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基于紫金桥软件的农业物联网应用
基于紫金桥软件的农业物联网应用
一、背景介绍
基于物联网技术的精确农业，是当今世界农业发展的新潮流。传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而精确农业为现代农业的发展提供了一条光明之路，精确农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。它是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
自动化控制系统可以在设定的条件下与远端接收器通信，按照系统预先设定的程序对现场设备进行开、关等操作，还可以按照复杂的业务流程和业务逻辑，实现灵活的操作控制，另外，动态信息采集分析技术也是重点应用，对现场的复杂数据进行分析和管理。
紫金桥软件在农田智能灌溉领域的应用主要是通过无线传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积、节点数量可以不受限制，因此可以灵活增减轮灌组。加上节点具有土壤、植物、气象等测量采集装置，利用通信网关的Internet功能与GPS技术结合，形成灌区动态管理信息采集分析技术，配合作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等，可构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。
二、农业信息管理系统
1、系统结构
农业节水及信息管理系统一般负责的区域比较大，如一个乡、一个县、一个市等。这样大的区域，对于自动化产品来说，采集能力和通信能力都不可能实现，为了将这么大的区域中的相关信息进行收集，需要将这些大的区域划分为多个相对较小的区域，每个相对较小的区域再划分出更小的控制单位，从而能达到一个自动化控制单元所能控制的范围。为了实现上述设计目标，本系统包括现场采集传感终端、控制终端、无线通信网络终端、监控中心系统平台4部分组成。如下图所示为系统架构图。
1.1、传感终端
环境信息采集单元主要由各种环境信息传感器组成，包括以下几类：
1)、数字温湿度传感器
该传感器可实现相对温度和湿度的环境信息测量，具备专业的数字化集成技术和温湿度测量技术，保证数据的真实有效性。传感器自身符合超低功耗设计，单线或者两线串行接口连接方式，可直接与控制器连接实现数据传输。
2)、土壤水分传感器
该传感器可实现长期无人值守的土壤含水量监测，外壳抗腐蚀能力强，可长期深埋在土壤中而不会受到损坏，具备高精度、高灵敏度等特点。可实现表层土壤和深层土壤墒情的定点监测和在线测量，数据可直接由水分监测仪获取，或者直接与控制器相连。
3)、光照强度传感器
该传感器用于对温室大棚内可见光光照强度的测量，输出信号符合通用标准，能够根据当前的光照条件自动调整量程范围，从而在不同光照强度下均可保持准确的精度。
4)、二氧化碳浓度传感器
红外二氧化碳浓度传感器基于红外光谱吸收原理，测量温室中的空气二氧化碳浓度，可实时感应浓度变化。其优异的可靠性保证数据的准确性，避免其他气体的交叉反应。
1.2、现场监控站
现场监控站作为整个农业节水及信息管理系统中的最小单元，也是整个监控系统的最底层控制系统，它负责整个系统的数据采集以及将采集到的数据传送到上层集中监控中心的任务。
1.3、集中监控中心
集中监控中心通常与现场监控站之间通过移动通信技术GPRS、3G或者WIFI等无线通信方式进行连接，这种方式可以大大节省硬件成本，同时，数据的实时性也能保证。集中监控中心作为整个农业节水和信息管理系统的中心层，不直接参与现场设备的控制，而是通过对现场监控站相关数据的分析以及历史数据的分析，形成先关的节水灌溉方案，各个现场控制站通过分析所得的方案进行相应的现场控制。
集中监控中心根据其所管辖区域大小，将区域内所有现场监控站的信息进行集中采集、展示、存储、分析等。同时，通过紫金桥组态软件的WEB发布功能，将所采集的信息发布到INTERNET上，供相关部门查看分析。
2、系统功能
现场监控站
现场监控站一般设置在现场控制区域的泵房中，其中配置监控计算机一台，实现对控制区域设备的信息采集和控制，安装紫金桥组态软件，每一个泵房设置一套。信息管理系统中的现场监控站主要使用对象为非专业人士，因此，该系统的功能界面主要以简洁、明了、易于了解和经济适用为主。
