基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的農(nóng)業(yè)基地綜合管理系統(tǒng)

曾 瑜，張仁貢，劉進(jìn)寶，厲 莎

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 水利工程系，杭州 311231；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310052)

當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步，尤其是4G及5G通信技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫(kù)及云服務(wù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)APP技術(shù)、GIS技術(shù)等的進(jìn)步[1,2]，為解決農(nóng)村小型農(nóng)業(yè)基地自動(dòng)化智慧化的問(wèn)題，包括：①采用人工農(nóng)藥噴灑和人工水管灌溉等，容易損傷作物且成本較高。②安全問(wèn)題。尤其是比較名貴的作物或藥物，安全管理存在問(wèn)題，偷盜問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控效果難以達(dá)到。③集成化程度較差。往往安裝了多套功能單一的系統(tǒng)，如節(jié)水系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)、視頻流系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)等[3]，操作非常不方便。④缺少互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)APP平臺(tái)。一些大型大型農(nóng)業(yè)基地或大型灌區(qū)的管理平臺(tái)不是很適用[4]，無(wú)用的功能多且價(jià)格昂貴。為此，急需研究開(kāi)發(fā)一款經(jīng)濟(jì)型、操作方便型、傻瓜型的現(xiàn)代化綜合管理云系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

為此，筆者科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)五年多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究，結(jié)合4G及5G通信技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫(kù)及云服務(wù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)APP技術(shù)、GIS技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)[5]，發(fā)明了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)獲得國(guó)家軟件著作權(quán)(2017SR228298)和水利部先進(jìn)技術(shù)科技推廣證書(shū)(TZ2016067)。

1 框架設(shè)計(jì)

總體框架如圖1所示。從圖1可知如下內(nèi)容：首先，4G通信是核心鏈路技術(shù)[6]，通過(guò)該技術(shù)，將視頻流數(shù)據(jù)與PLC控制器[7]和自主研發(fā)的雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)裝置進(jìn)行通信。其次，各種狀態(tài)量、開(kāi)關(guān)量、模擬量、脈沖量等通過(guò)PLC與雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)裝置進(jìn)行通信，這里涉及雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)裝置的發(fā)明專(zhuān)利，該裝置實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)的集中采集和處理，具體參見(jiàn)核心技術(shù)的研發(fā)[8]。再次，云技術(shù)服務(wù)中心的研發(fā)，該中心結(jié)合了云技術(shù)和云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，可以租賃阿里巴巴云空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)研發(fā)的云空間化，實(shí)現(xiàn)無(wú)需服務(wù)器實(shí)現(xiàn)多個(gè)農(nóng)業(yè)基地的共享數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。最后，云服務(wù)中心可以通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)[9]，與APP、電腦終端監(jiān)管系統(tǒng)等鏈接通信。

圖1 綜合管理云系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.1 General framework of integrated cloud management system for intelligent small agricultural base

2 雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置

經(jīng)過(guò)自主研發(fā)發(fā)明的該雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置，目的是解決多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的接口統(tǒng)一問(wèn)題。該裝置可以接收視頻流、語(yǔ)音流、狀態(tài)流、脈沖流、模擬流等數(shù)據(jù)信號(hào)，采用了4G通信網(wǎng)絡(luò)的支持，帶有雙核多功能應(yīng)用輸入輸出模塊[10]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該裝置以RTU+CPU為核心單元，屬于雙核裝置，使用多種傳感器采集各類(lèi)參數(shù)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，支持太陽(yáng)能極板供電。工作方式是采用隨機(jī)和定時(shí)相結(jié)合的2種自報(bào)工作方式，這種方式功耗低，便于供電[11]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能很好地反映數(shù)據(jù)等變化的全過(guò)程[12]。隨機(jī)自報(bào)方式的時(shí)間間隔大于0.5 s時(shí)，表明被測(cè)量裝置有增減變化，會(huì)自動(dòng)向數(shù)據(jù)信息中心傳輸一次數(shù)據(jù)。而定時(shí)自報(bào)方式，顧名思義是不管被測(cè)參數(shù)是否變化，都將每隔1 s向數(shù)據(jù)信息中心傳輸一次數(shù)據(jù)。

該設(shè)備支持與調(diào)度中心管理主機(jī)和手機(jī)雙向信息交互功能，工作人員可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備終端的參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)查詢(xún)等操作。

