CN109287453A - 一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法 - Google Patents

一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于现代农林业智能灌溉领域，公开了一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法；包括：硬件平台、软件平台。硬件平台包括：网关、控制器、采集器、光伏控制器、远程监控电脑、现场控制器；软件平台包括：底层驱动模块、应用节能灌溉管理系统平台模块。本发明采用工业专用数据采集和控制器，数传可靠性高且配置灵活，多路接口扩展增加更加方便。本发明基于workerman技术，可以轻松实现PHP长连接，有效实现无线/有线传感接入网络。支持几千甚至几万的高并发连接，嵌入式系统多进程则可支持数十万甚至上百万的并发连接。本发明具有无线通信的长距离可靠性传输功能和应用层协议接口多样性特点。

Description

一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法
技术领域
本发明属于现代农林业智能灌溉领域，尤其涉及一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：我国是世界上人口最多和粮食消耗量最大的国家，同时是世界上人均水资源量最为贫乏的国家之一，人均占有水资源量仅为世界平均水平的25％。随着人口的快速增长、城镇化建设和全球化经济的快速发展，当前水资源利用率和缺水现象问题越发突出。其中，农业用水量占我国基础用水总量大约百分之七十。当前，农业用水浪费现象非常严重，主要体现在：农业灌溉利用率低下，大约45％的效用；同时，因自然降水无存储措施，灌溉利用率仅仅达到46％；从而导致整个农业用水的效率不高，其中农田灌溉水的利用效率仅有1.0kg/m2左右；初步改造的节水灌溉工程面积仅占全国灌溉面积的30％，因此，发展节水农业势在必行。
国外的智能灌溉系统起步较早。美国、日本等农业比较发达的国家，在灌溉系统决策、控制策略等方面进行了全面、系统的研究，并形成了相应的技术体系。
目前流行的灌溉系统大多直接采用定时控制。美国雨鸟公司是世界上著名的灌溉设备生产商，该公司生产的节水灌溉(喷灌)系统也是基于时间控制，可以长时间的自动开关水泵或是按一定的顺序轮流灌溉，该系统会建立运行档案为改进管理和监测系统运行提供依据，还具有智能气象站和自动ET值的灌溉管理方式。类似的美国托罗、科雨和亨特公司都有不少智能灌概的产品。水利部西北科研所和陕西三原现代节水灌溉设备公司联合研制的“多功能节水精细灌溉机”就是支持定时灌溉和手动灌溉切换的。集抽水、加压、施肥于一体的微型移动式节水灌溉系统。此类系统设计简单可靠，但需要人为操作，灌溉效果受人影响较大且在不同的环境下灌溉参数需要重新设定。由于影响作物灌溉因子众多，且各因子之间存在一定的耦合。上述系统多针对某些特定类型的灌溉，而对于偏远且市电难以供给的灌溉地区，缺乏相应的节水灌溉设施及系统级的灌溉决策。
针对我国农林业灌溉现状，将光伏系统与灌溉系统融合在一起。开展了环境无线测控网络、网络中多传感器信息融合、土壤环境信息处理及调控效果预测模型、多尺度的环境调控优化、太阳能电池板最大功率和蓄电池充放电算法优化、智能节水灌溉管理系统开发等进行了系统地研究。传统的PHP容器很难与客户端保持长连接，很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，更不用说4G/LTE了，同时，传统的应用层协议接口比较单一。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)传统的PHP容器很难与客户端保持长连接。
(2)很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络。
(3)应用层协议接口单一。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统及方法。
本发明是这样实现的，一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法包括：
将现场组网汇聚的多路实时监控数据编码加密后，上传至云端服务器；
将现场的各类传感器数据进行处理后并汇聚，并实时传输现场数据；并把实时监测数据上传发送给网关；
支持多路开关输出及通断信号检测；通过下发智能网关接收来自云端服务器的控制指令并实时上报现场设备的运行状态，实现现场设备的远程控制和智能控制。
