設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的可靠性及冗余技術(shù)應(yīng)用研究

劉偉中 徐海斌 賀天飛

摘要 通過對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)踐的總結(jié)，分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)外部供電環(huán)境、系統(tǒng)內(nèi)所用設(shè)備、內(nèi)部傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)各環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，提出響應(yīng)的解決方法及冗余技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；可靠性；冗余

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-343-03

在高投入、高產(chǎn)出的設(shè)施農(nóng)業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)應(yīng)用，使得勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高[1-3]，然而實(shí)踐中停電、傳感器失靈、網(wǎng)絡(luò)故障、控制設(shè)備損壞等多種因子促成的系統(tǒng)故障，常帶來生產(chǎn)事故，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用系統(tǒng)學(xué)理論和冗余技術(shù)保證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性是一個(gè)值得深入探討和研究的問題。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，其架構(gòu)分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層；實(shí)踐中停電、傳感器失靈等多種因素導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，常使系統(tǒng)可靠性受到威協(xié)，并影響該技術(shù)推廣應(yīng)用[4]。筆者針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)設(shè)施分散、基礎(chǔ)配套不足和農(nóng)民使用中維護(hù)能力差等問題，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)解決如何有效感知、穩(wěn)定傳輸和可靠存貯等問題，以提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和冗余度。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)外部供電環(huán)境的可靠性和冗余度

任何一個(gè)信息系統(tǒng)都必須有供電系統(tǒng)的支撐，在設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中穩(wěn)定的供電是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的大前提。市供電是日常常見的供電方式，但在實(shí)際應(yīng)用中由于農(nóng)用電時(shí)常停電，為了在市電斷電情況下仍然保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則至關(guān)重要。

在數(shù)據(jù)采集集中器處應(yīng)采用不間斷電源系統(tǒng)，即UPS主機(jī)和必要的電池，以確保市電停電時(shí)仍可保持?jǐn)?shù)小時(shí)對(duì)設(shè)備的供電。中心機(jī)房是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其供電系統(tǒng)必須使用UPS不間斷電源，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)采用Zigbee無線傳輸方式的傳感器，一般使用內(nèi)置充電電池，如采用小型太陽(yáng)能電池板對(duì)電池及時(shí)充電，可在較大程度上提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的耗電量較小，在實(shí)際應(yīng)用中多采用“太陽(yáng)能+電池組”供電的方式對(duì)遠(yuǎn)離市電的傳感器設(shè)備進(jìn)行供電，如安裝在基地室外的小型氣象站即是如此。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所用設(shè)備的可靠性和冗余度

2.1 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)傳輸在設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程實(shí)例中常采用有線傳輸（光纜、銅纜）、無線傳輸和有線無線相結(jié)合的方式，各傳輸方式的特點(diǎn)見表1。在一個(gè)聯(lián)棟大棚的PLC（或單片機(jī)）自動(dòng)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳到PLC控制器，根據(jù)所設(shè)定的控制參數(shù)PLC直接發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，在聯(lián)棟大棚的小區(qū)域內(nèi)完全采用有線數(shù)據(jù)傳輸與控制方式。在某蔬菜基地的一片鋼架拱棚種植區(qū)域，如果采用有線的方式分布傳感器設(shè)備，由于點(diǎn)的分布分散給布線帶來困難，則常采用無線傳輸?shù)姆绞健８鱾鞲衅鲾?shù)據(jù)通過Zigbee、433 MHz無線模塊或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的方式傳到基地控制中心，該數(shù)據(jù)鏈路即為完全的無線傳輸方式。另外，如果種植基地的大棚數(shù)量較多，分布面較廣，并有一個(gè)集中式的數(shù)據(jù)采集中心，例如市（縣）農(nóng)委的信息中心，則數(shù)據(jù)傳輸鏈路就必須使用有線和無線相結(jié)合的方式。從數(shù)據(jù)傳輸方式的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率、成本及施工難度分析，不同傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1（三級(jí)評(píng)判）。