该系统的功能主要有：
1)、数据采集与监视功能
现场监控站中由于各种管线与阀门铺设的距离比较远，使用有线数据采集的方式在监控成本和控制线缆铺设上都不现实，因此，使用Zigbee无线通信的方式进行数据采集。它是一种短距离的无线通信方式，对于在农田这种开阔地带使用比较有优势，它与RTU控制单元结合使用，采集泵房管理系统内的各个阀门与水泵的控制信号，实现水泵和阀门的远程控制，同时还采集相关的模拟量数据，如蓄水池水位、管道流量、过滤器前后水压、电机电流、电压、墒情、气象等数据。
2)、画面监控
画面监控主要包括设备监控画面、系统管理界面以及数据统计分析画面。
A、设备监控界面按照现场监控站滴灌系统管道铺设管线绘制田间滴灌分布图，在图上直观显示相关电磁阀的位置、状态、是否启用轮灌，正在灌溉的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。该界面可以对电磁阀的状态统一实时查询；轮灌启动、界面锁定；电磁阀的单独开启关闭、状态查询。界面锁定以后（安全模式），整个界面上操作人员不能有任何操作动作（不能控制设备，只能浏览查询信息），只有通过密码实现解锁才能进行控制操作。
B、数据统计分析画面包括实时数据显示和历史数据显示两部分内容，显示的数据有电机电压、电流、蓄水池水位、过滤器前后水压、出水口流量、土壤水分以及气象站、设备电压等。
C、系统管理界面包括系统通讯诊断、系统设备拓扑结构图、设备地址、时钟、工作参数配置界面、设备列表、轮灌编辑界面、用户管理界面、数据存储设置、调阅、导出界面、设备通讯状态、设备电池电压，首部电压电流、水位、水压等错误或者数据超常报警设置等。
3)、设备控制功能
设备控制功能包括田间各个电磁阀与水泵的单独控制以及电磁阀的轮灌控制。单独控制时，可以在监控画面上对每一个设备进行单独的打开或关闭操作，当操作没有反馈或反馈信息错误时能进行相应的报警。
轮灌控制需要根据系统管理界面中对于轮灌功能的配置，系统自动完成所有电磁阀的打开与关闭控制以及打开的时间等。
4)、数据存储记录功能
系统中采集的各种模拟量数据，如电压、电流、水位、水压、流量、土壤水分等都进行记录，数据记录使用定时记录的功能，数据保留时间为1年，数据记录使用紫金桥数据库完成。同时，在画面上可以通过报表、曲线的方式进行历史记录数据的查看。
5)、报警功能
报警功能主要针对重要的操作和模拟量超限进行。
报警的方式根据现场计算机的条件可以有声光和短信两种方式，需要泵房监控系统中配置相应的音箱及短信发送模块。
重要的报警能记录到数据库中进行历史报警的查询功能。
6)、用户管理功能
田间泵房管理系统的用户主要包括系统操作的农民和相应参数设置的维护人员。不同用户通过用户名和密码登陆获取不同的权限。
系统维护人员具有所有功能操作的权限（由于维护人员不是长期驻守在泵房，所以参数维护由监控中心维护人员统一进行远程维护）。
7)、数据统计分析功能
数据分析统计功能是指对各个现场监控站数据进行集中数据的存储、曲线棒图的对比分析、报表文件的查看等功能。
8)、数据存储功能：将系统采集到的相关模拟量数据进行集中历史记录，历史记录的时间间隔为30分钟，数据的存储周期为2到3年，数据存储到数据存储服务器中。
9)、曲线功能：在监控画面中能将各个历史记录数据通过历史曲线，图的形式进行展示，主要包括用水量曲线、流量曲线等。历史曲线可以通过时间查询不同时间段的曲线情况。
10)、报表功能：通过历史记录数据，可以形成系统的数据报表，包括日、月、年等报表，操作人员可以通过时间查询相关时间段的数据形成相应的数据报表，同时报表还具有数据查询、打印、导出为EXCEL等功能。
11)、数据上传功能
现场监控站只是整个系统的最底层监控系统，它是最底层的数据采集系统，对于上层管理系统来说，它还包括数据上传到监控系统的功能。
本系统中，现场监控站与上层集中监控中心的通信方式GPRS方式。因此，数据上传功能使用紫金桥自带modbus主站方式将数据通过GPRS发送到监控中心。
12)、WEB发布功能
将监控中心中相关的数据画面通过紫金桥的WEB发布功能发布到INTERNET上，相关人员只需要通过各自电脑的IE浏览器就可以直接查看各个现场监控站的运行情况。
三、结束语
本系统设计融合了自动化组态、移动通信、广域网无线通信、ZIGBEE局域网无线通信等先进技术，能够实现农田定点采集、移动采集与传输功能。具有结构简单、功耗低、设计成本低、使用性强、监测数据实时显示实时上传和可重复性好等显著特点。
