CN107255976A - 基于“互联网+北斗+gis”服务的智慧农场监管系统 - Google Patents
基于“互联网+北斗+gis”服务的智慧农场监管系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于“互联网+北斗+GIS”服务的农场智能监管系统方案，基于北斗卫星导航定位及通信技术、地理信息系统及移动互联网技术，实现对农场的智能监控管理。其中包括农机监控调度管理系统、农机北斗自动驾驶系统、信息管理系统及数据管理系统。采用通用分组无线服务技术实现即时连接，传输速率高，通信服务更加流畅快捷；采用北斗卫星导航系统定位模块获取位置信息，保证了服务的连续稳定；将GIS技术应用到农场监控管理上来，实现农田地块信息实时监测和数据的快速收集及全面的分析、相关人员、机具和牲畜的监控管理，管理更加科学化、智能化；系统功能模块化，可拓展性强；操作简单可视化，实现了高性能低成本的系统设计，经济效益高。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于精准农业领域的监控管理系统，具体设计基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统。
背景技术
农业是我国国民经济的重要支柱，随着国家对“三农”问题的重视，计算机技术、信息技术越来越多地应用到农业生产领域。随着农业生产的自动化、信息化水平不断提高，如何方便有效的对农业现场环境进行监测和控制是目前农业信息化的研究重点。农业信息远程监控系统是一个由多种技术结合的综合系统，其中包括电子技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术以及传感器技术等。它通过运行于监控中心的智能软件收集、分析农场现场的相关信息，养殖者足不出户就能将整个农场的信息尽收眼底并且能够及时准确的应对突发事件。但是，传统的视频监控系统存在功能简陋，自动化程度较低的缺陷，而且现在市面上的远程监控系统普遍存在性价比不高、系统复杂等缺点。如何结合有效结合其他领域的相关技术，研究出更高性能低成本的农场监控管理系统，是亟待解决的一个问题。
北斗导航系统(BDS)是拥有我国自主知识产权的卫星导航系统。随着二代导航系统的不断应用和普及，其在农业领域中的应用实现了自动化农田管理工作，开启了农业生产的新模式。农业领域中应用北斗系统能合理控制对作物的播种、施肥、灌溉、收割等工作，有效减少了人力支出，更好地提高了农业生产的效率。北斗技术与农业机械的结合，使农业现代化将转型为全机械化自动化作业，而随着北斗技术的日趋成熟，将促使其变为现实。
地理信息系统(Geographic information systems),简称GIS,是20世纪60年代开始迅速发展起来的一门集地理空间数据处理与计算机技术于一体的边缘技术学科。它是在计算机软硬件下,采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间物体的地理分布以及与之相关的属性,并以回答用户问题为主要任务的技术系统。从技术角度上看,在农业上的应用主要体现在以下几个方面①作为农业资源调查和分析的工具。②作为农业生产管理的工具。③作为农业管理的辅助决策工具。在精准农业领域中，GIS以很高的空间分辨率来管理田块基础信息，存储、分析和处理空间数据，生成作物产量以及土壤属性和病虫草害等环境因素的空间分布图，支持空间辅助决策，输出图形和地理统计数据以及田间决策处方图。
目前国内很多农田信息远程采集系统采用短消息业务(short message service,SMS)作为无线传输的手段，这种方式数据传输距离远，且价格低廉；但是它也存在一些缺点，因为短消息是一条一条离散式的传输，多条短消息到达目的地的顺序是不可控的，而且存在短消息延时与丢失现象，另外每条短消息可以传输的数据量是受限的，所以短消息技术不适合大数据量的数据传输。而且短消息模式下图像传输很难实现。而GPRS(GeneralPacket Radio Service)是通用分组无线业务的简称，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。理论峰值达115kb/s；不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源。通过GPRS无线连接Internet的方式，即采用GPRS模块，使农田信息采集器经过GPRS无线网连接到Internet从而实现远程上网与数据传输，不仅覆盖面广、传输速度快，且成本低，经济效益更大。
