CN103442052B - 农田作物生长信息远程监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田作物生长信息远程监测装置，包括：N个作物生长信息监测节点、至少1个智慧农业网关、远程监测服务平台和若干个监测终端。其中作物生长信息监测节点离散地部署在农田中，构成信息无线传感网络；智慧农业网关部署于农田中，作物生长信息监测节点与智慧农业网关双向无线连接；远程监测服务平台部署于监控中心，智慧农业网关与远程监测服务平台双向无线连接，若干个监测终端通过Web浏览器访问监测服务平台。本发明还提供一种农田作物生长信息多路径并行远程接入方法。本发明满足多个农田场景下作物、大气、土壤信息并行、快速、可靠、实时传输，实现了农田信息低成本、连续、实时远程监测。

Description

农田作物生长信息远程监测装置及方法

技术领域

本发明涉及物联网技术，尤其涉及基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测，属于农业物联网领域。

背景技术

农田作物生长状况、生态环境以及土壤信息的获取与传输是监控中心获取农田信息，精确管理作物生产的关键，对于发展优质、高产、高效、生态、安全的农业生产尤为重要。然而，以“破坏性取样与化学分析”为特征的传统测试手段不仅费时费力，而且时效性差，常导致生产中普遍过量施肥（特别是氮肥）或肥料施用不足（如部分微量元素），造成生产成本上升、环境污染和土地可持续生产能力下降。

目前，基于传感器技术的单点采样方式虽具有精细探测农田信息的能力，但存在监测范围小、监测指标单一、监测时间不连续等缺点，无法为田间作物精确管理提供实时信息；基于传感器技术的有线网络采样方式虽然具备大规模监测能力，但需要在农田铺设大量的线路，尤其在采样点多而分散的情况下，线路铺设成本高，可靠性低；而且农田一般远离监测中心，架设通信线路成本高、维护难度大，使得数据低成本、可靠地远程传输成为瓶颈。

因此，必须要瞄准现代农业科技前沿，围绕农田信息获取技术发展的瓶颈，大力推进农业信息化、智能化技术，集成先进传感器技术和物联网等高新技术，实现农业生产管理过程中对作物、环境、土壤的实时监测，快速获取作物生长状况、生态环境以及水肥状况，为作物生产全程管理提供丰富的实时数据资源与决策支持，促进作物生产管理向数字化和智慧化方向发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置及其方法。该装置能够在农田开放环境下长期、连续、实时、远程监测作物氮含量、氮积累量、叶面积指数、生物量等生长指标，作物冠层温度、湿度、CO2浓度、光照强度等生态环境信息，以及农田土壤含水率、土壤温度等信息；诊断作物长势状况，精确运筹水肥供给。

本发明为了解决上述问题采用以下技术方案：

一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，包括：N个作物生长信息监测节点、至少1个网关装置、远程监测服务平台和若干个监测终端；其中，所述N个作物生长信息监测节点离散地部署在农田中，构成信息无线传感网络；所述网关装置部署于农田中，作物生长信息监测节点以单跳方式或者多跳方式与网关装置双向无线连接；所述远程监测服务平台部署于监控中心，网关装置以以太网模式或者GPRS模式与远程监测服务平台双向无线连接；所述若干个监测终端通过Web浏览器访问监测服务平台，N为大于等于1的自然数。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述远程监测平台包括服务器、通信模块、数据模块和应用模块；其中，通信模块与数据模块、应用模块依次相连；通信模块、数据模块、应用模块与服务器相连，并运行于服务器环境下。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述通信模块包括通信单元和处理单元；其中通信单元通过Socket接口与服务器特定的端点绑定，连接网关装置，远程接收不同农区的网关装置发来的数据；所述处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并通过ADO.NET接口，将数据传至数据模块。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述数据模块包括监测数据单元、实时监测数据单元、监测类型单元、节点信息单元、用户账户信息单元；其中：

监测数据单元用于存放田间无线传感器网络发送至服务器的所有数据；

实时监测数据单元用于存放田间无线传感器网络最近一次采集数据；

监测类型单元用于记录作物生长信息监测节点的监测类型以及各种监测类型的数值范围；

节点信息单元用于记录田间作物生长信息监测节点的标识信息、位置信息、部署时间；

用户账户信息单元用于记录用户登录平台所需的账号和密码信息。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述应用模块采用B/S结构的模式设计，包括：作物生长信息监测节点部署单元、实时监控单元、设备管理单元、数据管理单元、后台管理单元；其中：

