一、背景介紹

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精確農業(yè)，是當今世界農業(yè)發(fā)展的新潮流。傳統農業(yè)的模式已遠不能適應農業(yè)可持續發(fā)展的需要，產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，資源嚴重不足且普遍浪費，環(huán)境 污染，產(chǎn)品種類(lèi)需求多樣化等諸多問(wèn)題使農業(yè)的發(fā)展陷入惡性循環(huán)，而精確農業(yè)為現代農業(yè)的發(fā)展提供了一條光明之路，精確農業(yè)與傳統農業(yè)相比最大的特點(diǎn)是以高 新技術(shù)和科學(xué)管理?yè)Q取對資源的最大節約。它是由信息技術(shù)支持的根據空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現代化農事操作技術(shù)與管理的系統，其基本涵義是 根據作物生長(cháng)的土壤性狀，調節對作物的投入，即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農作物的生產(chǎn)目標，進(jìn)行定位的“系統診斷、優(yōu) 化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類(lèi)農業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和 環(huán)境效益。

自動(dòng)化控制系統可以在設定的條件下與遠端接收器通信，按照系統預先設定的程序對現場(chǎng)設備進(jìn)行開(kāi)、關(guān)等操作，還可以按照復雜的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現靈活的操作控制，另外，動(dòng)態(tài)信息采集分析技術(shù)也是重點(diǎn)應用，對現場(chǎng)的復雜數據進(jìn)行分析和管理。

紫金橋軟件在農田智能灌溉領(lǐng)域的應用主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器感應土壤的水分，并在設定條件下與接收器通信，控制灌溉系統的閥門(mén)打開(kāi)、關(guān)閉，從而達到自動(dòng)節水 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)，使灌區面積、節點(diǎn)數量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌組。加 上節點(diǎn)具有土壤、植物、氣象等測量采集裝置，利用通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與GPS技術(shù)結合，形成灌區動(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(zhuān)家系統技術(shù)等，可構建高效、低能耗、低投入、多功能的農業(yè)節水灌溉平臺。

二、農業(yè)信息管理系統

1、系統結構

農業(yè)節水及信息管理系統一般負責的區域比較大，如一個(gè)鄉、一個(gè)縣、一個(gè)市等。這樣大的區域，對于自動(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，為了將 這么大的區域中的相關(guān)信息進(jìn)行收集，需要將這些大的區域劃分為多個(gè)相對較小的區域，每個(gè)相對較小的區域再劃分出更小的控制單位，從而能達到一個(gè)自動(dòng)化控制 單元所能控制的范圍。為了實(shí)現上述設計目標，本系統包括現場(chǎng)采集傳感終端、控制終端、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )終端、監控中心系統平臺4部分組成。如下圖所示為系統架 構圖。
 

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(lèi)：

1)、數字溫濕度傳感器

該傳感器可實(shí)現相對溫度和濕度的環(huán)境信息測量，具備專(zhuān)業(yè)的數字化集成技術(shù)和溫濕度測量技術(shù)，保證數據的真實(shí)有效性。傳感器自身符合超低功耗設計，單線(xiàn)或者兩線(xiàn)串行接口連接方式，可直接與控制器連接實(shí)現數據傳輸。

2)、土壤水分傳感器

該傳感器可實(shí)現長(cháng)期無(wú)人值守的土壤含水量監測，外殼抗腐蝕能力強，可長(cháng)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)現表層土壤和深層土壤墑情的定點(diǎn)監測和在線(xiàn)測量，數據可直接由水分監測儀獲取，或者直接與控制器相連。

3)、光照強度傳感器

該傳感器用于對溫室大棚內可見(jiàn)光光照強度的測量，輸出信號符合通用標準，能夠根據當前的光照條件自動(dòng)調整量程范圍，從而在不同光照強度下均可保持準確的精度。

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，測量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實(shí)時(shí)感應濃度變化。其優(yōu)異的可靠性保證數據的準確性，避免其他氣體的交叉反應。

