一、背景介紹

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精確農(nóng)業(yè)，是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的模式已遠(yuǎn)不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，資源嚴(yán)重不足且普遍浪費(fèi)，環(huán)境污染，產(chǎn)品種類需求多樣化等諸多問(wèn)題使農(nóng)業(yè)的發(fā)展陷入惡性循環(huán)，而精確農(nóng)業(yè)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一條光明之路，精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比最大的特點(diǎn)是以高新技術(shù)和科學(xué)管理?yè)Q取對(duì)資源的最大節(jié)約。它是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以在設(shè)定的條件下與遠(yuǎn)端接收器通信，按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)、關(guān)等操作，還可以按照復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)靈活的操作控制，另外，動(dòng)態(tài)信息采集分析技術(shù)也是重點(diǎn)應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理。

紫金橋軟件在農(nóng)田智能灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用主要是通過(guò)無(wú)線傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開(kāi)、關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間同步等特點(diǎn)，使灌區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌組。加上節(jié)點(diǎn)具有土壤、植物、氣象等測(cè)量采集裝置，利用通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與GPS技術(shù)結(jié)合，形成灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息采集分析技術(shù)，配合作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等，可構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)。

二、農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)一般負(fù)責(zé)的區(qū)域比較大，如一個(gè)鄉(xiāng)、一個(gè)縣、一個(gè)市等。這樣大的區(qū)域，對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采集能力和通信能力都不可能實(shí)現(xiàn)，為了將這么大的區(qū)域中的相關(guān)信息進(jìn)行收集，需要將這些大的區(qū)域劃分為多個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，每個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域再劃分出更小的控制單位，從而能達(dá)到一個(gè)自動(dòng)化控制單元所能控制的范圍。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集傳感終端、控制終端、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)終端、監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺(tái)4部分組成。如下圖所示為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

1.1、傳感終端

環(huán)境信息采集單元主要由各種環(huán)境信息傳感器組成，包括以下幾類：

1)、數(shù)字溫濕度傳感器

該傳感器可實(shí)現(xiàn)相對(duì)溫度和濕度的環(huán)境信息測(cè)量，具備專業(yè)的數(shù)字化集成技術(shù)和溫濕度測(cè)量技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。傳感器自身符合超低功耗設(shè)計(jì)，單線或者兩線串行接口連接方式，可直接與控制器連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2)、土壤水分傳感器

該傳感器可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)人值守的土壤含水量監(jiān)測(cè)，外殼抗腐蝕能力強(qiáng)，可長(zhǎng)期深埋在土壤中而不會(huì)受到損壞，具備高精度、高靈敏度等特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)表層土壤和深層土壤墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量，數(shù)據(jù)可直接由水分監(jiān)測(cè)儀獲取，或者直接與控制器相連。

3)、光照強(qiáng)度傳感器

該傳感器用于對(duì)溫室大棚內(nèi)可見(jiàn)光光照強(qiáng)度的測(cè)量，輸出信號(hào)符合通用標(biāo)準(zhǔn)，能夠根據(jù)當(dāng)前的光照條件自動(dòng)調(diào)整量程范圍，從而在不同光照強(qiáng)度下均可保持準(zhǔn)確的精度。

4)、二氧化碳濃度傳感器

紅外二氧化碳濃度傳感器基于紅外光譜吸收原理，測(cè)量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實(shí)時(shí)感應(yīng)濃度變化。其優(yōu)異的可靠性保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免其他氣體的交叉反應(yīng)。

1.2、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站作為整個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)中的最小單元，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的最底層控制系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上層集中監(jiān)控中心的任務(wù)。

1.3、集中監(jiān)控中心

集中監(jiān)控中心通常與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站之間通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)GPRS、3G或者WIFI等無(wú)線通信方式進(jìn)行連接，這種方式可以大大節(jié)省硬件成本，同時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也能保證。集中監(jiān)控中心作為整個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水和信息管理系統(tǒng)的中心層，不直接參與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，而是通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站相關(guān)數(shù)據(jù)的分析以及歷史數(shù)據(jù)的分析，形成先關(guān)的節(jié)水灌溉方案，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)分析所得的方案進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制。