在園區(qū)基地的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)中除數(shù)據(jù)采集與控制外，一般會(huì)有棚舍的視頻監(jiān)控項(xiàng)目同時(shí)設(shè)計(jì)與安裝。在項(xiàng)目采用光纜傳輸數(shù)據(jù)的模式下，可以使用多芯線纜中的富余光纖芯用于監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)傳輸，由此可降低光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合成本。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)接入方式 設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各種互聯(lián)網(wǎng)接入方式比較見表2。設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)（因特網(wǎng)）及飛速發(fā)展的手機(jī)終端移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)在不受地理位置限制的傳輸提供了可用的手段?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成在實(shí)際應(yīng)用的首尾兩端，在應(yīng)用軟件系統(tǒng)的支持下解決了物品與物品（T2T）、人與物品 （H2T）之間的互連組成了符合國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。以一個(gè)市（縣）農(nóng)業(yè)信息中心所建的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，信息中心可接收本區(qū)域內(nèi)若干設(shè)施農(nóng)業(yè)種植基地的現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息，在自動(dòng)控制狀態(tài)下系統(tǒng)根據(jù)閾值參數(shù)實(shí)現(xiàn)自制，使用者也可通過PC或手機(jī)終端及時(shí)訪問現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況、報(bào)警信息與實(shí)施遠(yuǎn)程控制。在這一系列過程中網(wǎng)絡(luò)起到了主要的作用，故物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性取決于所使用的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入的可靠程度。

2.3 中心機(jī)房設(shè)備 中心機(jī)房由網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集上位機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等設(shè)備組成。整個(gè)系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)都將匯總的機(jī)房的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，所有的訪問者也將從服務(wù)器中獲得所需數(shù)據(jù)。中心機(jī)房的穩(wěn)定可靠運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的重要性是不言而喻的。為了避免單點(diǎn)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的破壞性，對(duì)數(shù)據(jù)采集上位機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器選用可靠性較強(qiáng)的高端設(shè)備或采用雙機(jī)備份的配置方案是非常必要的。

2.4 應(yīng)用軟件 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控的軟件系統(tǒng)由傳感器設(shè)備內(nèi)部的嵌入式程序、上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、WEB應(yīng)用及手機(jī)、PC客戶端程序等若干個(gè)模塊組成。在投入實(shí)際應(yīng)用前，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的的測(cè)試是非常必要的。通過測(cè)試，可優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。如嵌入式軟件須使用看門狗功能，防止硬件死機(jī)。在上位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)中多線程并發(fā)事件處理、內(nèi)存分配處理、數(shù)據(jù)庫(kù)接口處理等環(huán)節(jié)是影響軟件穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。在WEB應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)要進(jìn)行多用戶訪問測(cè)試、海量數(shù)據(jù)的查詢測(cè)試，否則在進(jìn)行為期5個(gè)月的作物積溫統(tǒng)計(jì)曲線查詢時(shí)，會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)或超時(shí)無響應(yīng)的情況。

2.5 系統(tǒng)自檢功能和故障報(bào)警 設(shè)備在使用過程中，可能由于自身或外部環(huán)境問題出現(xiàn)各種各樣的損壞或故障。及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決這些問題，可極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置自檢程序，可手動(dòng)或周期性的在系統(tǒng)非執(zhí)行空閑時(shí)間（如設(shè)施蔬菜晚上）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。在出現(xiàn)非正常情況時(shí)可定位故障部位和發(fā)出報(bào)警指示；如內(nèi)含嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器自身干電池電壓過低時(shí)，通過報(bào)警和系統(tǒng)提示功能，提醒維護(hù)人員及時(shí)處理；對(duì)斷電、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障等較嚴(yán)重的系統(tǒng)問題應(yīng)配置短信貓等設(shè)備，可通過短信或語(yǔ)音留言等方式及時(shí)告知有關(guān)人員，將系統(tǒng)改為人工操作等應(yīng)急模式，以防引發(fā)進(jìn)一步的生產(chǎn)事故。

2.6 驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為了保證系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)設(shè)立相互獨(dú)立的驗(yàn)證系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作，以及工作效果，確保系統(tǒng)在可控狀態(tài)下運(yùn)行。

