物联网开放平台在智慧农业监测系统中的应用

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　　[摘要]农作物生长环境监测是发展智慧农业必不可少的重要技术，目前很多传感器厂商都推出了多种专门用于采集农作物生长环境的数据采集装置，为智慧农业监测技术提供了必要技术支撑。在使用传统农作物生长环境数据采集装置的基础上，配合物联网开放平台设计了一种智慧农业监测系统。该系统以智慧农业监测为目标，农作物的种植管理者可通过智能手机等设备依靠互联网实时获取农作物生长环境数据，为智慧农业的进一步发展提供了有力的技术保障。
　　[关键词]智慧农业;物联网;监测系统
　　[中图分类号] S126
　　[文献标识码]A
　　1 引言
　　2020年中央1号文件指出要加强现代化农业设施建设。为了切实贯彻2020年中央1号文件的精神，就要求更近一步的发展作为现代农业生产高级阶段的智慧农业。智慧农业其本质是农业生产的自动化与信息化，是涉及多方面技术的协同与创新。农作物种植作为农业生产的基础，提高农作物的产量和品质也是加强现代化农业设施建设的目标之一。农作物种植的产量和品质与其生长环境密切相关，近年来设施农业技术的发展使得农作物的单位产量和品质相较以前有了很大提升，为了更好的控制设施农业中农作物生长环境，建立一套能实时监测设施农业内农作物生长环境的系统十分必要，在此基础上使用反馈控制的方式配合传统农业技术，采用信息化和自动化手段智能控制设施农业内农作物的生长环境，进一步提升农作物单位产量和品质。为了完成前述目标，考虑将物联网开放平台应用在传统设施农业中，设计面向智慧农业的监测系统对设施农业内农作物生长环境进行实时监测。
　　2物联网技术应用
　　物联网是在2005年1 1月27日的WSIS上由ITU所发布的《ITU互联网报告2005：物联网》报告中正式提出的。从2005年至今，物联网技术从初创逐步走向成熟，物联网技术最大的特点是对传统行业进行升级改造，例如当物联网技术和传统工业相结合时就有了工业4.0的诞生，当物联网技术与传统农业相结合时就有了智慧农业的发展。近年我国各大IT公司以“面向服务”的方式推动着物联网技术应用的发展， “物联网开放平台”是各大公司IT公司推广的部署本公司物联网技术应用的重点。近年来比较有代表性的物联网开放平台有：中国移动通信集团有限公司的OneNET物联网开放平台，华为技术有限公司的华为云IoT服务平台，阿里巴巴网络技术有限公司旗下的阿里云IoT服务平台，百度在线网络技术有限公司的百度天工。物联网开放平台的推广，使得中小企业将资金从基础设备投入转向应用场景设计研发，加速了物联网技术应用的实施。
　　3基于OneNET物联网开放平台的智慧农业监测系统
　　3.1 系统结构设计
　　智慧农业监测系统设计结构如图1所示。选用OneNET平台作为整个系统的核心，其主要完成数据采集命令的下达，采集数据的汇集存储，存储数据的可视化展示三个功能。在此基础上配合完成数据传输功能的4G-DTU模块和实现农作物生长环境数据采集功能的数据采集装置，最终完成面向智慧农业的监测系统设计。整个系统有两条非常重要的数据连接：一条是OneNET平台和4G-DTU模块通过TCP协议建立无线数据连接，另一条是4G- DTU模块和农作物生长环境数据采集装置通过RS-485总线进行有线数据连接。
　　系统工作原理流程如下： （ 1） OneNET平台以ModBus-RTU询问帧格式生成农作物生长环境数据采集命令的同时将该ModBus-RTU询问帧封装在TCP报文段中，通过OneNET平台与4G-DTU模块已经建立好的TCP无线数据将封装有ModBus-RTU询问帧的TCP报文段从OneNET平台发送至4G-DTU模块。（2）4G-DTU模块在接到封装有ModBus-RTU询问帧的TCP报文段后从中解析出ModBus-RTU询问帧，通过自带的RS-485接口将ModBus-RTU询问帧发送到RS-485总线上。（3）在RS-485总线上连接的农作物生长环境数据采集装置在接收到总线上ModBus-RTU询问帧后会根据其中的地址信息核对该命令是否是发给自己的，如果是则将采集好的农作物生长环境数据以ModBus-RTU应答帧的格式将其发送至RS-485总线上，如果不是则忽略。（ 4） 4G-DTU模块通过RS-485总线接收包含农作物生长环境数据的ModBus-RTU应答帧，在此之后将该ModBus-RTU应答帧封装在TCP报文段中。（5）通过OneNET平台与4G-DTU模块已经建立好的TCP无线数据将带有ModBus-RTU应答帧的TCP报文段从4G-DTU模块发送到OneNET平台。 （6） OneNET从封装有ModBus-RTU应答帧的TCP报文段中提取出农作物生长环境数据，经过一定的處理后将其存储起来用于数据可视化展示。
　　3.2农作物生长环境采集装置
　　对于设施农业来说，设施内的温湿度对农作物生长有十分重要的影响，因此选用温度和湿度作为智慧农业监测系统的主要监测对象。针对设施农业内温度和湿度数据的采集问题，选用建大仁科公司的RS-WS-N01-8型温湿度变送器作为农作物生长环境数据采集装置。RS-WS-N01-8型温湿度变送器主要技术指标如表l所示。
　　3.3 4G-DTU模块
　　4G-DTU模块的主要作用是建立OneNET平台与农作物生长环境数据采集装置的数据通路，一方面使得OneNET平台所发送的包含数据采集信息的ModBus-RTU询问帧可以正常传送到对应的采集装置，另一方面农作物生长环境数据采集装置所采集的农作物生长环境数据可以通过ModBus-RTU应答帧正常上传至OneNET平台。选用有人物联网USR-G781型4G-DTU模块完成上述工作，其相关技术指标如表2所示。