因此，如何在农业领域中有效应用北斗导航卫星，将其与GPRS、GIS以及相关的自动化控制技术、通信技术、计算机技术以及传感器技术相结合，研究出高性能低成本的现代化的农场监控管理系统，方便于用户在PC端或手机客户端上远程对农场进行监控管理，是智慧农场管理需要解决的首要问题。
发明内容
针对上述现有系统的缺点不足以及实际需求，本发明提供了一种基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，基于北斗卫星导航系统、地理信息系统及移动互联网，实现对农场的智能监控管理，能够为管理者提供全面及时准确的服务和各种信息查询，以农场管理为核心，以需求为导向，不仅可实现控制中心监控管理，也可以实现基于移动手机端的监控与管理。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，包括：
农机监控调度管理系统，包括车载BDS定位终端和农机监控调度中心两部分，车载BDS定位单元用于采集农机位置、作业状态、土壤状态等信息并传给中心服务器，农机监控调度中心通过读取并分析相关信息，实现农机合理调度。
农机北斗自动驾驶系统由高精度北斗/GNSS天线和接收机，显示器，控制器液压阀、角度传感器等部分组成。根据位置传感器(GNSS卫星导航系统等)设计好的行走路线，操作控制拖拉机的转向结构(转向阀)，驱动拖拉机进行精准农业耕作，如翻地，耙地，旋耕，起陇，播种，喷药等各个环节的农业作业。
信息管理系统由信息管理中心和BDS定位单元两部分构成。BDS定位终端用于工作人员、机具以及放牧的牲畜的定位。信息管理中心采用MapXtreme作为地图操作的底端开发平台，结合定位模块传来的位置信息，实现实时目标位置显示、目标相关信息查询以及目标轨迹回放、走失追踪、越界报警，同时可以实现基于位置信息的指挥监控、信息查询、统计分析等LBS服务以及农田历年的施肥量、产量、播种量、及利润等统计分析。
数据管理系统用于实现数据接收、解析、存储、处理、权限管理及数据库维护等。
所述农机监控调度管理系统的车载BDS定位单元由BDS接收模块、GPRS收发模块、MCU主控制模块及各类传感器组成，BDS接收模块用来计算农机位置坐标；各类传感器获取农田温度、湿度以及播种深度、速度等信息；GPRS收发模块用于将各类信息发送到中心服务器,并接收从调度中心传到中心数据库的调度指令。MCU主控制模块为各个模块的控制中心。农机监控调度中心通过实施掌握农机的动态信息,对农机进行实时监控，并根据接收到农机位置信息以及农机作业情况,调用农机调度模型对农机进行合理调度。
所述信息管理系统由信息管理中心和BDS定位单元两部分构成。BDS定位终端用于主要配备在工作人员、机具以及放牧的牲畜上，用来计算各载体位置坐标。信息管理中心上结合GIS技术，可以实现在地图上实时显示目标位置、查询目标相关信息以及目标轨迹回放、走失追踪、越界报警等功能；同时根据中心数据库中存储的农田历年信息，结合GIS技术，可以实现基于电子地图的农田历年的施肥量、产量、播种量、及利润等相关信息的统计分析。
所述数据管理系统由数据管理单元和系统管理单元两部分组成。数据管理单元用于实现数据接收、解析、存储和处理等功能。系统管理单元用于实现权限管理、系统维护。
与现有技术方法相比，本发明的优点在于：
1、本系统由农机监控调度管理系统、农机北斗自动驾驶系统、信息管理系统和数据库管理系统组成。
2、系统软件安装在远程监控服务器中，系统软件基于先进的.net技术框架开发而成，系统基于B/S结构构建，客户端只需安装浏览器即可使用，系统采用Windows和通用浏览器风格，具有良好的人机操作界面，应用中广泛采用菜单、图标、按钮、下拉框等，并最大限度地减少用户的录入量；系统的设计与开发均采用模块化方法，采用工具化性能很好的工具软件作为开发及维护平台，具有方便的可维护性，同时开发了相应的手机用户端app，可以实现在手机端的监控管理。
3、农机监控调度系统、农机自动驾驶系统及信息管理系统均以我国自主产权的北斗卫星导航系统定位模块为基础，实现位置信息的获取。产品纯国产化，产品成本低；采用北斗卫星定位，不仅各类数据信息自主可控，同时考虑到北斗系统特有的星座分布，使其在我国各区域定位服务性能上是优于其他导航系统的，且在部分复杂地形和环境条件下也能占有较多的可用信号，可提供较为稳定的定位服务，可更好地为作业提供连续、稳定的定位服务。
