北方果树霜冻害远程监控与报警系统初步研究与实现

中国农学通报 2016,32(1):81-87ChineseAgricultural Science Bulletin北方果树霜冻害远程监控与报警系统初步研究与实现夏 于，孙忠富，苏一峰，杜克明，郑飞翔（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081）摘 要：为提高北方果树防霜冻害管理水平，基于物联网架构，设计实现了北方果树霜冻害监测与报警系统。该系统结合实时获取果树生长环境数据，及果树霜冻害发生规律和专家知识库，为用户提供远程果树环境信息分析和霜冻害智能诊断服务。同时为满足不同生产条件需求，结合用户需求和环境状况，提供自动报警。根据用户随时随地获取信息的需求，基于多种网络技术等（如Internet、android等移动互联网），开发了可用于PC终端、移动终端（如智能手机、平板电脑等）多平台管理模式。通过提供现场综合远程实时监控、数据采集、网络传输、数据管理分析及报警预警等功能，系统实现了对果树生长的全方位多功能的远程监控与综合管理，有效提高了果树防霜冻害监控管理水平。关键词：果树霜冻害；远程监控；物联网；监测预警；移动应用中图分类号：S126，TP31 文献标志码：A 论文编号：casb15060086Research and Implementation of Remote Monitoring and Warning System forFrost Damage of North Fruit TreeXia Yu, Sun Zhongfu, Su Yifeng, Du Keming, Zheng Feixiang(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081)Abstract: To improve the management level for preventing freezing frost of north fruit tree, a monitoring andalarm system was designed and realized based on IOT architecture. Based on the real-time data of the fruit treeenvironment, together with the research and expert knowledge for years, remote environment informationbrowsing and fruit frost intelligent diagnosis service were provided for the users. To meet the needs underdifferent production conditions, automatic alarm was provided according to users demand. To achieve the goalof getting information whenever and wherever, a multiple function platform was developed to provide variousapplications for users of PC terminal, mobile terminal (such as smart mobile phones, pad computers) based on avariety of network technologies, such as internet, Android mobile internet, etc. With integration of remote real-time monitoring, data acquisition, network transmission, data analysis and alarm warning functions, the systemhad realized the comprehensive remote monitoring management for the fruit tree growth and effectivelyimproved the management level of fruit freezing frost.Key words: fruit frost damage; remote monitoring; internet of things (IOT); monitoring and early warning;mobile applications0 引言近年来在全球气候变化的背景下，农业气象灾害频发，暖冬与倒春寒天气频繁出现。北方果树萌芽开花或幼果期常遭遇霜冻灾害，果树花蕾或幼果遭受不同程度的危害，严重影响果树产量和质量，甚至造成大面积果树减产或绝收，是目前果树生产中面临的严重问题1-5。加强果树生产的霜冻灾害监控防御，做好果树管理，保证果树稳产高产，对于果树安全生产具有重基金项目：公益性行业（气象）科研专项“北方果树霜冻灾害监测与调控关键技术”(GYHY201206023-03)；“十二五”国家科技支撑计划“重大农业气象灾害防控与管理技术研究与示范”(2011BAD32B03)。通信作者：孙忠富，男，1957年出生，研究员，博士生导师，博士，主要从事农业环境远程监控技术研究。