基于物联网技术的精确农业，是当今世界农业发展的新潮流。传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而精确农业为现代农业的发展提供了一条光明之路，精确农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。它是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
自动化控制系统可以在设定的条件下与远端接收器通信，按照系统预先设定的程序对现场设备进行开、关等操作，还可以按照复杂的业务流程和业务逻辑，实现灵活的操作控制，另外，动态信息采集分析技术也是重点应用，对现场的复杂数据进行分析和管理。
紫金桥软件在农田智能灌溉领域的应用主要是通过无线传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积、节点数量可以不受限制，因此可以灵活增减轮灌组。加上节点具有土壤、植物、气象等测量采集装置，利用通信网关的Internet功能与GPS技术结合，形成灌区动态管理信息采集分析技术，配合作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等，可构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。
二、农业信息管理系统
1、系统结构
农业节水及信息管理系统一般负责的区域比较大，如一个乡、一个县、一个市等。这样大的区域，对于自动化产品来说，采集能力和通信能力都不可能实现，为了将这么大的区域中的相关信息进行收集，需要将这些大的区域划分为多个相对较小的区域，每个相对较小的区域再划分出更小的控制单位，从而能达到一个自动化控制单元所能控制的范围。为了实现上述设计目标，本系统包括现场采集传感终端、控制终端、无线通信网络终端、监控中心系统平台4部分组成。如下图所示为系统架构图。
1.1、传感终端
环境信息采集单元主要由各种环境信息传感器组成，包括以下几类：
1)、数字温湿度传感器
该传感器可实现相对温度和湿度的环境信息测量，具备专业的数字化集成技术和温湿度测量技术，保证数据的真实有效性。传感器自身符合超低功耗设计，单线或者两线串行接口连接方式，可直接与控制器连接实现数据传输。
2)、土壤水分传感器
该传感器可实现长期无人值守的土壤含水量监测，外壳抗腐蚀能力强，可长期深埋在土壤中而不会受到损坏，具备高精度、高灵敏度等特点。可实现表层土壤和深层土壤墒情的定点监测和在线测量，数据可直接由水分监测仪获取，或者直接与控制器相连。
3)、光照强度传感器
该传感器用于对温室大棚内可见光光照强度的测量，输出信号符合通用标准，能够根据当前的光照条件自动调整量程范围，从而在不同光照强度下均可保持准确的精度。
4)、二氧化碳浓度传感器
红外二氧化碳浓度传感器基于红外光谱吸收原理，测量温室中的空气二氧化碳浓度，可实时感应浓度变化。其优异的可靠性保证数据的准确性，避免其他气体的交叉反应。
1.2、现场监控站
现场监控站作为整个农业节水及信息管理系统中的最小单元，也是整个监控系统的最底层控制系统，它负责整个系统的数据采集以及将采集到的数据传送到上层集中监控中心的任务。
1.3、集中监控中心
集中监控中心通常与现场监控站之间通过移动通信技术GPRS、3G或者WIFI等无线通信方式进行连接，这种方式可以大大节省硬件成本，同时，数据的实时性也能保证。集中监控中心作为整个农业节水和信息管理系统的中心层，不直接参与现场设备的控制，而是通过对现场监控站相关数据的分析以及历史数据的分析，形成先关的节水灌溉方案，各个现场控制站通过分析所得的方案进行相应的现场控制。
集中监控中心根据其所管辖区域大小，将区域内所有现场监控站的信息进行集中采集、展示、存储、分析等。同时，通过紫金桥组态软件的WEB发布功能，将所采集的信息发布到INTERNET上，供相关部门查看分析。
2、系统功能
现场监控站
现场监控站一般设置在现场控制区域的泵房中，其中配置监控计算机一台，实现对控制区域设备的信息采集和控制，安装紫金桥组态软件，每一个泵房设置一套。信息管理系统中的现场监控站主要使用对象为非专业人士，因此，该系统的功能界面主要以简洁、明了、易于了解和经济适用为主。
该系统的功能主要有：