进一步，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法将传感器的数据字节数按照协议方式，上传到云端；人机交互采用RS485总线或者以太网连接；数据集中控制器实现多个自主局域网互通互联。
进一步，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法对输入模拟量的放大倍数选择的区别，采用电阻反馈网络自适应放大电路实现。
进一步，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的客户端断开连接会向服务端发送一个关闭连接包，服务端收到关闭连接包后得知客户端连接断开，则立刻触发onClose事件回调；
客户端与服务端定时有心跳数据传输，则发现连接断开，触发onClose事件回调；另外路由节点防火墙会关闭长时间不通讯的socket连接，客户端与服务端定时发送心跳数据保持连接不被断开。
进一步，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法数据的展示，按照标准MVC或者MVP实现；每个对象具有数据库增删改查、权限认证、角色管理方法或者其它属性。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统包括：硬件平台和软件平台；
硬件平台包括：网关、控制器、采集器、光伏控制器、远程监控电脑、现场控制器；
现场控制器包括：智能GPRS模块、触摸屏、数据集中控制器、电源模块；
软件平台包括：底层驱动模块、应用节能灌溉管理系统平台模块；
底层驱动模块包括：数据采集模块、系统控制模块、数据长传模块；
底层驱动模块对输入模拟量的放大倍数选择的区别；
应用节能灌溉管理系统平台模块的应用层采用C/S或者B/S的架构。
进一步，所述数据采集模块包括:大气压强风力风向、温度、湿度和光度、GPS位置信息；
所述系统控制模块包括:继电器开关控制、直流电机驱动控制；
所述数据长传模块包括：警示提示控制开关、TCP数据传输、UDP数据传输；
所述应用节能灌溉管理系统平台模块包括：用户管理模块、设备管理、网络配置；
所述用户管理模块包括:用户数据库增删改查、权限认证、角色管理；
所述设备管理包括：设备数据库增删改查、设备节点配置、设备数据监控；
所述网络配置包括:心跳包间隔设置、服务器地址设置、端口设置。
进一步，所述网关将现场组网汇聚的多路实时监控数据编码加密后，上传至云端服务器，可支持断点续传和远程设置；
采集器将现场的各类传感器数据进行处理后并汇聚，并实时传输现场数据；并把实时监测数据上传发送给网关；
控制器支持多路开关输出及通断信号检测；通过下发智能网关接收来自云端服务器的控制指令并实时上报现场设备的运行状态，实现现场设备的远程控制和智能控制。
进一步，所述智能GPRS模块将数据字段按照协议方式，上传到云端；触摸屏提供人机交互，采用RS485总线或者以太网连接；数据集中控制器实现多个自主局域网互通互联。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的信息数据处理终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
(1)通过采用workerman技术可以使用PHP与客户端保持长连接。
(2)通过新型无线通信Lora技术，提高了网络覆盖程度。
(3)通过默认支持的协议有HTTP、WebSocket、以及简单的Text文本协议，使应用层协议接口具有多样性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统底层驱动模块结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统节能灌溉系统应用层功能结构示意图。
图3是本发明实施例提供的传感器控制器与网关互连示意图。
图4是本发明实施例提供的多路采集器结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统包括:硬件平台、软件平台；
硬件平台包括：网关、控制器、采集器、光伏控制器、远程监控电脑、现场控制器；
现场控制器包括：智能GPRS模块、触摸屏、数据集中控制器、电源模块。
网关位于核心网络，将现场组网汇聚的多路实时监控数据编码加密后，通过10M/100M以太网通信/GPRS/ZIGBEE/WIFI/4G等多种通讯方式上传至云端服务器，可支持断点续传和远程设置；采集器将现场的各类传感器数据(4-20mA接口模拟量、0-5V电压接口、485/232接口和以太网接口等)进行处理后并汇聚，并实时传输现场数据；并通过以太网通信/GPRS/ZIGBEE等多种通讯方式把实时监测数据上传发送给网关；控制器支持多路开关输出及通断信号检测；通过下发智能网关接收来自云端服务器的控制指令并实时上报现场设备的运行状态，实现现场设备的远程控制和智能控制。