如生產(chǎn)中大棚兩側(cè)通過電動(dòng)卷簾通風(fēng)降溫。當(dāng)棚內(nèi)溫度較高時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)向降溫設(shè)備發(fā)出指令，開啟這些設(shè)備，執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，進(jìn)行通風(fēng)降溫工作。如果電機(jī)損壞或機(jī)械傳導(dǎo)系統(tǒng)失靈，雖然系統(tǒng)表面顯示一切運(yùn)行正常，系統(tǒng)也發(fā)出一卷簾動(dòng)作指令，但實(shí)際卷簾不運(yùn)作，棚內(nèi)高溫就會(huì)在1 h內(nèi)造成生產(chǎn)事故。這時(shí)可通過遠(yuǎn)程視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控來驗(yàn)證上述動(dòng)作實(shí)際操作情況，也可通過軟件設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立驗(yàn)證系統(tǒng)來驗(yàn)證上一動(dòng)作是否被實(shí)際執(zhí)行，如計(jì)算指令動(dòng)作發(fā)出后5～10 min溫度傳感器變化的速率，并通過通信手機(jī)關(guān)聯(lián)到生產(chǎn)管理人，如果該速率變化是高于設(shè)定的最低值（根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)），可通過短信發(fā)出“卷簾成功”的驗(yàn)證信號(hào)；相反速率變化方向不同、不變化或低于設(shè)定的最低值，則可通過短信發(fā)出“卷簾失敗”、“ 卷簾故障”的驗(yàn)證信息，并及時(shí)通知有關(guān)人員采取相應(yīng)措施，可有效防止生產(chǎn)事故的發(fā)生。

2.7 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 如市縣兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用圖1a結(jié)構(gòu)，每個(gè)二級(jí)服務(wù)器只接受本縣的傳感器上傳數(shù)據(jù)，雖有各縣相對(duì)獨(dú)立不相互影響之優(yōu)點(diǎn)，但是由于數(shù)量眾多的傳感器和訪問終端被分散連接至多個(gè)服務(wù)器，基于各縣級(jí)服務(wù)器的質(zhì)量與維護(hù)能力，增加了故障出現(xiàn)的概率。

而如圖1b系統(tǒng)使用一級(jí)數(shù)據(jù)中心，全市所有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)全部上傳至該數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，所有的訪問者也只能訪問此服務(wù)器，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)有利，但對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高要求。

實(shí)踐中，該研究采用ese3b一級(jí)結(jié)構(gòu)，且隨著技術(shù)進(jìn)步，租用“阿里云”云端服務(wù)器，對(duì)服務(wù)器可彈性配置，專業(yè)服務(wù)器提供商對(duì)系統(tǒng)提供99.999 9%的可靠性保障，既節(jié)本，又可靠，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選方案。

3 物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性和冗余度

3.1 傳感器 對(duì)于某些成本較高的如土壤溫濕度傳感器，在一個(gè)大棚中根據(jù)實(shí)際情況沒有必要多個(gè)安裝，在噴灌（滴灌）的條件下合理選擇一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可滿足要求。在水產(chǎn)養(yǎng)殖魚塘中溶解氧傳感器成本較高，且水中溶氧梯度小，一般同樣養(yǎng)殖密度的一片魚塘安裝一臺(tái)即可滿足要求。在畜禽養(yǎng)殖如養(yǎng)雞場(chǎng)對(duì)氨氣的檢測(cè)，由于氨氣較空氣輕，安裝位置可高于雞舍位置，從成本考慮，在一個(gè)雞舍里將傳感器設(shè)備安裝在可能出現(xiàn)氨氣濃度最大值的地方即可。