　　3.4 0neNET平台
　　OneNET平台是由中国移动通信集团公司下属中国移动物联网有限公司推出的物联网开放平台，其主要提供的服务分为基础服务和增值服务两类。基础服务主要功能是完成需要联网设备的接入，增值服务主要功能是在基础服务的提供数据分析、数据处理、数据可视化等服务。目前OneNET平台所能提供的具体服务如图2所示，智慧农业监测系统主要用到基础服务下多协议接人中的ModBus协议接入。 　　4系统配置
　　4.1 RS-WS-N01-8温湿度变送器配置
　　RS-WS-N01-8温湿度变送器配置连接如图3所示，使用USB转485转换器桥接计算机和RS-WS-N01-8温湿度变送器，在计算机上运行配置软件对RS-WS-N01-8型温湿度变送器进行配置。
　　4.2 USR-G781型4G-DTU配置与测试
　　USR-G781型4C-DTU配置连接如图4所示，依然使用USB转485转换器桥接计算机和USR-G781型4G-DTU配置，在计算机上运行配置软件对USR-G781型4G-DTU进行配置。
　　4.3 0neNET平台配置
　　OneNET配置主要是在平台上建立一个用于接收监测数据的产品，该产品主要信息配置如图5所示，其中产品ID，DTU序列号和DTU密码三个参数十分重要，主要用于OneNET平台与4G-DTU模块在无线TCP连接建立之后4G-DTU模块登录产品的鉴权工作。4G-DTU模块成功登录OneNET建立的产品后，就保证了产品与农作物生长环境采集装置之间数据链路的畅通。
　　5系统测试
　　5.1 0neNET平台添加采样数据流
　　系统测试的第一步就是给OneNET平台上已经建立好的产品添加用于记录农作物生长环境数据的采样数据流，采样数据流和监测设备的个数一一对应。OneNET平台在接收到RS-WS-N01-8温湿度变送器通过USR-G781型4G-DTU上传来的温度和湿度数据后，就会将其推送至对应产品所属的采样数据流进行展示。采样数据添加配置如图6所示，其中采样数据命令选项要和USR-G781型温湿度变送器相关配置数据配套，保证采样数据流可以正确接收到USR-G781型温湿度变送器所采集到的数据。
　　5.2 USR-G781型4G-DTU登录OneNET平台
　　系统测试的第二步就是在建立的USR-G781型4G-DTU與OneNET平台之间的无线TCP连接的基础上，USR-G781型4C-DTU发送正确的鉴权数据包使其能成功登录到OneNET平台上所建立的产品，保证的产品与RS-WS-N01-8温湿度变送器之间能正确的交互ModBus-RTU询问和应答信息帧，与此同时还要确保USR-G781型4G-DTU与OneNET平台之间的TCP连接不中断。因此在配置USR-G781型4G-DTU时除了要保证能正确连接OneNET平台的TCP连接服务信息之外还要配置注册包和心跳包，注册包能使USR-G781型4G-DTU正确登录OneNET平台上建立的产品，心跳包用于保证USR-G781型4G-DTU与OneNET平台的无线TCP连接不会无故中断，USR-G781型4C-DTU模块配置如图7所示。
　　5.3 0neNET平台添加设计监测用API
　　系统测试的第三步就是在OneNET平台设计用于监测数据展示的API，设施农业的管理者可以使用智能手机或计算机通过网络访问该API，这样可以实时的监测设施农业内RS-WS-N01-8温湿度变送器所测量的温度和湿度数据，为进一步实现农作物生长环境智能控制提供必要的研究基础。图8为使用智能手机通过网络访问该API查询监测数据。
　　6总结
　　农作物的产量和品质与其生长环境密切相关，近年来设施农业技术的发展使得农作物的单位产量和品质相较以前有了很大的提升，为了更好的控制设施农业中农作物生长环境，建立一套能实时监测设施农业内农作物生长环境的系统是十分必要的。本文在使用传统农作物生长环境数据采集装置的基础上，配合物联网开放平台设计了一种智慧农业监测系统。该系统以智慧农业监测为目标，农作物的种植管理者可通过智能手机等设备依靠互联网实时获取农作物生长环境数据，在此基础上使用反馈控制的方式配合传统农业技术，采用信息化和自动化手段智能控制设施农业内农作物的生长环境，为智慧农业的更进一步发展提供了有力的技术保障。
　　【参考文献】
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　　[收稿日期] 2020-07-08
　　[基金项目] 2019年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“面向智慧农业的物联网监测系统设计”项目资助（编号：2019KY0784）;广西科技计划项目重点研发计划“基于物联网的酒红球盖菇生态高产栽培技术研究及应用示范”项目资助（编号：2018AB44094）;广西民族师范学院服务地方经济社会发展专项项目“家庭微型工厂食用菌生产关键技术研究扶贫应用示范”项目资助（编号：2018FW004）;
　　[作者简介]宋俊慷（1989-），男，陕西汉中人，讲师、工程师，硕士，研究方向：物联网数据传输和接人技术，物联网应用技术。
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