集中監(jiān)控中心根據(jù)其所管轄區(qū)域大小，將區(qū)域內(nèi)所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的信息進(jìn)行集中采集、展示、存儲(chǔ)、分析等。同時(shí)，通過(guò)紫金橋組態(tài)軟件的WEB發(fā)布功能，將所采集的信息發(fā)布到INTERNET上，供相關(guān)部門查看分析。

2、系統(tǒng)功能

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站一般設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)控制區(qū)域的泵房中，其中配置監(jiān)控計(jì)算機(jī)一臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制區(qū)域設(shè)備的信息采集和控制，安裝紫金橋組態(tài)軟件，每一個(gè)泵房設(shè)置一套。信息管理系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站主要使用對(duì)象為非專業(yè)人士，因此，該系統(tǒng)的功能界面主要以簡(jiǎn)潔、明了、易于了解和經(jīng)濟(jì)適用為主。

該系統(tǒng)的功能主要有：

1)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視功能

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站中由于各種管線與閥門鋪設(shè)的距離比較遠(yuǎn)，使用有線數(shù)據(jù)采集的方式在監(jiān)控成本和控制線纜鋪設(shè)上都不現(xiàn)實(shí)，因此，使用Zigbee無(wú)線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。它是一種短距離的無(wú)線通信方式，對(duì)于在農(nóng)田這種開(kāi)闊地帶使用比較有優(yōu)勢(shì)，它與RTU控制單元結(jié)合使用，采集泵房管理系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)閥門與水泵的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水泵和閥門的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)還采集相關(guān)的模擬量數(shù)據(jù)，如蓄水池水位、管道流量、過(guò)濾器前后水壓、電機(jī)電流、電壓、墑情、氣象等數(shù)據(jù)。

2)、畫面監(jiān)控

畫面監(jiān)控主要包括設(shè)備監(jiān)控畫面、系統(tǒng)管理界面以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析畫面。

A、設(shè)備監(jiān)控界面按照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站滴灌系統(tǒng)管道鋪設(shè)管線繪制田間滴灌分布圖，在圖上直觀顯示相關(guān)電磁閥的位置、狀態(tài)、是否啟用輪灌，正在灌溉的組別，灌溉持續(xù)時(shí)間、當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間顯示等信息。該界面可以對(duì)電磁閥的狀態(tài)統(tǒng)一實(shí)時(shí)查詢；輪灌啟動(dòng)、界面鎖定；電磁閥的單獨(dú)開(kāi)啟關(guān)閉、狀態(tài)查詢。界面鎖定以后（安全模式），整個(gè)界面上操作人員不能有任何操作動(dòng)作（不能控制設(shè)備，只能瀏覽查詢信息），只有通過(guò)密碼實(shí)現(xiàn)解鎖才能進(jìn)行控制操作。

B、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析畫面包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示兩部分內(nèi)容，顯示的數(shù)據(jù)有電機(jī)電壓、電流、蓄水池水位、過(guò)濾器前后水壓、出水口流量、土壤水分以及氣象站、設(shè)備電壓等。

C、系統(tǒng)管理界面包括系統(tǒng)通訊診斷、系統(tǒng)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、設(shè)備地址、時(shí)鐘、工作參數(shù)配置界面、設(shè)備列表、輪灌編輯界面、用戶管理界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置、調(diào)閱、導(dǎo)出界面、設(shè)備通訊狀態(tài)、設(shè)備電池電壓，首部電壓電流、水位、水壓等錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)超常報(bào)警設(shè)置等。

3)、設(shè)備控制功能

設(shè)備控制功能包括田間各個(gè)電磁閥與水泵的單獨(dú)控制以及電磁閥的輪灌控制。單獨(dú)控制時(shí)，可以在監(jiān)控畫面上對(duì)每一個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的打開(kāi)或關(guān)閉操作，當(dāng)操作沒(méi)有反饋或反饋信息錯(cuò)誤時(shí)能進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。