作物生长信息监测节点部署单元用来部署田间无线传感网络节点，并以空间地图方式显示；

实时监控单元用于显示田间无线传感网络采集的各种数据；

设备管理单元用于服务器发送控制命令，对田间作物生长信息监测节点进行启动、休眠控制，同时还提供输入接口，对作物生长信息监测节点的信息、采集频率进行设置；

数据管理单元用于提供远程监测平台存储数据的查询、导出和分析；

后台管理单元用于设置基础参数，包括基本设置、用户信息管理、设备管理。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述数据管理单元采用GridView控件动态绑定数据源实现数据查询；采用Chart Controls控件动态绑定数据源实现数据的曲线分析。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述网关装置为智慧农业网关，包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和用于供电的电源模块；其中：

协调器模块，用于采用Zigbee技术建立并管理作物生长信息无线采集网络；包括第一微处理器、数据存储器、无线ZigBee模块和第一吸盘天线；

远程接入模块，用于管理远程接入，实现农田开放环境下作物生长信息收集与传输；包括第二微处理器、GPRS模块、以太网模块、第二吸盘天线；

其中：所述第一微处理器通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器；所述第一吸盘天线与无线ZigBee模块相连；所述第一微处理器通过无线ZigBee模块收集作物生长信息监测节点的数据，然后将收集的数据存放至数据存储器，并同时提交给第二微处理器；所述第二微处理器通过UART接口与GPRS模块串接；所述GPRS模块连接第二吸盘天线；所述第二微处理器通过串行SPI接口与以太网模块连接；所述以太网模块连接RJ45接口；第二微处理器将第一微处理器提交的数据通过GPRS模块或以太网模块发送至远程服务器；

管理控制模块，用于当环境温度高于预设温度值时，降低环境温度；包括温度传感器、电流驱动模块、继电器、风扇；其中，所述温度传感器与第一微处理器、电流驱动模块、继电器线圈依次连接；所述继电器常开触点连接风扇开关；当农田环境温度超过第一微处理器预设温度值时，由第一微处理器输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

进一步的，本发明的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，所述作物生长信息监测节点为多光谱作物生长传感器。

本发明还提出一种基于物联网技术的农田作物生长信息多路径并行远程接入方法，采用如下步骤：

步骤1），将作物生长信息监测节点以单跳或多跳方式自组织采集网络，并在网关装置的控制下上传采集数据；

步骤2），远程监测平台实例化Socket类并绑定服务器端口，开启异步线程循环监听该端口；

步骤3），当远程监测平台接收到网关装置发送数据请求后，与网关装置建立连接，并创建新Socket实例负责接收网关装置传回的数据，或者向网关装置发送操作命令；

步骤4），与步骤3）同时，远程监测平台开启新线程继续监听其他网关装置的连接请求；当有其他网关装置发送数据请求时，远程监测平台以多路径并行模式工作，在新线程上建立连接，开始接收数据；

步骤5），并行工作的各条路径数据接收完成后，存储于数据库，断开相应线程上的连接，释放关联资源；

步骤6），重复步骤3）、步骤4）、步骤5），实时远程监测。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明的一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测***，以无线传感器网络形式多点、协同采集作物生长信息、生态环境信息、土壤信息，以无线通信方式远程传输至监测平台，监测终端可以通过Web浏览器实时访问农田作物、大气、土壤信息，下载所需数据，并能对智慧农业网关进行远程控制，配置分布在田间的作物生长信息监测节点。实现了农田信息低成本、高可靠、实时远程监测。

2、本发明的一种基于物联网技术的农田作物生长信息多路径并行远程接入方法，克服了监测平台远程等待连接 “假死”现象以及不能同时连接、处理、接收多个智慧农业网关的问题。