4、采用MapXtreme作为地图操作的底端开发平台，结合定位模块传来的位置信息，实现轨迹回放、位置信息显示等功能，同时可以实现基于位置信息的指挥监控、信息查询、统计分析等LBS服务。
5、数据通信采用通用分组无线服务技术(GPRS)。此技术在数据传输方式上最大的优点就是能够实现“永远在线”，无需拨号连接，更加节约时间，只有在使用时才会存在数据传输而占用资源；采用的是技术工作分组交换模式，使得一个无线信道就可以让多个用户共同使用，大大提高了信道利用率；且传输速率高，能够即时连接，网页的预览更加流畅快捷。
6、将GIS技术应用到农场监控管理上来，用以实现农田地块信息实时监测和数据的快速、高效、全面的收集及分析，以及相关人员、机具和牲畜的监控管理，使得管理更加科学化、智能化。
7、将定位技术应用到信息管理中，通过将BDS定位模块及相关的状态传感器配备到牲畜、机具及工作人员身上，不仅可以实时监控载体相应位置，并且可以对其状态进行监测(走失追踪、越界报警等)，实现了农场各个部门一体化管理。
8、中心服务器数据库的建立以SQL Server2008为基础，数据库为系统集成用户提供一个快捷稳定的方法实现用户获取数据及远程设备控制，它将作为一个后台服务程序处理来自终端的登录、鉴权、数据上报、命令转发、数据库存储等，操作用户只需通过通用的数据库接口即可访问所需要的监测数据，同时只需要使用标准的WEBSERVICE服务接口就可以实现对设备的远程控制，省去了私有设备协议、二进制协议等底层协议调试所带来的一切不便，以最快、最稳定的方式实现需求及应用。
附图说明
图1为本发明系统结构图
图2为本发明中农机监控调度管理系统结构图
图3为本发明中农机北斗自动驾驶系统结构图
图4为本发明中信息管理系统结构图
图5为本发明中数据管理系统结构图
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1，本发明提供一种基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，包括以下子系统：
农机监控调度管理系统，如图2所示，包括车载BDS定位单元和农机监控调度中心两部分。车载终端由BDS接收模块、GPRS收发模块、MCU主控制模块及各类传感器组成，BDS接收模块用来接收定位卫星及差分基准站的数据，计算出农机自身所处的地理位置坐标；各类传感器获取农田温度、湿度以及播种深度等信息。各类数据通过车载终端的GPRS收发模块,利用GPRS网络将农机的位置、状态、报警等综合信息发送到具有固定IP地址的中心服务器,并存入中心数据库。同时将相应的报警信息发送到与之对应的客户端监控调度单元。监控调度单元通过Internet网络与中心服务器进行连接,实时接收中心服务器发来的数据,将农机的坐标信息经处理与电子地图相匹配,在地图上显示农机的正确位置,从而使监控调度中心能清楚和直观地掌握农机的动态位置信息,对农机进行实时监控。监控调度中心可以接收到农机位置信息以及农机作业情况,调用农机调度模型对农机进行合理调度,并将调度结果通过Intemet网络传送给中心服务器,然后由中心服务器负责将调度结果通过GPRS网络分别传送到相应的农机车载终端,从而实现对农机资源的合理调度。
自动驾驶系统由如图3所示高精度BDS定位天线及主机模块，控制器、液压阀，角度传感器等部分组成。车载自动驾驶仪通过通信模块接收来自差分基准站的改正数据，通过车载北斗定位模块和融合解算，获取车辆自身精确位置速度信息，通过三轴姿态传感器获取车辆自身的三向姿态信息，通过导向轮转角传感器导向轮专项信息，在车载平板计算机上进行农机路径规划和导航轨迹控制，利用专项控制与启动器对电磁转向阀进行控制，实现车辆的自动驾驶。