該裝置的主要功能包括：①“省電”模式，實(shí)現(xiàn)較低的功耗。GPRS終端模塊可以設(shè)定上報(bào)時(shí)間，當(dāng)需要上報(bào)是主動(dòng)打開(kāi)采集模塊電源，信息發(fā)送完畢切斷采集模塊電源；②系統(tǒng)能夠響應(yīng)云服務(wù)中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)于本地服務(wù)器中[13]；③可以實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的測(cè)量，包括視頻流、語(yǔ)音流以及脈沖量；④可設(shè)置GPS時(shí)鐘，包括時(shí)鐘點(diǎn)號(hào)、定時(shí)值、間隔秒數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘記錄等；⑤可以定時(shí)定間隔報(bào)送數(shù)據(jù)；⑥可以設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)送的周期；⑦可以采用可再生能源和新能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，包括配合蓄電池進(jìn)行供電[14]；⑧可以記錄數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí)間，可以精確到秒級(jí)[15]；⑨具有光電隔離功能，抗外部干擾能力強(qiáng)[16]。

3 電磁閥控制微系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以采用現(xiàn)地手動(dòng)人工控制、半自動(dòng)的現(xiàn)地控制和全自動(dòng)的遠(yuǎn)程控制控制三層控制系統(tǒng)[17]，現(xiàn)地手動(dòng)人工控制優(yōu)先級(jí)最高，其次為半自動(dòng)的現(xiàn)地控制優(yōu)先級(jí)，全自動(dòng)的遠(yuǎn)程控制控制的優(yōu)先級(jí)別為最低，且具有互鎖功能[18]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 云服務(wù)GIS設(shè)計(jì)

基于XML 進(jìn)行信息交互的GIS 信息是屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的結(jié)合，其中比較突出的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量比較大、位置分散[19]，通過(guò)國(guó)際統(tǒng)一格式標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)云服務(wù)中心與終端APP的互交通信，通信采用了XMLDOM對(duì)象，該對(duì)象采用XML數(shù)據(jù)傳輸格式，由XMLDOM語(yǔ)句處理XML 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其中DOM動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)模塊，在接收到APP端響應(yīng)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)ASP 文件的URL鏈接，通過(guò)創(chuàng)建XMLDOM對(duì)象，調(diào)用XMLDOM對(duì)象的load 方法，由云服務(wù)器的WEB端的ASP 文件調(diào)用XMLDOM對(duì)象的有關(guān)屬性和方法，主要代碼為：

圖2 雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Dual core multi-function network collection device structure diagram

圖3 電磁閥控制微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Microsystem Structure of Electromagnetic Valve Control

ZenYustrURL =“query.asp ? ID = 1001”∥ ZenYustrURL為構(gòu)造URL ，1001 為渠道ID 號(hào)

Set ZenYudocSubmit = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)∥ 創(chuàng)建XMLDOM對(duì)象

ZenYudocSubmit.load(strURL)∥ 裝載XML 數(shù)據(jù)

Set ZenYudocReceive = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)

ZenYudocReceive.async = False

ZenYudocReceive.load(“result.xml”)∥ 調(diào)用服務(wù)器端生成的XML

5 交互集成技術(shù)

由于系統(tǒng)涉及APP的一張圖現(xiàn)實(shí)，或多個(gè)基地點(diǎn)的一張圖訪問(wèn)機(jī)制。本系統(tǒng)采用MapInfo 與VB的互交技術(shù)，該技術(shù)的服務(wù)端通過(guò)OLE鏈接庫(kù)文件開(kāi)放式實(shí)現(xiàn)MapInfo的處理數(shù)據(jù)與云服務(wù)中心的鏈接，例如可以用VB 編程工具，采用OLE 嵌入并生成MapInfo 對(duì)象，由MapInfo.CallBack屬性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和調(diào)用，Class Module中的MapCallBack 包含GetSelectPoint 和GetLength兩個(gè)過(guò)程函數(shù)，可以通過(guò)這兩個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回調(diào)，主要代碼如下：

Public ZenYUmapApp as Object ∥ 定義名為mapApp 的MapInfo 對(duì)象

Public ZenYUcallback as Object ∥ 定義名為callback 的回調(diào)對(duì)象

ZenYUMapApp.do“Set ZenYUApplication Windows” &MainForm.Hwnd /設(shè)置apInfo句柄

Set ZenYUcallback = New MapCallBack

ZenYUMapApp.SetCallBack callback ∥ 獲取回調(diào)函數(shù)