附图说明

图1是基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置结构示意图。

图2是远程监测平台多路径并行接入流程图。

图3为本发明一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关结构示意图。

图4为本发明一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，包括：N个作物生长信息监测节点（N≧1）、至少1个智慧农业网关、远程监测服务平台和若干个监测终端。N个作物生长信息监测节点离散地部署在农田中，构成信息无线传感网络。智慧农业网关部署于农田中，作物生长信息监测节点以单跳方式或者多跳方式与智慧农业网关Zigbee780MHz频段双向无线连接。智慧农业网关以以太网模式或者GPRS模式与远程监测服务平台双向无线连接。

远程监测平台包括服务器、通信模块、数据模块和应用模块。通信模块与数据模块、应用模块依次相连；通信模块、数据模块、应用模块与服务器相连，并运行于服务器环境下。

通信模块包括通信单元和处理单元，通信单元通过Socket接口与服务器特定的端点绑定，连接智慧农业网关，远程接收不同农区智慧农业网关发来的数据；处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并通过ADO.NET接口，将数据传至数据模块。

数据模块包括监测数据单元、实时监测数据单元、监测类型单元、节点信息单元、用户账户信息单元等，监测数据单元用于存放田间无线传感器网络发送至服务器的所有数据；实时监测数据单元用于存放无线田间无线传感器网络最近一次采集数据；监测类型单元用于记录作物生长信息监测节点的监测类型以及各种监测类型的数值范围；节点信息单元用于记录田间作物生长信息监测节点的标识信息（MAC地址）、位置信息、部署时间等；用户账户信息单元用于记录用户登录平台所需的账号和密码信息。

应用模块采用B/S结构的模式设计，包括：作物生长信息监测节点部署单元、实时监控单元、设备管理单元、数据管理单元、后台管理单元，作物生长信息监测节点部署单元用来部署田间无线传感网络节点，并以空间地图方式显示；实时监控单元用于显示田间无线传感网络采集的各种数据；设备管理单元用于服务器发送控制命令，对田间作物生长信息监测节点进行启动、休眠控制，同时还提供输入接口，对采集终端的信息、采集频率等进行设置；数据管理单元用于提供远程监测平台存储数据的查询、导出和分析；后台管理单元用于设置一些基础参数，包括基本设置、用户信息管理、设备管理等。多个监测终端通过Web浏览器实时访问远程监测平台。

本申请中所采用的作物生长信息监测节点是在申请人申请的“ 一种田间作物生长信息无损快速检测装置及检测方法（公开号：CN102768186A）和“一种作物-大气-土壤信息无线采集终端及采集方法”（公开号：CN103035112A）中公开的一种多光谱作物生长传感器，该传感器包括上行光光谱传感器、下行光光谱传感器、固定支架、活动支撑杆、四芯屏蔽传输导线。通过检测作物生长指标敏感波段处的太阳光谱辐射信息和作物冠层反射光谱信息，耦合作物生长指标光谱监测模型，其主要按一定时序协同采集作物生理信息，并通过Zigbee780MHz频段自组织无线传感器网络，实现了作物叶层氮含量、叶层氮积累量、叶面积指数和叶干重等生长信息实时、无损、在线获取。

参照图2，远程监测平台实例化Socket类并绑定指定的端口，开启异步线程循环监听此端口，主线程可以继续执行自己的操作而不需要一直等待智慧农业网关的连接请求；当智慧农业网关需要发送数据时，向监测平台发送连接请求，监测平台收到连接请求后同智慧农业网关建立连接，创建一个新的Socket实例负责接收数据，同时，远程监测平台开启新线程继续监听其他智慧农业网关的连接请求；当有其他智慧农业网关发送数据请求时，远程监测平台以多路径并行模式工作，在新线程上建立连接，开始接收数据。智慧农业网关连接成功后开始向监测平台发送数据，监测平台接收数据并做相应处理操作，同时监测平台可以向智慧农业网关发送数据进行通信，在未断开此连接之前，监测平台和智慧农业网关可以进行多次接收与发送操作相互通信；相关操作处理完成，监测平台断开连接，释放关联的资源。