輪灌控制需要根據(jù)系統(tǒng)管理界面中對(duì)于輪灌功能的配置，系統(tǒng)自動(dòng)完成所有電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉控制以及打開(kāi)的時(shí)間等。

4)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄功能

系統(tǒng)中采集的各種模擬量數(shù)據(jù)，如電壓、電流、水位、水壓、流量、土壤水分等都進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)記錄使用定時(shí)記錄的功能，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為1年，數(shù)據(jù)記錄使用紫金橋數(shù)據(jù)庫(kù)完成。同時(shí)，在畫面上可以通過(guò)報(bào)表、曲線的方式進(jìn)行歷史記錄數(shù)據(jù)的查看。

5)、報(bào)警功能

報(bào)警功能主要針對(duì)重要的操作和模擬量超限進(jìn)行。

報(bào)警的方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的條件可以有聲光和短信兩種方式，需要泵房監(jiān)控系統(tǒng)中配置相應(yīng)的音箱及短信發(fā)送模塊。

重要的報(bào)警能記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行歷史報(bào)警的查詢功能。

6)、用戶管理功能

田間泵房管理系統(tǒng)的用戶主要包括系統(tǒng)操作的農(nóng)民和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的維護(hù)人員。不同用戶通過(guò)用戶名和密碼登陸獲取不同的權(quán)限。

系統(tǒng)維護(hù)人員具有所有功能操作的權(quán)限（由于維護(hù)人員不是長(zhǎng)期駐守在泵房，所以參數(shù)維護(hù)由監(jiān)控中心維護(hù)人員統(tǒng)一進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)）。

7)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)功能是指對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站數(shù)據(jù)進(jìn)行集中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、曲線棒圖的對(duì)比分析、報(bào)表文件的查看等功能。

8)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：將系統(tǒng)采集到的相關(guān)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中歷史記錄，歷史記錄的時(shí)間間隔為30分鐘，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)周期為2到3年，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中。

9)、曲線功能：在監(jiān)控畫面中能將各個(gè)歷史記錄數(shù)據(jù)通過(guò)歷史曲線，圖的形式進(jìn)行展示，主要包括用水量曲線、流量曲線等。歷史曲線可以通過(guò)時(shí)間查詢不同時(shí)間段的曲線情況。

10)、報(bào)表功能：通過(guò)歷史記錄數(shù)據(jù)，可以形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，包括日、月、年等報(bào)表，操作人員可以通過(guò)時(shí)間查詢相關(guān)時(shí)間段的數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)報(bào)表還具有數(shù)據(jù)查詢、打印、導(dǎo)出為EXCEL等功能。

11)、數(shù)據(jù)上傳功能

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站只是整個(gè)系統(tǒng)的最底層監(jiān)控系統(tǒng)，它是最底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)于上層管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它還包括數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

本系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站與上層集中監(jiān)控中心的通信方式GPRS方式。因此，數(shù)據(jù)上傳功能使用紫金橋自帶modbus主站方式將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送到監(jiān)控中心。

12)、WEB發(fā)布功能

將監(jiān)控中心中相關(guān)的數(shù)據(jù)畫面通過(guò)紫金橋的WEB發(fā)布功能發(fā)布到INTERNET上，相關(guān)人員只需要通過(guò)各自電腦的IE瀏覽器就可以直接查看各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的運(yùn)行情況。

三、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了自動(dòng)化組態(tài)、移動(dòng)通信、廣域網(wǎng)無(wú)線通信、ZIGBEE局域網(wǎng)無(wú)線通信等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田定點(diǎn)采集、移動(dòng)采集與傳輸功能。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、設(shè)計(jì)成本低、使用性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示實(shí)時(shí)上傳和可重復(fù)性好等顯著特點(diǎn)。