在终端硬件选配上采用ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核CPU：32位Cortex-M3，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法，片上集成512KB的Flash存储器和64KB的SRAM存储器；考虑到网关需要处理更多的终端的数据，并上传云端数据和下发云端的控制指令，处理运算能力需要更强。本发明采用Cortex-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储器加速器，AdaptiveReal-Time MemoryAccelerator)。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致，使得STM32F4系列可达到210DMIPS@168MHz。STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)指令和FPU(Floating Point Unit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。
现场控制器包括：智能GPRS模块、触摸屏、数据集中控制器、电源模块。智能GPRS模块主要是将数据字段(传感器的数据字节数)按照协议方式，上传到云端。走GPRS是在没有wifi局域网的条件下的通信方式。触摸屏可以提供更好人机交互方式，采用RS485总线或者以太网连接均可以。考虑多个网络的情况接入数据集中控制器，可以实现多个自主局域网互通互联。
本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统软件平台包括：底层驱动模块1、应用节能灌溉管理系统平台模块5；
如图1所示，本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统底层驱动模块1包括：数据采集模块2、系统控制模块3、数据长传模块4；
底层驱动模块1主要包括基本的空气温湿度、光照、风速风向、大气压力、CO2浓度检测、粉尘检测、PM2.5检测、GPS位置信息及室内温度湿度传感器等检测。传感器的输出可以采用4-20mA、0-5v及modbus数字输出，终端都具备这些接口的接入。底层驱动程序在于对输入模拟量的放大倍数选择的区别，可以采用电阻反馈网络自适应放大电路实现。
如图2所示，本发明实施例提供的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统应用节能灌溉管理系统平台模块5包括：用户管理模块6、设备管理7、网络配置8；
数据采集模块2包括:大气压强风力风向、温度、湿度和光度、GPS位置信息；
系统控制模块3包括:继电器开关控制、直流电机驱动控制；
数据长传模块4包括：警示提示控制开关、TCP数据传输、UDP数据传输；
用户管理模块6包括:用户数据库增删改查、权限认证、角色管理；
设备管理7包括：设备数据库增删改查、设备节点配置、设备数据监控；
网络配置8包括:心跳包间隔设置、服务器地址设置、端口设置；正常的情况客户端断开连接会向服务端发送一个关闭连接包，服务端收到关闭连接包后得知客户端连接断开，则立刻触发onClose事件回调。但是有些极端情况如客户端掉电、网络关闭、拔网线、路由故障等，这些情况客户端无法发送关闭连接包给服务端，服务端便无法知道连接已经断开。如果客户端与服务端定时有心跳数据传输，则会比较及时的发现连接断开，触发onClose事件回调。另外路由节点防火墙会关闭长时间不通讯的socket连接，导致socket长连接断开。所以需要客户端与服务端定时发送心跳数据保持连接不被断开。心跳包是在客户端和服务器端标示是否保持连接中的重要手段。
应用节能灌溉管理系统平台模块5开发属于应用层开发，应用层可以采用C/S或者B/S的架构。前者移动性体验性往往不好，基于物联网的应用方案往往采用浏览器和客户端架构为主，可以用轻量级的PHP和mySQL数据库实现。数据的展示可以采用百度公司的Echart集成库。中集成平台主要囊括用户管理模块及设备模块，按照标准MVC或者MVP实现。每个对象具有数据库增删改查、权限认证、角色管理方法或者其它属性。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1
智能网关
智能网关作为系统的核心部件，架起上层应用程序和底层驱动的桥梁，要求处理能力强，干扰能力强，具备离线存储的功能，支持多网络传输(zigbee、宽带、lora等)。本系统采用嵌入式Linux系统，多线程协调处理，保证了网关核心应用价值能力。