本发明还提供一种基于物联网技术的农田作物生长信息多路径并行远程接入方法，采用如下步骤：

步骤1），将作物生长信息监测节点以单跳或多跳方式自组织采集网络，并在智慧农业网关的控制下上传采集数据；

步骤2），远程监测平台实例化Socket类并绑定服务器端口，开启异步线程循环监听该端口；

步骤3），当远程监测平台接收到智慧农业网关发送数据请求后，与智慧农业网关建立连接，并创建新Socket实例负责接收智慧农业网关传回的数据，也可以向智慧农业网关发送操作命令；

步骤4），与步骤3）同时，远程监测平台开启新线程继续监听其他智慧农业网关的连接请求；当有其他智慧农业网关发送数据请求时，远程监测平台以多路径并行模式工作，在新线程上建立连接，开始接收数据。

步骤5），并行工作的各条路径数据接收完成后，存储于数据库，断开相应线程上的连接，释放关联资源；

步骤6），重复步骤3）、步骤4）、步骤5）。

如图3所示，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置，包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和电源模块；协调器模块连接管理控制模块，协调器模块串接远程接入模块，电源模块分别连接协调器模块、远程接入模块和管理控制模块。其中，协调器模块包括微处理器1、数据存储器、无线ZigBee模块和吸盘天线1；微处理器1通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器，吸盘天线1与无线ZigBee模块相连，微处理器1用于运行无线ZigBee模块驱动、Zigbee协议、收集多光谱作物生长传感器节点数据，并将收集的数据存放至数据存储器，同时提交给微处理器2；远程接入模块包括微处理器2、GPRS模块、以太网模块和RJ45接口；微处理器2通过UART接口与GPRS模块串接，GPRS模块连接吸盘天线2，微处理器2通过串行SPI接口与以太网模块连接，以太网模块连接RJ45接口，微处理器2用于判断远程接入方式、运行GPRS模块驱动、TCP协议、将MUC1提交的数据发至服务器；微处理器1通过UART接口串接微处理器2；管理控制模块包括温度传感器、微处理器1、电流驱动模块、继电器、风扇；温度传感器与微处理器1、电流驱动模块、继电器线圈依次连接，继电器常开触点连接风扇开关，当农田环境温度过高，超过微处理器1预设温度值，微处理器1输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

参考图4，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，采用如下步骤：

（1）网关启动，进行远程接入方式判断，确定数据上传方式。若确认为GPRS连接，网关配置GPRS参数；若确认为以太网连接，网关配置以太网参数；

（2）建立ZigBee网络、传输网络信标；

（3）网关启动作物生长信息无线传感器网络路由算法，准备接收多光谱作物生长传感器节点数据；

（4）监听多光谱作物生长传感器节点，判断是否收集到节点数据，如果收集到节点数据，对数据异常进行判断，如果没有收集到数据，继续监听多光谱作物生长传感器节点；

（5）若数据正常，则存储于数据存储器中，并通过GPRS或者以太网模式上传数据至远程服务器。

参考图4，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，其路由算法采用功率动态管理机制降低多光谱作物生长传感器节点功耗，提高作物生长信息无线采集网络生存周期，包括如下步骤：

（1）作物生长信息无线传感器网络中各个多光谱作物生长传感器节点以单跳形成连续发送N帧（N≦4）采集数据至网关；

（2）网关监听各个多光谱作生长传感器节点信号强度，依据MAX-MIN原则（即寻求信号强度极大值的原则），筛选出1个工作节点，其余节点进入深度休眠状态；

（3）工作节点在每个工作周期，定时向网关发送采集数据；网关收集到工作节点的数据，与上一个周期数据进行差值，若差值结果没有超过网关设定的阈值，网关灰色预测深度休眠节点采集数据；

（4）若差值结果超过网关设定的阈值，则网关向作物生长信息无线采集网络休眠节点发出激活命令，各节点采集作物生长信息发送至网关；同时，根据各节点信号强度，用MAX-MIN原则，转换工作节点，其余节点进入深度休眠状态；

（5）重复步骤（3）-（4），直至遍历作物生长信息无线采集网络中所有多光谱作物生传感器节点。

参考图4，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，其网关灰色预测深度休眠节点采集数据，包括如下步骤：

（1）根据多光谱作物生长传感器节点初始发送的N帧（N≦4）采集数据，构建一阶累加灰序列；

（2）构建累加灰序列的紧邻均值生成序列；

（3）构建一阶单变量灰色模型GM(1，1)，用最小二乘法进行参数估计得到模型参数的求解；

（4）求解原始序列的灰色模型，求得深度休眠节点预测数据。

Claims (5)