通信地址：100081中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，Tel：010-82105990，E-mail：sunzf126126.com，sunzhongfucaas.cn。收稿日期：2015-06-15，修回日期：2015-07-17。中国农学通报 http:/www.casb.org.cn要意义。然而，目前北方区域果树霜冻害防灾减灾研究尚处于薄弱环节，存在防霜能力薄弱、技术手段匮乏、果树霜冻害防御管理数字化、智能化程度低等问题。充分应用信息技术和智能管理技术，结合北方果树霜冻害发生规律，集成无线远程监控与霜冻害诊断专家知识模型，为农业生产人员提供低成本、高效率、智能灵活的霜冻监控报警管理系统已成为当前的迫切需求6-8。近几年来物联网技术、移动互联网等信息技术迅速发展，在综合数据采集、远程传输和智能应用等方面技术优势的同时，充分提高农业生产效率、实时性和便携性，成为当下农业信息化的重要方向9-13。通过物联网一方面可实现果树生产过程中对空气、作物、水分等环境信息的实时监测和稳定数据传输，另一方面结合果树霜冻发生规律和专家知识设定，可提供果树生产霜冻害决策支持和报警信息，为提高果树防霜管理提供了技术支持。本研究针对以上问题，以北方地区常见果树苹果为例，研究实现了北方果树霜冻害监测与报警系统。系统基于前期研发的远程数据采集系统基础，采用基于物联网的远程监控数据采集平台实时采集、稳定传输的果树生产环境要素数据，为果树霜冻灾害管理提供硬件和数据支持。同时，采用了基于计算机、智能手机、LED电子屏等多平台的管理方式，结合现场数据及果树霜冻规律、指标和专家知识等，为用户提供实时短信报警14-18。基于现场的实时数据与诊断管理结果相互结合，方便生产人员时刻了解果树生产环境变化，及时调整生产策略，有效提高了果树防霜报警及管理决策，促进果树生产稳产高产。1 系统的设计与实现系统结合北方果树生产特点，采用物联网理念及移动通信技术，综合专家知识和计算机计算模型设计实现。系统基本原理是通过持续监测的果树霜冻害影响因子，并结合专家经验和建立的知识库分析，对果树霜冻灾害进行远程诊断和管理。系统集传感技术、3G无线传输技术与网络数据库技术以及基于移动端的开发技术于一体，实现了果园现场各种气象与环境数据、图像视频的实时采集与远程传输，数据与图像一体化的实现，达到了眼见为实的效果。同时结合霜冻害诊断及报警功能，是可满足多种情况下的果树防霜诊断管理的可视化多功能监控系统。系统基本结构如图1所示。图1 系统框架图82从结构构成上，系统采用物联网“全面感知稳定传输智能应用”的层次设计。其中，全面感知层包括远程监控终端数据采集发送模块，通过传感器、视频图像采集装置全面获取果树生长环境数据。稳定传输层包括数据传输模块，通过综合采用Wifi、移动无线通信网络、3G等传输和交换数据，实现异构网络条件下数据稳定高效传送。智能应用层包括果树霜冻害远程环境监控及智能诊断分析模块，同时辅以报警调控模块和基于移动端的数据信息分析报警平台。通过以上3个层次的全方位设计，系统在满足用户实时、高效了解现场果树生产环境变化需求的同时，也为用户提供了多种方式的有效监控和报警设置，真正做到霜冻灾害管理的快速反应，精准到位，提高了果树防霜减灾、稳产高产的效率。2 系统关键技术2.1 数据采集发送模块系统数据的采集发送及传输，由数据采集发送模块和数据传输模块完成。数据采集发送模块是在果树生产现场，基于无线传感器网络（Wireless SensorNetwork，简称WSN）对果树霜冻害影响因子及其他环境因素数据采集解析，无线远程发送的智能模块。该模块包括基于ZigBee协议的传感器网络、ARM+LINUX模块、数据网络通信模块（3G无线路由模块或GPRS模块等有限网络）等部分。本模块通过ZigBee自组织网络子系统，协作获取环境数据，通过ARM+LINUX与Internet对接，将数据打包发送。本模块具有适应性好、功耗低、稳定性强的特点，主要表现在以下方面：（1）为适应不同工作条件，系统同时支持220 V市电供电和内置大容量锂电池供电，可保证系统在无市电供应下的长期稳定工作。（2）为降低系统功耗和流量消耗，该模块采用节能数据采集设备，每隔固定时间（根据需求调整设置）进行数据采集。通过采用看门狗WDT设计定时上传数据，在保证数据实时性满足需求的情况下，适应了降低功耗等需求。（3）本模块采集数据具有准确、稳定性强的特点。通过数据超时重传及校验应答机制，确保数据完整准确。为保证环境数据的时间准确性，模块内置高精度实时时钟，与数据中心自动校准。数据采集模块发送流程，见图2。2.2 数据传输模块数据传输模块是果树生长现场监控终端与中心服务器通信的枢纽，通过异构网络融合，结合果树生产现场环境，有效应用有线通信、移动无线通信、无线局域网等网络通信技术，保证各种条件下数据传输均能稳定可靠、完整准确的同时，最大程度节能、降耗，提高系统工作性能。2.3 果树霜冻害远程监控及智能诊断模块系统获取的实时数据通过采集发送模块和传输模块发送到服务器端，通过运行于Web服务器上的数据接收服务和图像转存服务，果树生产现场的实时数据开始开始开始开始系统程序初始化系统程序初始化系统程序初始化系统程序初始化数据信息处理数据信息处理数据信息处理数据信息处理RTCRTCRTCRTC时间校准时间校准时间校准时间校准GPRSGPRSGPRSGPRS服务器是否应答服务器是否应答服务器是否应答服务器是否应答NNNN更新更新更新更新RTCRTCRTCRTC时钟时钟时钟时钟采集间隔判断采集间隔判断采集间隔判断采集间隔判断传感数据采集传感数据采集传感数据采集传感数据采集YYYY数据上报数据上报数据上报数据上报是否成功是否成功是否成功是否成功YYYY结束结束结束结束NNNNYYYY本地存储本地存储本地存储本地存储图2 数据采集发送流程夏 于等：北方果树霜冻害远程监控与报警系统初步研究与实现 83中国农学通报 http:/www.casb.org.cn被存储于服务器端数据库。