网关主要技术指标：响应时间、负载能力、误码率。
测试方法：业务设置、迭代场景设置、运行场景设置。
测试工具：LoadRunner，是一种预测系统行为和性能的负载测试工具。通过以模拟上千万用户实施并发负载及实时性能监测的方式来确认和查找问题。
测试结果：
说明：从该图我们知道，场景总耗时：1小时26分36秒；最大并发数：345个；总吞吐量是：16,094,633,876字节；平均吞吐量：3,096,909字节；总的请求数：3,921,606次；平均请求数：754.59次；总的事务数：145,159个。
表1 响应时间
实施例2
采集器
智能采集器通过处理多传感器采集的数据量信息(开关量和数值量)。根据网关和传感器模组的状态信息(在线/离线)相应的在线传输和本地保存。并在时间间隙发送历史存储数据，保证应用层数据的完备性。
本研究应用的多路采集器结构如图4所示。
采集部分仅以温湿度为例，分析其研究方法、研究过程。
在采集系统中本次主要采用工业485总线温湿度、光照和CO2浓度集成四合一传感器。
详细的实物尺寸便于确定安装，并确定安装位置和布线方式。从上图得知实物的长宽高信息，根据实际场景确定安装的方式和位置等。
表2 四合一传感器基本电气参数
从表2可以了解电源电压，输出参数的数值范围及其精度大小，通过这些参数确定是否满足方案系统误差条件，确定系统的合理性和稳定性。
表3 通信基本参数
数据帧格式定义
采用Modbus-RTU通讯规约，格式如下：
初始结构≥4字节的时间
地址码＝1字节
功能码＝1字节
数据区＝N字节
错误校验＝16位CRC码
结束结构≥4字节的时间
地址码：为变送器的功能指示，本变送器只用到功能码0x03(读取寄存器数据)。
数据区：数据区是具体地址，在通讯网络中是唯一的(出厂默认0x01)。
功能码：主机所发指令通讯数据，注意16bits数据高字节在前！
CRC码：二字节的校验码。
表4 主机问询帧结构
地址码 功能码 寄存器起始地址 寄存器长度 校验码高位 校验码低位
1字节 1字节 1字节 2字节 1字节 1字节
表5 从机应答帧结构
地址码 功能码 有效字节数 第一数据区 第二数据区 第N数据区
1字节 1字节 1字节 2字节 2字节 2字节
表6 寄存器映射地址
对于RS485传感器采用类似处理即可，对于数值型输出比如4～20mA需进过放大和AD过程，对于开关型传感器接入MCU的IO读取电平，从而确定是打开还是关闭状态。
实施例3
控制器
智能控制器将网关下发的数据解析，根据解析的指令再次透传到相应的子控制模块上，命令主要分为开关型和数值型。开关型对应到阀门或者继电器的开和关。而数值型控制电压或者电流大小从而实现电机的速度快慢。
实施例4
触摸屏
显示测量的数据值和警报状态，进行参数和功能设置，记录重要的测量值以供查询，同时显示事件与报警信息，并能手动控制设备的启动与停止；
实施例5
智能GPRS模块
在有报警时主动发送手机短信并多次拨号主动提醒管理人员，可以通过手机网页直接查看现场数据，另一方面与远程电脑进行数据通讯，可实现电脑后台监控记录历史数据；
实施例6
电源模块
采用高性能的开关稳压电源，同时配有蓄电池，断电时由蓄电池供电并发出断电报警短信；
实施例7
太阳能电源模块和微渗。
实施例8
软件平台
主要由底层驱动软件和应用层管理平台构成。其中，底层驱动软件主要功能是数据采集、处理部分同时涉及控制算法的编写。包括控制器、采集器和网关均采用ARM架构，底层驱动采用C语言实现。上层应用平台主要由用户管理(RBAC)、设备配置模块和网络配置子模块构成，基于接口方式与底层驱动通过TCP/IP协议栈封包和解包交互信息。本部分主要对上层应用软件简述，监控平台可以商业集成平台(如世纪星、Wincc、Intouch、易控、巨控等)也可自己编写WebService(WS)。
本发明除了采用组态(比如Wincc、组态王、力控、巨控、易控等)CS架构监控外，还可以用WS方式(基于.net、java及php等编写)BS在线浏览，无论是何种方式，最为基本的单元就是数据。
实施例9
基于组态监控CS架构
组态方式实现节能灌溉监控平台的数据构成，一是传感器数据数据，主要以农业大棚为例的场景下的温湿度信息、大气压强、农田位置等数据的实时数据；二是输出控制数据，用以控制大棚卷帘的升降、水管的灌溉等直流电机、继电器的开关数据；三是系统新增的警示、临时变量数据等。警示变量可以有效防范不安全事件，当满足触发条件时以短信和拨打电话的方式通知机主排查险情。
实施例10
基于WS的BS架构