1.一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，其特征在于，包括：N个作物生长信息监测节点、至少1个网关装置、远程监测服务平台和若干个监测终端；其中，所述N个作物生长信息监测节点离散地部署在农田中，构成信息无线传感网络；所述网关装置部署于农田中，作物生长信息监测节点以单跳方式或者多跳方式与所述网关装置双向无线连接；所述远程监测服务平台部署于监控中心，所述网关装置以以太网模式或者GPRS模式与远程监测服务平台双向无线连接；所述若干个监测终端通过Web浏览器访问监测服务平台，N为大于等于1的自然数；所述远程监测服务平台包括服务器、通信模块、数据模块和应用模块；其中，通信模块与数据模块、应用模块依次相连；通信模块、数据模块、应用模块与服务器相连，并运行于服务器环境下；

所述应用模块采用B/S结构的模式设计，包括：作物生长信息监测节点部署单元、实时监控单元、设备管理单元、数据管理单元、后台管理单元；其中：

作物生长信息监测节点部署单元，用来部署田间无线传感网络节点，并以空间地图方式显示；

实时监控单元，用于显示田间无线传感网络采集的各种数据；

设备管理单元，用于服务器发送控制命令，对田间作物生长信息监测节点进行启动、休眠控制，同时还提供输入接口，对作物生长信息监测节点的信息、采集频率进行设置；

数据管理单元，用于提供远程监测服务平台存储数据的查询、导出和分析；

后台管理单元，用于设置基础参数，包括基本设置、用户信息管理、设备管理；

所述网关装置为智慧农业网关，所述智慧农业网关包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和用于供电的电源模块；其中：

协调器模块，用于采用Zigbee技术建立并管理作物生长信息无线采集网络；包括第一微处理器、数据存储器、无线ZigBee模块和第一吸盘天线；

远程接入模块，用于管理远程接入，实现农田开放环境下作物生长信息收集与传输；包括第二微处理器、GPRS模块、以太网模块、第二吸盘天线；

其中：所述第一微处理器通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器；所述第一吸盘天线与无线ZigBee模块相连；所述第一微处理器通过无线ZigBee模块收集作物生长信息监测节点的数据，然后将收集的数据存放至数据存储器，并同时提交给第二微处理器；所述第二微处理器通过UART接口与GPRS模块串接；所述GPRS模块连接第二吸盘天线；所述第二微处理器通过串行SPI接口与以太网模块连接；所述以太网模块连接RJ45接口；第二微处理器将第一微处理器提交的数据通过GPRS模块或以太网模块发送至远程服务器；

管理控制模块，用于当环境温度高于预设温度值时，降低环境温度；包括温度传感器、电流驱动模块、继电器、风扇；其中，所述温度传感器与第一微处理器、电流驱动模块、继电器线圈依次连接；所述继电器常开触点连接风扇开关；当农田环境温度超过第一微处理器预设温度值时，由第一微处理器输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，其特征在于，所述通信模块包括通信单元和处理单元；其中通信单元通过Socket接口与服务器特定的端口绑定，连接网关装置，远程接收不同农区的网关装置发来的数据；所述处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并通过ADO.NET接口，将数据传至数据模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，其特征在于，所述数据模块包括监测数据单元、实时监测数据单元、监测类型单元、节点信息单元、用户账户信息单元；其中：

监测数据单元用于存放田间无线传感器网络发送至服务器的所有数据；

实时监测数据单元用于存放田间无线传感器网络最近一次采集数据；

监测类型单元用于记录作物生长信息监测节点的监测类型以及各种监测类型的数值范围；

节点信息单元用于记录田间作物生长信息监测节点的标识信息、位置信息、部署时间；

用户账户信息单元用于记录用户登录平台所需的账号和密码信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，其特征在于，所述数据管理单元采用GridView控件动态绑定数据源实现数据查询；采用ChartControls控件动态绑定数据源实现数据的曲线分析。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于物联网技术的农田作物生长信息远程监测装置，其特征在于，所述作物生长信息监测节点为多光谱作物生长传感器。