1.2、現場(chǎng)監控站

現場(chǎng)監控站作為整個(gè)農業(yè)節水及信息管理系統中的最小單元，也是整個(gè)監控系統的最底層控制系統，它負責整個(gè)系統的數據采集以及將采集到的數據傳送到上層集中監控中心的任務(wù)。

1.3、集中監控中心

集中監控中心通常與現場(chǎng)監控站之間通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)GPRS、3G或者WIFI等無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行連接，這種方式可以大大節省硬件成本，同時(shí)，數據的實(shí)時(shí) 性也能保證。集中監控中心作為整個(gè)農業(yè)節水和信息管理系統的中心層，不直接參與現場(chǎng)設備的控制，而是通過(guò)對現場(chǎng)監控站相關(guān)數據的分析以及歷史數據的分析， 形成先關(guān)的節水灌溉方案，各個(gè)現場(chǎng)控制站通過(guò)分析所得的方案進(jìn)行相應的現場(chǎng)控制。
集中監控中心根據其所管轄區域大小，將區域內所有現場(chǎng)監控站的信息進(jìn)行集中采集、展示、存儲、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(mén)查看分析。

2、系統功能

現場(chǎng)監控站

現場(chǎng)監控站一般設置在現場(chǎng)控制區域的泵房中，其中配置監控計算機一臺，實(shí)現對控制區域設備的信息采集和控制，安裝紫金橋組態(tài)軟件，每一個(gè)泵房設置一套。信 息管理系統中的現場(chǎng)監控站主要使用對象為非專(zhuān)業(yè)人士，因此，該系統的功能界面主要以簡(jiǎn)潔、明了、易于了解和經(jīng)濟適用為主。
 

該系統的功能主要有：

1)、數據采集與監視功能

現場(chǎng)監控站中由于各種管線(xiàn)與閥門(mén)鋪設的距離比較遠，使用有線(xiàn)數據采集的方式在監控成本和控制線(xiàn)纜鋪設上都不現實(shí)，因此，使用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn) 行數據采集。它是一種短距離的無(wú)線(xiàn)通信方式，對于在農田這種開(kāi)闊地帶使用比較有優(yōu)勢，它與RTU控制單元結合使用，采集泵房管理系統內的各個(gè)閥門(mén)與水泵的 控制信號，實(shí)現水泵和閥門(mén)的遠程控制，同時(shí)還采集相關(guān)的模擬量數據，如蓄水池水位、管道流量、過(guò)濾器前后水壓、電機電流、電壓、墑情、氣象等數據。

2)、畫(huà)面監控

畫(huà)面監控主要包括設備監控畫(huà)面、系統管理界面以及數據統計分析畫(huà)面。

A、設備監控界面按照現場(chǎng)監控站滴灌系統管道鋪設管線(xiàn)繪制田間滴灌分布圖，在圖上直觀(guān)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 續時(shí)間、當前系統時(shí)間顯示等信息。該界面可以對電磁閥的狀態(tài)統一實(shí)時(shí)查詢(xún)；輪灌啟動(dòng)、界面鎖定；電磁閥的單獨開(kāi)啟關(guān)閉、狀態(tài)查詢(xún)。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（不能控制設備，只能瀏覽查詢(xún)信息），只有通過(guò)密碼實(shí)現解鎖才能進(jìn)行控制操作。
 

B、數據統計分析畫(huà)面包括實(shí)時(shí)數據顯示和歷史數據顯示兩部分內容，顯示的數據有電機電壓、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、設備電壓等。

C、系統管理界面包括系統通訊診斷、系統設備拓撲結構圖、設備地址、時(shí)鐘、工作參數配置界面、設備列表、輪灌編輯界面、用戶(hù)管理界面、數據存儲設置、調閱、導出界面、設備通訊狀態(tài)、設備電池電壓，首部電壓電流、水位、水壓等錯誤或者數據超常報警設置等。