溫濕度是動(dòng)植物生長(zhǎng)影響較大的因素，為設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的監(jiān)測(cè)參數(shù)，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都需要有冗余的考慮。光照在設(shè)施大棚中一般根據(jù)作物對(duì)光的不同的要求加以選擇，喜光作物的飽和光照強(qiáng)度25 000 lux左右，在大棚內(nèi)部使用的光照傳感器選擇滿量程為50 000 lux的即可滿足要求。室外光照傳感器一般使用量程為0～200 000 lux，與棚內(nèi)光照傳感器結(jié)合使用用以控制遮陽(yáng)網(wǎng)的開閉。目前雖傳感器產(chǎn)品的發(fā)展，光照傳感器在很多產(chǎn)品中已于溫濕度集成在一起，形成溫濕光三合一的傳感器，故棚內(nèi)的光照傳感器數(shù)量可與溫濕度傳感器的數(shù)量相同，室外0～200 000 lux光照傳感器由于成本原因一般安裝一個(gè)即可。提高二氧化碳的濃度對(duì)C3類作物的增產(chǎn)有明顯效果，在園藝大棚內(nèi)種植的黃瓜、番茄和青椒等常見蔬菜，常需要加放CO2氣肥，CO2 傳感器選型量程一般為0～2 000 ppm，由于成本的原因，一個(gè)棚內(nèi)安裝一個(gè)置于最不容易擴(kuò)散到達(dá)位置即可。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器設(shè)備的體積較小，可根據(jù)需要隨時(shí)在已建成的系統(tǒng)中配置添加。但針對(duì)體積執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備而言，這類問題必須在設(shè)施棚舍設(shè)計(jì)時(shí)給予充分考慮。通風(fēng)機(jī)必須多組使用，如一個(gè)連棟大棚安裝了8個(gè)通風(fēng)機(jī)，我們?cè)谂潆婋娐飞现辽僖獙⑵浞殖蓛山M，即1、3、5、7奇數(shù)組為一路；2、4、6、8偶數(shù)組為一路，這樣一方面是滿足功能效果上的要求，另一方面也不至于在某電路出現(xiàn)問題時(shí)造成完全不能通風(fēng)的情形。同理棚舍的降溫加濕水簾機(jī)也應(yīng)在2組以上。在控制噴灌（滴灌）管路上的電磁閥在設(shè)計(jì)安裝中一般也需要有一個(gè)并聯(lián)的閥門作為冗余備份，出于成本考慮，至少也要有一個(gè)手控的閥門，在電磁閥失效時(shí)亦可手工操作。棚舍大棚的水源一般采用水池儲(chǔ)水或地下水，通過水泵向管網(wǎng)供水。如果是水池泵水，需有一套前段的過濾處理設(shè)備，需要定期維護(hù)，所以供水管網(wǎng)的水泵及過濾設(shè)備一般均應(yīng)有冗余備份。

4 設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用注意事項(xiàng)

設(shè)施農(nóng)業(yè)所涉及的領(lǐng)域一般為園藝大棚種植類、水產(chǎn)養(yǎng)殖類及畜禽養(yǎng)殖類這3大領(lǐng)域。所使用的現(xiàn)場(chǎng)傳感器及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)見表3。

由表3可知，現(xiàn)場(chǎng)傳感器及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)構(gòu)成的首尾兩端的重要設(shè)備，一旦此環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障則系統(tǒng)無法工作。為了提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠性，可從以下4個(gè)方面考慮：

（1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或選型時(shí)，必須考慮實(shí)際使用環(huán)境，針對(duì)環(huán)境要求采用能夠可靠運(yùn)行的設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中有的傳感器工作在高溫高濕的環(huán)境中，該產(chǎn)品除傳感器探頭之外的所有電路板及接線端子必須完全密封，防止水分的進(jìn)入。

（2）采用設(shè)備數(shù)量的冗余，在一個(gè)大棚中須安裝至少2個(gè)以上的傳感器設(shè)備。如在一個(gè)5聯(lián)棟大棚中，溫濕度傳感器一般選擇安裝4套，按圖2位置相錯(cuò)安裝。一方面是因?yàn)榕锏拿娣e較大，棚內(nèi)各點(diǎn)存在溫度差，冬季夏季有南北溫度差，上午、下午有東西溫度差，當(dāng)溫度差或濕度差大于所設(shè)定值時(shí)，內(nèi)環(huán)流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)工作；另一方面棚內(nèi)的多個(gè)傳感器也形成了設(shè)備的冗余，當(dāng)某個(gè)傳感器故障時(shí)，不至于采集不到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)中心應(yīng)使用云計(jì)算架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。供電系統(tǒng)一定要有UPS做保障。

（4） 在設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用軟件需保持協(xié)議的一致性，避免非統(tǒng)一通訊協(xié)議的接入給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來危害。

參考文獻(xiàn)

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