WS平台基于MVC C/S框架实现上述网络传输和传感器模块配置的前端和后台管理。主要包括用户RBAC的权限管理，传感器设备管理，网络配置管理，自定义栏目管理。每个管理模块均支持mysql及sql service的数据库增删改查操作。同时，增添自定义功能比如传感器设备的地图位置信息、离线/在线检测等；用户管理自定义报警短信提示等功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法包括：
将现场组网汇聚的多路实时监控数据编码加密后，上传至云端服务器；
将现场的各类传感器数据进行处理后并汇聚，并实时传输现场数据；并把实时监测数据上传发送给网关；
支持多路开关输出及通断信号检测；通过下发智能网关接收来自云端服务器的控制指令并实时上报现场设备的运行状态，实现现场设备的远程控制和智能控制。
2.如权利要求1所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法将传感器的数据字节数按照协议方式，上传到云端；人机交互采用RS485总线或者以太网连接；数据集中控制器实现多个自主局域网互通互联。
3.如权利要求1所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法对输入模拟量的放大倍数选择的区别，采用电阻反馈网络自适应放大电路实现。
4.如权利要求1所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的客户端断开连接会向服务端发送一个关闭连接包，服务端收到关闭连接包后得知客户端连接断开，则立刻触发onClose事件回调；
客户端与服务端定时有心跳数据传输，则发现连接断开，触发onClose事件回调；另外路由节点防火墙会关闭长时间不通讯的socket连接，客户端与服务端定时发送心跳数据保持连接不被断开。
5.如权利要求1所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法数据的展示，按照标准MVC或者MVP实现；每个对象具有数据库增删改查、权限认证、角色管理方法或者其它属性。
6.一种实现权利要求1所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统，其特征在于，所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统包括：硬件平台和软件平台；
硬件平台包括：网关、控制器、采集器、光伏控制器、远程监控电脑、现场控制器；
现场控制器包括：智能GPRS模块、触摸屏、数据集中控制器、电源模块；
软件平台包括：底层驱动模块、应用节能灌溉管理系统平台模块；
底层驱动模块包括：数据采集模块、系统控制模块、数据长传模块；
底层驱动模块对输入模拟量的放大倍数选择的区别；
应用节能灌溉管理系统平台模块的应用层采用C/S或者B/S的架构。
7.如权利要求6所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统，其特征在于，所述数据采集模块包括:大气压强风力风向、温度、湿度和光度、GPS位置信息；
所述系统控制模块包括:继电器开关控制、直流电机驱动控制；
所述数据长传模块包括：警示提示控制开关、TCP数据传输、UDP数据传输；
所述应用节能灌溉管理系统平台模块包括：用户管理模块、设备管理、网络配置；
所述用户管理模块包括:用户数据库增删改查、权限认证、角色管理；
所述设备管理包括：设备数据库增删改查、设备节点配置、设备数据监控；
所述网络配置包括:心跳包间隔设置、服务器地址设置、端口设置。
8.如权利要求6所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统，其特征在于，所述网关将现场组网汇聚的多路实时监控数据编码加密后，上传至云端服务器，可支持断点续传和远程设置；
采集器将现场的各类传感器数据进行处理后并汇聚，并实时传输现场数据；并把实时监测数据上传发送给网关；
控制器支持多路开关输出及通断信号检测；通过下发智能网关接收来自云端服务器的控制指令并实时上报现场设备的运行状态，实现现场设备的远程控制和智能控制。
9.如权利要求6所述的基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉系统，其特征在于，所述智能GPRS模块将数据字段按照协议方式，上传到云端；触摸屏提供人机交互，采用RS485总线或者以太网连接；数据集中控制器实现多个自主局域网互通互联。
10.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于物联网技术的农林业光伏智能节水灌溉方法的信息数据处理终端。
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