基于该实时数据，果树霜冻害远程监控及智能诊断模块应用计算机技术和移动开发技术，为用户提供基于网络的数据、图像视频的浏览和分析对比管理，霜冻害智能诊断管理以及多模式的报警管理等。本模块原理图如图3所示。2.3.1 果树霜冻害远程监控 果树霜冻害远程监控主要负责将实时获取的数据、图像等环境信息进行根据用户的多种需求，以文字、表格、统计图等多种方式展示和统计分析。该部分可为用户全面对比各类数据，统计分析数据结果，最大限度提取有效信息提供可能。同时，为满足用户随时随地获取信息的需求，系统数据及分析结果可通过各类浏览器、智能移动设备APP应用、LED等多种模式展现。系统采用标准的接口规范，为数据跨平台调用和多模式应用提供便捷。图3 果树霜冻害远程监控及智能诊断模块系统数据的多模式应用可分为基于Web的监控管理、基于Android智能移动设备监控管理和基于LED电子屏幕显示等方式。其中，基于Web的监控管理基于微软公司的Net Framework框架开发，并结合SQL Server2008数据库，对数据进行分析处理，将数据以列表、曲线和图像等形式展示给用户。用户通过Web浏览器可查询到最详细、最及时的果树生长信息，达到“眼见为实”的目的，从而实现有效的远程监控。基于Android智能移动设备平台应用和基于LED电子屏的管理方式，是对基于Web监控管理的重要补充。通过系统提供的统一接口定时访问服务器数据库，方便用户随时随地查看数据，为果树生产者提供轻量化、随时可查阅的信息浏览分析等功能，提高了系统服务效率。多模式的应用管理方式互为补充，满足果树生产者在不同条件下的监控需求，提高了果树霜冻害监控的实时性、高效性。基于多模式的果树远程智能监控平台如图4所示。2.3.2 果树霜冻害智能诊断 果树霜冻害智能诊断通过有机结合专家经验及北方果树霜冻害规律，对果树生长环境数据智能诊断，判断果树受灾状况，并给出相关建议。系统采用面向对象的设计思想，将果树霜冻害诊断相关标准规范格式后存储处理，作为果树霜冻害诊断依据。根据果树不同地区、不同品种霜冻害诊断标准不同的需求，系统对站点进行群组划分，不同群组可适用不同诊断标准，相关农学专家可对该区域品种果树进行诊断指标微调，以满足当地生产需求。结合果树霜冻害诊断标准及果树生长实时环境因子数据，系统对果树霜冻害程度进行诊断，以表格、文字等形式展现果树霜冻害状况，同时对影响果树霜冻灾害的环境因子进行统计，可以表、折线图等形式分析关键环境因子的总体变化趋势。果树花期霜冻害程度与空气温度、低温延续时间等环境因素密切相关，不同果树品种、生长区域的果树霜冻害指标也不尽相同5,19-29。根据不同果树生产区气候变化特点以及不同的果树品种，各区域专家制定相应果树花期霜冻环境因素诊断标准，系统结合诊断标准及实时生产环境状况，对果树霜冻害状况诊断，并提供环境变化趋势。果树生产人员根据当前诊断状况及环境趋势，及时采取相应补救措施，最大限度减少霜冻灾害影响。2.4 系统报警预警结合系统设定及果树霜冻害诊断结果，在果树生产管理中可结合环境变化进行监测报警，及时提醒与督促用户采取相应措施，可及时防控和补救果树霜冻害造成的损害。生产管理员可通过智能监控信息平台或基于移动端的智能应用系统，设置果树生产环境因素预警值，系统将结合实时获取的环境数据判断是否需要报警。系统将同时结合最新设定的系统报警参数84和环境数据进行诊断，是否需要报警。如经过诊断为需要报警状况，则表明果树生产环境出现较大变化，可能出现霜冻灾害，对果树生长将造成不良影响。系统通过短信形式通知用户，促进用户对环境和设备的进行调控。系统报警流程如图5所示。在本系统中，针对不同场合、不同用户需求及应用目的，分别研发提供了基于互联网计算机、智能手机等移动设备等多种模式的操作设定方式，方便了用户在多种条件下均能方便对环境数据监测报警，提供了便利的辅助决策管理。系统多种模式的报警设置及浏览方式如图6所示。3 应用与展望目前该系统已开始推广运行，结果表明系统运行稳定，具有功耗低、精准度高、易使用、报警可靠等优点。系统通过集成果树监测点之间无线联网构建“分布式监测，集中式管理”的实时监测网络，并结合计算图4 基于多模式的果树远程智能监控平台(a)基于Web的果树霜冻害远程监控 (b)基于Web的站点实况(c)基于Web的数据浏览 (d)基于Web的果树花期霜冻害诊断(e)基于Android智能手机的监控中心 (f)基于Android智能手机的数据浏览分析夏 于等：北方果树霜冻害远程监控与报警系统初步研究与实现 85中国农学通报 http:/www.casb.org.cn机技术、果树防霜冻害技术，为果树防霜冻害提供数据管理、智能诊断、自动报警的整套解决方案。系统高度集成微电子技术、无线传感技术、移动互联网络通信等现代信息技术和果树生产历史经验，从防霜工程的角度解决果树防霜问题，有效提高了果树防霜抗冻的自动化、智能化水平，保证了果树信息的精准监控、实时报警。随着系统的进一步深入研究优化和推广，将为果树稳产、高产创造更大的价值。图5 短信报警流程图6 多种模式的报警设置及浏览方式(a)基于Web的短信报警设置 (b)基于Web的短信报警记录(c)基于移动端的报警设置及浏览 (d)短信报警信息86参考文献1 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