数据采集传输控制系统在农业物联网中的应用

引 言

目前，在全球人口持续增长、耕地不断减少、自然资源 匮乏的情况下，农业的高效增产、绿色环保、有机天然备受关注。 研发农业物联网智能化操作终端、建立农业信息化数据库来精 准耕作、指导生产是未来农业的发展趋势。农业物联网是农 业应用平台、生产物联动控制系统和数据采集系统三大系统 利用感知硬件设备、网络平台技术、云计算方法，来实现农 业信息数字化、农业生产自动化、农业管理智能化，从而构建 低碳节能、高效高产、绿色生态的现代农业体系。农业物联网 关键技术和产品的发展需要经过“培育、成长和成熟”的过程， 预计成熟应用将在 2020 年前后。我国仍然以传统农业生产方 式为主，农业机械化水平是日本的 1/90，法国的 1/11，美国的 1/5，这种状况不仅与发达国家难以比拟，而且低于世界平均 水平。农业物联网感知层设备、智能控制应用标准不统一、造 价过高、缺少规模化，农业物联网应用技术和系统集成度低、 整体效能差。

据统计数据分析，通过对温度、降雨量及湿度、风、光 照等种植环境因素进行监控，可有效避免 85% 以上病虫害的 发生。我国传感器规模约 1 500 万只 / 年，并保持每年 10% 的 增长率。由于这些传感器来自不同的厂家，因此接口、数据格 式不统一。同时，所产生的大量数据需要传输，而农业环境供电、 布线困难，导致所采集的数据各自为营，很难将其集中统一提 供给上层应用平台。另外，对农业设施、器械的控制使用也 耗费了大量人力、物力。

数据采集传输控制系统可以适配主流传感器厂商的主流 产品，统一前端传感器采集数据的数据格式，内置 SIM 卡模 块及程序控制模块，既可以使用有线传输也可以通过 M2M 物 联网卡传输，并且经过上层应用平台的数据分析后，可以自动 或手动地对农用设备进行联动控制。

1 数据采集控制系统的原理

目前，业内对前端传感器的数据采集支持 485总线接入， 该数据采集控制系统可以接入各种端口的传感器设备，并统一数据格式，传输给上层平台。

数据采集传输控制系统采用模块化设计，主要由电源、DC/DC，ARM，ADC，PGA，GPRS网络接口以及MCU等组成。 ARM芯片上集成了众多外设，具有八通道 10位 ADC，可并行接入８个传感器设备信号，可扩展性强，传输方式灵活，既可采用有线网络也可采用无线网络，适应各种不同场景的需求。通过信号转换、数据处理，统一输出数据格式。数据采集传输控制系统架构如图 1所示。

图1 数据采集传输控制系统架构

ARM 芯片采用 RISC 结构，具有如下优点 ：

（1）所有指令可以根据前面的执行结果决定是否被执行， 从而提高指令的执行效率 ；

（2）通过加载 / 存储指令来批量传输数据，提高了数据 的传输效率 ；

（3）可同时完成一条处理指令的逻辑处理和移位处理 ；

（4）循环处理时，通过地址自动增减来提高运行效率。

数据采集传输控制系统嵌入无线通信模块，通过物联网 卡进行 GPRS PPP 拨号上网，获得一个由联通随机分配的内 部 IP 地址，ULG 主动发起与数据中心的通信连接，并保持。 因 IP 地址不固定，只能由 ULG 主动连接数据中心，数据中心 的公网 IP 地址或固定的域名作为参数存储在 ULG 内，以便 ULG上电拨号成功后主动连接到数据中心。

对于 ULG 来说，只要建立了与数据中心的双向通信，完 成用户串口数据与 GPRS 网络数据包的转换就相对简单了。一 旦接收到用户的串口数据，ULG 就立即把串口数据封装在一 个 TCP/UDP 包里，发送给数据中心 ；反之，当 ULG 收到数 据中心发来的 TCP/UDP 包时，从中取出数据内容，立即通过 串口发送给用户设备。

2 数据采集控制系统的特点和应用

本文所提架构使采集控制传输成为一体化设备，ARM 芯 片上可集成各种模块，简化电路板设计，使得系统更加稳定， 节省硬件投资成本 ；具有多通道 ADC，可并行接入多个传感 器设备信号，可扩展性强 ；传输方式灵活，即可采用有线网络 也可采用无线网络，适应各种不同场景的需求；通过信号转换、 数据处理，可采集不同品牌、接口类型的传感器数据，统一输 出数据格式；体积小，方便放置，减少传感器布线和维护成本。

基于 ARM 的数据采集传输控制系统在农业物联网中的 应用如图２所示。在智慧农业大田自动灌溉系统中，将采集到 的前端传感器检测的土壤温湿度、农业“四情”等数据统一上 传到数据管理平台，对数据进行分析后，通过数据采即传输 控制系统对后端设备进行联动控制，包括自动灌溉系统、水肥 一体化等。与传统的灌溉方式和施肥技术相比，能节水、节 肥 85% 以上。

自动化农业温室大棚如图 3 所示。首先，数据采集传输 控制系统采集前端传感器的实时作物生长环境数据信息和实 时视频信息 ；然后，将数据统一格式后上传到数据平台进行 分析；最后，联动控制后端的风机、遮阳幕、补光灯的自动开 启关闭，从而为农作物的生长提供适宜的环境，节省人力、提 高产量、提高农产品附加值。

智慧畜牧养殖系统如图 4 所示。数据采集传输控制系统采 集传感器检测到的棚舍内的温湿度，光照度，O2，CO2，NH3 等气体浓度，待环境数据达到规则数据后联动控制风机、遮阳 幕等，为动物提供更好的生活环境，并可自动添水添料。通过 定位技术实现对动物的精准定位，防止丢失。同时，使用电子 耳标采集从出生到屠宰加工的数据，从而达到溯源的目的。

智慧水产养殖系统如图 5 所示。数据采集传输控制系统 采集圈内的实时视频信息、水质温度、水质溶解氧、水质 pH 值、 水质氨氮含量、液位等参数，联动控制后端自动增氧、自动投 食等设备，对水产养殖环境等进行监测管理，对疾病进行有 效预防，达到省时省力、增产增收的目的。

3 结 语

基于 ARM 的数据采集传输控制系统可以应用于不同的 农业生产场景，有效解决了农业应用中的数据传输和设备安 装问题，并且接口多样、扩展灵活，硬件成本低，数据格式统 一、应用灵活，大大加快了物联网数据采集技术的发展，势必 将在未来智慧农业项目的建设中发挥巨大作用。