的信息動(dòng)態(tài)顯示,并根據(jù)各類信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制、對異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。加裝攝像頭可以對每個(gè)大棚和整個(gè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。１系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架本系統(tǒng)由FFM一48M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀與所適配的傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)、GPRＳＴU和GPＲS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲和處理中心3部分組成。即PＴM一４８Ｍ所攜帶的土壤水分等各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過串口通訊RＳ一232到GPRSDＴU；然后，ＧＰＲＳＤTU將數(shù)據(jù)打成ＩP包，并經(jīng)GPRＳ空中接口接人無線GＰRS網(wǎng)絡(luò)，由移動(dòng)服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Inteｒｎeｔ,到教育網(wǎng)一校園網(wǎng);最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到數(shù)據(jù)中心，如圖1所示。2系統(tǒng)構(gòu)成及功能2。1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測主要使用PTM一48M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀及其適配的PIＲ一１光合作用輻射傳感器（umoL／m2s）、莖流相對速率傳感器（Ｒel．Unｉt)和莖干微變化傳感器（uｍ)等１７個(gè)傳感器,其主要功能就是完成各種信息和數(shù)據(jù)的采集與整理。PＴＭ～４8M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀是自動(dòng)監(jiān)測葉片CO:氣體交換及蒸騰作用的四通道系統(tǒng)。此系統(tǒng)帶有一套4個(gè)獨(dú)創(chuàng)的自動(dòng)開合葉室,葉室逐一運(yùn)轉(zhuǎn).在開放的光合系統(tǒng)中,CO：的交換由ＣO：輸出濃度(C。。)的降低量決定，次濃度的降低量是與引入的周圍環(huán)境空氣(Cｉ.)相比較得出的。2．2無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是ＧPRSDTU利用現(xiàn)有的ＧPRS網(wǎng)絡(luò)、Iｎtｅmet網(wǎng)以及校園網(wǎng)所組成。GＰRS（通用無線分組業(yè)務(wù))經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，并有很多應(yīng)用案例¨—s]。Intｅmet網(wǎng)以及校園網(wǎng)都是現(xiàn)有的和成熟的網(wǎng)絡(luò),參看文獻(xiàn)[9—１1]。選用的ＧＦ一200８AW型GPＲSDTＵ內(nèi)置西門子MＣ39i模塊,主要由射頻天線、內(nèi)部Fｌａsｈ、SＲAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令；射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào),以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換；匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC３９ｉ模塊的功能是將數(shù)據(jù)或命令通過與其連接天線發(fā)射出去，或接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心發(fā)送的數(shù)據(jù),再將接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行相應(yīng)的處理后送人微控制器中。無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。2.3數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心是整個(gè)系統(tǒng)的操作、維護(hù)、處理、統(tǒng)計(jì)、分析和監(jiān)管的中心，主要由具有互聯(lián)網(wǎng)接人的服務(wù)器、PTM一48M操作軟件及虛擬串口軟件構(gòu)成.本系統(tǒng)的服務(wù)器有固定的IP地址,并且做了端El映射。數(shù)據(jù)中心的主要功能是對各個(gè)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲與處理,以及數(shù)據(jù)查詢、分析和下載.PTM一４８Ｍ植物生理生態(tài)監(jiān)測儀的操作軟件（ＰTM一4８MphotosyｎtｈｅｓisandTrａnspiｒａt(yī)ionMｏnitｏr）對PTM一４８M初始化以及選配傳感器的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢和下載等。PＴM４8直接用RS2３２串口線和計(jì)算機(jī)通訊時(shí)TIＭEOUT只需幾到幾十毫秒,而通過GPＲＳ通訊時(shí)TIＭEOＵT一般需要3。2s，因此把ＰTＭ一４８M操作軟件的TIMEOUT修改為８s。虛擬串口軟件本質(zhì)上就是一個(gè)“軟件橋接器”，可以將PＴＭ48操作軟件平滑移植到本系統(tǒng)中，而不需修改【ｌ引,可以將TＣP/ＩＰ連接和UＤＰ廣播映射成本機(jī)的虛擬COＭ口，應(yīng)用程序通過訪問虛擬串口就可以完成遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。VSPＭ虛擬串口軟件的設(shè)置：虛擬串口選擇了COM4（與PTM一４８M選擇同樣的串口）,210。2７。94．１7６為數(shù)據(jù)中心（服務(wù)器）的IＰ地址，6００6是映射端口號。VSPM運(yùn)行在Ｓerver模式下，將根據(jù)設(shè)置監(jiān)聽端口６006，并等待DTU發(fā)起的連接。２.４系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)通過公對公ＲＳ2３2串口線和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接,然后用TＴL網(wǎng)線連接接數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，如圖２所示。３、功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行之后，虛擬軟件和PＴM一４８M操作軟件顯示已有數(shù)據(jù)傳輸（如圖3和圖4所示)，證明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GPＲＳDＴＵ和PＴM－4８M植物生理生態(tài)監(jiān)測儀的成功鏈接；而ＰTＭ－４8M連接多個(gè)傳感器,可實(shí)時(shí)采集多個(gè)信息，并實(shí)現(xiàn)了多通道作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)與無線遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)和虛擬串口技術(shù),在不需要對ＰＴM一４8M做任何改造的情況下，減少了人力和物力的投入,節(jié)省了時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成.該系統(tǒng)首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了ＰＴＭ一4８Ｍ植物生理生態(tài)監(jiān)測儀的無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,并已經(jīng)在西北農(nóng)林科技大學(xué)米