1)、数据采集与监视功能
现场监控站中由于各种管线与阀门铺设的距离比较远，使用有线数据采集的方式在监控成本和控制线缆铺设上都不现实，因此，使用Zigbee无线通信的方式进行数据采集。它是一种短距离的无线通信方式，对于在农田这种开阔地带使用比较有优势，它与RTU控制单元结合使用，采集泵房管理系统内的各个阀门与水泵的控制信号，实现水泵和阀门的远程控制，同时还采集相关的模拟量数据，如蓄水池水位、管道流量、过滤器前后水压、电机电流、电压、墒情、气象等数据。
2)、画面监控
画面监控主要包括设备监控画面、系统管理界面以及数据统计分析画面。
A、设备监控界面按照现场监控站滴灌系统管道铺设管线绘制田间滴灌分布图，在图上直观显示相关电磁阀的位置、状态、是否启用轮灌，正在灌溉的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。该界面可以对电磁阀的状态统一实时查询；轮灌启动、界面锁定；电磁阀的单独开启关闭、状态查询。界面锁定以后（安全模式），整个界面上操作人员不能有任何操作动作（不能控制设备，只能浏览查询信息），只有通过密码实现解锁才能进行控制操作。
B、数据统计分析画面包括实时数据显示和历史数据显示两部分内容，显示的数据有电机电压、电流、蓄水池水位、过滤器前后水压、出水口流量、土壤水分以及气象站、设备电压等。
C、系统管理界面包括系统通讯诊断、系统设备拓扑结构图、设备地址、时钟、工作参数配置界面、设备列表、轮灌编辑界面、用户管理界面、数据存储设置、调阅、导出界面、设备通讯状态、设备电池电压，首部电压电流、水位、水压等错误或者数据超常报警设置等。
3)、设备控制功能
设备控制功能包括田间各个电磁阀与水泵的单独控制以及电磁阀的轮灌控制。单独控制时，可以在监控画面上对每一个设备进行单独的打开或关闭操作，当操作没有反馈或反馈信息错误时能进行相应的报警。
轮灌控制需要根据系统管理界面中对于轮灌功能的配置，系统自动完成所有电磁阀的打开与关闭控制以及打开的时间等。
4)、数据存储记录功能
系统中采集的各种模拟量数据，如电压、电流、水位、水压、流量、土壤水分等都进行记录，数据记录使用定时记录的功能，数据保留时间为1年，数据记录使用紫金桥数据库完成。同时，在画面上可以通过报表、曲线的方式进行历史记录数据的查看。
5)、报警功能
报警功能主要针对重要的操作和模拟量超限进行。
报警的方式根据现场计算机的条件可以有声光和短信两种方式，需要泵房监控系统中配置相应的音箱及短信发送模块。
重要的报警能记录到数据库中进行历史报警的查询功能。
6)、用户管理功能
田间泵房管理系统的用户主要包括系统操作的农民和相应参数设置的维护人员。不同用户通过用户名和密码登陆获取不同的权限。
系统维护人员具有所有功能操作的权限（由于维护人员不是长期驻守在泵房，所以参数维护由监控中心维护人员统一进行远程维护）。
7)、数据统计分析功能
数据分析统计功能是指对各个现场监控站数据进行集中数据的存储、曲线棒图的对比分析、报表文件的查看等功能。
8)、数据存储功能：将系统采集到的相关模拟量数据进行集中历史记录，历史记录的时间间隔为30分钟，数据的存储周期为2到3年，数据存储到数据存储服务器中。
9)、曲线功能：在监控画面中能将各个历史记录数据通过历史曲线，图的形式进行展示，主要包括用水量曲线、流量曲线等。历史曲线可以通过时间查询不同时间段的曲线情况。
10)、报表功能：通过历史记录数据，可以形成系统的数据报表，包括日、月、年等报表，操作人员可以通过时间查询相关时间段的数据形成相应的数据报表，同时报表还具有数据查询、打印、导出为EXCEL等功能。
11)、数据上传功能
现场监控站只是整个系统的最底层监控系统，它是最底层的数据采集系统，对于上层管理系统来说，它还包括数据上传到监控系统的功能。
本系统中，现场监控站与上层集中监控中心的通信方式GPRS方式。因此，数据上传功能使用紫金桥自带modbus主站方式将数据通过GPRS发送到监控中心。
12)、WEB发布功能
将监控中心中相关的数据画面通过紫金桥的WEB发布功能发布到INTERNET上，相关人员只需要通过各自电脑的IE浏览器就可以直接查看各个现场监控站的运行情况。
三、结束语
本系统设计融合了自动化组态、移动通信、广域网无线通信、ZIGBEE局域网无线通信等先进技术，能够实现农田定点采集、移动采集与传输功能。具有结构简单、功耗低、设计成本低、使用性强、监测数据实时显示实时上传和可重复性好等显著特点。