農(nóng)業(yè)四情遠程監(jiān)測系統(tǒng) 技術(shù)方案

1.行業(yè)背景

農(nóng)業(yè)四情遠程監(jiān)測系統(tǒng)是一種綜合性的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，里面包括了氣象要素監(jiān)測，土壤墑情監(jiān)測和苗情監(jiān)測以及蟲情監(jiān)測等，基本囊括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可能遇到的問題和所需要的數(shù)據(jù)信息，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展有重要的幫助作用。

當前作物栽培的發(fā)展方向是提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、節(jié)本增效，因而運用四情監(jiān)控系統(tǒng)來抓好栽培的科學處理是非常契合農(nóng)業(yè)的科學打開觀的，它搜集有機水稻基地溫、光、水、氣、熱等氣候條件，來實時監(jiān)測、搜集土壤溫度、水分、CO2等有關(guān)數(shù)據(jù)政策，然后通過精準操作、精密處理，來進步栽培處理功率，降低處理本錢，完結(jié)更高的出產(chǎn)效益。
農(nóng)業(yè)的未來，在于農(nóng)業(yè)科技的不斷進步。隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，大大提高了勞動力、資本等各項生產(chǎn)要素資源的配置與利用效率。

2.需求分析

2.1行業(yè)需求

隨著時代的發(fā)展，農(nóng)業(yè)需要做到對大田的墑情、病蟲情一目了然，能實時查看農(nóng)作物的生長情況，春季田管也變得更有針對性。實現(xiàn)對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和農(nóng)作物“四情”即苗情、墑情、病蟲情和氣象監(jiān)測的動態(tài)高精度監(jiān)測。
實現(xiàn)對每個監(jiān)測點的環(huán)境、氣象、病蟲狀況、作物生長情況等進行實時監(jiān)測，結(jié)合系統(tǒng)預(yù)警模型，對作物實時遠程監(jiān)測與診斷，并獲得智能化、自動化的解決方案。重點實現(xiàn)如下功能。

• 氣象檢測。
• 土壤墑情檢測。
• 苗情檢測
• 蟲情檢測
• 遠程監(jiān)測

2.2需求分析

• 現(xiàn)場分散，施工困難

由于農(nóng)田所處位置比較偏遠，覆蓋范圍較大，沒有網(wǎng)絡(luò)，沒有供電，一般的通訊設(shè)備不能在這種環(huán)境下工作，應(yīng)用lora通訊方案較為合適。

• 環(huán)境惡劣，需要設(shè)備工業(yè)品質(zhì)設(shè)備

可能會有大量灰塵，灰塵積累增加可能會產(chǎn)生靜電，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，設(shè)備必須具有很強的抗靜電能力。同時戶外安裝的設(shè)備應(yīng)該具有耐高低溫和防雷特性。

• 數(shù)據(jù)需遠程監(jiān)測

農(nóng)業(yè)四情監(jiān)測系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測，農(nóng)業(yè)四情的狀態(tài)實現(xiàn)遠程監(jiān)測，無人值守的環(huán)境下實現(xiàn)遇到問題可以及時處理，保障農(nóng)作物的健康生長。

3.系統(tǒng)解決方案

3.1系統(tǒng)概述

本方案在總體設(shè)計中是以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為核心，在工業(yè)控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合基礎(chǔ)上，建立的一套高科技智能遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)。遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)是利用計算機、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)、智能控制設(shè)備等來完成對四情系統(tǒng)遠程監(jiān)測與控制的一體化管理系統(tǒng)，通過融合互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、地理信息、智能分析、等前沿技術(shù)，建立能源傳輸智能監(jiān)控與可視化管理平臺，最終實現(xiàn)全面監(jiān)控、智能運維、輔助決策、可視化運營管理，有效促智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3.2系統(tǒng)設(shè)計

通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，我們推出云+網(wǎng)+端的lora組網(wǎng)方案，此方案最大的特點是系統(tǒng)部署簡單、靈活、客戶現(xiàn)場采集設(shè)備可以快速上云，云服務(wù)器自帶固定公網(wǎng)IP，企業(yè)客戶無需部署運營商專線。云服務(wù)器只需要安裝組態(tài)軟件，即可實現(xiàn)在云服務(wù)器遠程監(jiān)測農(nóng)田四情狀態(tài)，通過云服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備及數(shù)據(jù)遠程在線監(jiān)控。

3.3網(wǎng)絡(luò)拓撲

3.4系統(tǒng)組成

整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心端、網(wǎng)絡(luò)傳輸端和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端三部分組成。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備負責時時采集場站內(nèi)的情況，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用溫濕度傳感器、蟲情測報燈、苗青測試儀、氣象檢測儀實時現(xiàn)場采集各傳感器數(shù)據(jù)。 并通過lora的頻段將數(shù)據(jù)傳輸到OGC300。