信息管理系统由信息管理中心和BDS定位单元两部分构成，如图4所示。BDS定位单元主要配备在工作人员、机具以及放牧的牲畜上，用来接收定位卫星的定位数据，计算出载体自身所处的地理位置坐标(工作人员、机具以及放牧的牲畜的位置信息)并通过GPRS通信模块发送到具有固定IP地址的中心服务器,并存入中心数据库。信息管理单元通过Internet网络与中心服务器进行连接,实时接收中心服务器发来的数据,将载体的坐标信息经处理与电子地图相匹配,在地图上显示载体的正确位置,从而使用户能清楚和直观地掌握相关载体的动态位置信息,对其进行实时监控。结合GIS技术，采用MapXtreme作为地图操作的底端开发平台，结合定位模块传来的位置信息，实现轨迹回放、位置信息显示并且可以对其状态进行监测(走失追踪、越界报警等)等功能，同时可以实现基于位置信息的指挥监控、信息查询、统计分析等LBS服务。同时利用GIS，可以以很高的空间分辨率来管理田块基础信息，存储、分析和处理空间数据，生成作物施肥量、产量、播种量、利润以及土壤属性和病虫草害等环境因素的空间分布图，支持空间辅助决策，输出图形和地理统计数据以及田间决策处方图，同时根据中心数据库中存储的农田历年信息，可以实现农田历年的施肥量、产量、播种量、及利润等相关信息的统计分析。
数据管理系统由数据管理单元和系统管理单元两部分组成，如图5所示。数据管理单元包括数据接收、解析、存储和处理等功能。数据接收程序采用C#编写，通过监听服务器端口，创建控件数组可同时接受多个连接请求，将通过GPRS发来的数据按照自定义的数据帧协议解析后存入数据库。系统管理单元包括权限管理、系统维护功能。通过权限管理，用户可以通过数据管理系统访问数据库中的数据，数据库管理员也通过系统进行数据库的维护工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统由农机监控调度管理系统、农机北斗自动驾驶系统、信息管理系统和数据库管理系统组成。
农机监控调度管理系统，包括车载BDS定位终端和农机监控调度中心两部分，车载BDS定位单元用于采集农机位置、作业状态、土壤状态等信息并传给中心服务器，农机监控调度中心通过读取并分析相关信息，实现农机高效管理调度使用。
农机北斗自动驾驶系统由高精度北斗天线和接收机(与监控调度共用)，显示器，控制器液压阀、角度传感器等部分组成，根据位置传感器设计好的行走路线，控制拖拉机的转向结构，驱动农机根据设定路线自动驾驶作业。
信息管理系统基于农田电子地图实现农场人力、物力和财力的信息化管理；基于北斗定位实时显示目标位置、目标相关信息查询以及目标轨迹回放、走失追踪、越界报警以及基于GIS实现农田历年的施肥量、产量、播种量、及利润等统计分析。
数据管理系统用于实现数据接收、解析、存储、处理、权限管理及数据库维护等。
2.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：农机监控调度管理系统、农机自动驾驶系统及信息管理系统均以北斗卫星导航系统定位模块为基础，实现位置信息的获取，可更好地为作业提供连续、稳定的定位服务。
3.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：数据通信采用北斗卫星通信和通用分组无线服务技术组合。
4.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：采用MapXtreme作为地图操作的底端开发平台，结合定位模块传来的位置信息，实现轨迹回放、位置信息显示等功能，同时可以实现基于位置信息的指挥监控、信息查询、统计分析等LBS服务。
5.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：将GIS技术应用到农场监控管理上来，用以实现农田地块信息实时监测和数据的快速、高效、全面的收集及分析，以及相关人员、机具和牲畜的监控管理，使得管理更加科学化、智能化。
6.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：中心服务器数据库的建立以SQL Server2008为基础，数据库为系统集成用户提供一个快捷稳定的方法实现用户获取数据及远程设备控制，它将作为一个后台服务程序处理来自终端的登录、鉴权、数据上报、命令转发、数据库存储。
7.根据权利要求1所述的基于“互联网+北斗+GIS”服务的智慧农场监管系统，其特征在于：系统的设计与开发均采用模块化方法，系统软件安装在远程监控服务器中，系统软件基于先进的微软.net技术开发而成，系统基于B/S结构构建，系统采用Windows和通用浏览器风格，同时开发了相应的手机用户端app，可以实现在手机端的监控管理。
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