3)、設備控制功能

設備控制功能包括田間各個(gè)電磁閥與水泵的單獨控制以及電磁閥的輪灌控制。單獨控制時(shí)，可以在監控畫(huà)面上對每一個(gè)設備進(jìn)行單獨的打開(kāi)或關(guān)閉操作，當操作沒(méi)有反饋或反饋信息錯誤時(shí)能進(jìn)行相應的報警。
輪灌控制需要根據系統管理界面中對于輪灌功能的配置，系統自動(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)、數據存儲記錄功能

系統中采集的各種模擬量數據，如電壓、電流、水位、水壓、流量、土壤水分等都進(jìn)行記錄，數據記錄使用定時(shí)記錄的功能，數據保留時(shí)間為1年，數據記錄使用紫金橋數據庫完成。同時(shí)，在畫(huà)面上可以通過(guò)報表、曲線(xiàn)的方式進(jìn)行歷史記錄數據的查看。

5)、報警功能

報警功能主要針對重要的操作和模擬量超限進(jìn)行。

報警的方式根據現場(chǎng)計算機的條件可以有聲光和短信兩種方式，需要泵房監控系統中配置相應的音箱及短信發(fā)送模塊。
 

重要的報警能記錄到數據庫中進(jìn)行歷史報警的查詢(xún)功能。

6)、用戶(hù)管理功能

田間泵房管理系統的用戶(hù)主要包括系統操作的農民和相應參數設置的維護人員。不同用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)名和密碼登陸獲取不同的權限。

系統維護人員具有所有功能操作的權限（由于維護人員不是長(cháng)期駐守在泵房，所以參數維護由監控中心維護人員統一進(jìn)行遠程維護）。

7)、數據統計分析功能

數據分析統計功能是指對各個(gè)現場(chǎng)監控站數據進(jìn)行集中數據的存儲、曲線(xiàn)棒圖的對比分析、報表文件的查看等功能。

8)、數據存儲功能：將系統采集到的相關(guān)模擬量數據進(jìn)行集中歷史記錄，歷史記錄的時(shí)間間隔為30分鐘，數據的存儲周期為2到3年，數據存儲到數據存儲服務(wù)器中。

9)、曲線(xiàn)功能：在監控畫(huà)面中能將各個(gè)歷史記錄數據通過(guò)歷史曲線(xiàn)，圖的形式進(jìn)行展示，主要包括用水量曲線(xiàn)、流量曲線(xiàn)等。歷史曲線(xiàn)可以通過(guò)時(shí)間查詢(xún)不同時(shí)間段的曲線(xiàn)情況。

10)、報表功能：通過(guò)歷史記錄數據，可以形成系統的數據報表，包括日、月、年等報表，操作人員可以通過(guò)時(shí)間查詢(xún)相關(guān)時(shí)間段的數據形成相應的數據報表，同時(shí)報表還具有數據查詢(xún)、打印、導出為EXCEL等功能。

11)、數據上傳功能

現場(chǎng)監控站只是整個(gè)系統的最底層監控系統，它是最底層的數據采集系統，對于上層管理系統來(lái)說(shuō)，它還包括數據上傳到監控系統的功能。

本系統中，現場(chǎng)監控站與上層集中監控中心的通信方式GPRS方式。因此，數據上傳功能使用紫金橋自帶modbus主站方式將數據通過(guò)GPRS發(fā)送到監控中心。

12)、WEB發(fā)布功能

將監控中心中相關(guān)的數據畫(huà)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)現場(chǎng)監控站的運行情況。

三、結束語(yǔ)

本系統設計融合了自動(dòng)化組態(tài)、移動(dòng)通信、廣域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信、ZIGBEE局域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信等先進(jìn)技術(shù)，能夠實(shí)現農田定點(diǎn)采集、移動(dòng)采集與傳輸功能。具有結構簡(jiǎn)單、功耗低、設計成本低、使用性強、監測數據實(shí)時(shí)顯示實(shí)時(shí)上傳和可重復性好等顯著(zhù)特點(diǎn)。