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

GetSelectPoint“”∥ 獲取點(diǎn)擊處的位置

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

6 實(shí)例分析

該應(yīng)用案例基地位于嘉興海寧市錢(qián)塘江江畔，實(shí)施面積1.333 hm2，要求采用上述互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的設(shè)計(jì)體系。①該農(nóng)業(yè)基地包括水池基礎(chǔ)(20 m3及以上)、水泵和增壓泵，電磁閥、管道、視頻基座、控制房等；②現(xiàn)地控制單元LCU包括溫度、濕度、水位等模擬量物聯(lián)網(wǎng)采集裝置、電磁閥開(kāi)關(guān)量、RS-485通訊串行接口設(shè)備、西門(mén)子PLC單元控制系統(tǒng)、光端機(jī)、組態(tài)軟件、觸摸屏系統(tǒng)等；③視頻流監(jiān)視系統(tǒng)包括球形攝像機(jī)、無(wú)線通信、360旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、APP終端系統(tǒng)等；④云數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括SPACE云空間、云DABE數(shù)據(jù)庫(kù)、MIS系統(tǒng)、安全配置等[20]；⑤移動(dòng)APP平臺(tái)包括各類(lèi)功能的實(shí)現(xiàn)等。

6.1 云服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問(wèn)措施

首先通過(guò)APP的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地與APP的訪問(wèn)，由現(xiàn)地觸摸屏，實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器的注冊(cè)。同時(shí)通過(guò)ZenYUstrings字符串實(shí)現(xiàn)安全配置，包括用戶(hù)名和密碼。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化，同時(shí)配置云端服務(wù)器與現(xiàn)地存儲(chǔ)單元的備份機(jī)制，保持同步更新，有利于基地的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。

6.2 WebGis對(duì)接ArcGIS

在本項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)有限，通過(guò)一段時(shí)間的努力，采用該系統(tǒng)節(jié)約了成本，又一次完成要達(dá)到的功能。尤其是在APP開(kāi)發(fā)上，在基本功能滿(mǎn)足的條件下，通過(guò)InfoGAP的諸多現(xiàn)存的屬性、函數(shù)和方法，實(shí)現(xiàn)功能的APP設(shè)置，實(shí)現(xiàn)APP顯示的豐富內(nèi)容，便于用戶(hù)操作。圖片存儲(chǔ)和導(dǎo)出盡量采用通用的手機(jī)訪問(wèn)格式，不但蘋(píng)果手機(jī)還是安卓手機(jī)都能夠接受，如png或jpeg等格式。開(kāi)發(fā)接口Arcgis Server，實(shí)現(xiàn)一張圖的高級(jí)格式化輸出，有利于訪問(wèn)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)采用公用平臺(tái)的云服務(wù)，節(jié)約了服務(wù)器的成本，節(jié)約了投資，符合解決農(nóng)村農(nóng)業(yè)基地經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題。

6.3 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接和整合相關(guān)信息

系統(tǒng)軟件鏈接和安裝完成后，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的配置，這需要采用MISDABES的數(shù)據(jù)管理功能，可以采用SQl2008語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)基于WEB的SQL設(shè)置和開(kāi)發(fā)，可以采用SETSQL、UPDATESQL、ADDSQL等語(yǔ)法，實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)庫(kù)與WEB APP終端軟件的無(wú)縫對(duì)接[21]，具體云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 嘉興海寧市錢(qián)塘江農(nóng)業(yè)基地節(jié)水灌溉云系統(tǒng)框架Fig.4 Framework of water-saving irrigation cloud system for Qiantang River agricultural base in Haining,Jiaxing

從圖4可知，云技術(shù)服務(wù)中采用無(wú)線云網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了與移動(dòng)用戶(hù)的鏈接，采用Dispose模式，在云服務(wù)中，設(shè)計(jì)了安全體系。基于移動(dòng)APP互聯(lián)系統(tǒng)與現(xiàn)地控制單元西門(mén)子PLC-200型智能控制器LCU的動(dòng)態(tài)鏈接，采用DOM的協(xié)助管理觸摸屏程序。本系統(tǒng)需要接入智慧錢(qián)塘江綜合管理系統(tǒng)，故通過(guò)大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通過(guò)云鏈路接口，實(shí)現(xiàn)接口的接入。圖5為案例界面。

7 結(jié) 語(yǔ)

目前，本系統(tǒng)已應(yīng)用到全國(guó)200多個(gè)小型農(nóng)村農(nóng)業(yè)基地，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，有效解決了小型農(nóng)村農(nóng)業(yè)基地的諸多問(wèn)題。我們的下一步研究將把重心放在開(kāi)辟協(xié)助農(nóng)業(yè)基地產(chǎn)品發(fā)布的商業(yè)云鏈接等，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析上，針對(duì)不同的植物使灌溉更加精準(zhǔn)，愿通過(guò)本系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，能為全國(guó)農(nóng)業(yè)基地的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。