網(wǎng)絡(luò)傳輸端是信號傳送的通道，負責與監(jiān)控中間建立網(wǎng)絡(luò)通道，將前端設(shè)備采集的信息傳送給監(jiān)控中心的遠程監(jiān)控平臺，遠程監(jiān)控平臺并將監(jiān)控中心下達的指令傳送給前端設(shè)備。

在云服務(wù)器上部署遠程在線監(jiān)控平臺，對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。通過平臺將所有站點業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控。

3.4.1數(shù)據(jù)中心端設(shè)計

數(shù)據(jù)中心端主要由兩部分組成：

• 遠程在線監(jiān)控平臺軟件（客戶定制）
• 云服務(wù)器-阿里云

數(shù)據(jù)中心端，可輕松實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控平臺實時采集現(xiàn)場終端設(shè)備的運行參數(shù)、視頻圖像等數(shù)據(jù)。并對數(shù)據(jù)存儲、顯示、計算分析。實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備運行情況、相關(guān)運行參數(shù)的實時監(jiān)控。遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)還可以使用戶通過瀏覽器或手機APP方式在任何位置遠程查看運行狀態(tài)和監(jiān)控畫面。

平臺實現(xiàn)的主要功能：

數(shù)據(jù)監(jiān)控功能：

• 遠程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。
• 設(shè)備故障報警。
• 參數(shù)分析判斷功能。
• 溫濕度/蟲量趨勢顯示。

3.4.2網(wǎng)絡(luò)傳輸端設(shè)計

• 網(wǎng)絡(luò)傳輸端功能

網(wǎng)絡(luò)傳輸端是整個遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的樞紐，部署在農(nóng)田站點的各類采集終端通過通訊系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體。為了實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測、控制、調(diào)度，必須建立連接所有監(jiān)控點的通訊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)傳輸端采用工業(yè)級無線lora網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)通信載體，lora網(wǎng)關(guān)在接收到終端采集的數(shù)據(jù)后，工業(yè)級無線lora網(wǎng)關(guān)通過4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，通過連接云服務(wù)器，把站內(nèi)數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)中心。

• Lora網(wǎng)關(guān)設(shè)置

Lora網(wǎng)關(guān)設(shè)置好應(yīng)用ID、信道和速率。為不同的業(yè)務(wù)規(guī)劃不同的信道及速率。將現(xiàn)場終端設(shè)備都嵌入lora模塊，每個lora模塊設(shè)置里的應(yīng)用ID、信道、速率與lora網(wǎng)關(guān)保持一致，每個lora節(jié)點的ID設(shè)置要唯一，以便lora網(wǎng)關(guān)可以分辨數(shù)據(jù)對應(yīng)的業(yè)務(wù)。

• 工業(yè)級設(shè)計

方案提供的工業(yè)級無線lora網(wǎng)關(guān)采用全工業(yè)化設(shè)計，從處理芯片、通信模塊、電子器件全采用工業(yè)級標準，產(chǎn)品具備以下可靠性指標：采用工業(yè)設(shè)計性，金屬外殼，防護等級為 IP30 EMC各項等級指標達3 級 串口支持 1.5KV 隔離變壓保護 寬溫支持：-40 ~70℃ 寬壓支持：DC12-48V。

• 設(shè)備集中管理規(guī)劃

考慮到系統(tǒng)中設(shè)備安裝位置比較分散，維護困難程度比較大。為了更方便的遠程集中遠程管理設(shè)備，傳感器檢測的數(shù)據(jù)會匯總到lora網(wǎng)關(guān)，再通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，通過中心端軟件可以直觀的查看設(shè)備在線情況，以及連接時間。

• SIM卡設(shè)計
• 物聯(lián)網(wǎng)SIM卡:

物聯(lián)網(wǎng)卡主要是專門面向企業(yè)，資費便宜。主要用于需要無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。物聯(lián)網(wǎng)為普通物聯(lián)網(wǎng)卡和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)卡，根據(jù)安裝環(huán)境受環(huán)境溫度影響較大的站點，可以采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)卡。工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)卡材質(zhì)耐高溫耐腐蝕，使用年限長，而廣泛使用。

我司物聯(lián)網(wǎng)卡有多種材質(zhì)與形態(tài)，滿足客戶不同場景的安裝與使用需求。結(jié)合穩(wěn)定可靠的工業(yè)級設(shè)備，豐富的IoT組網(wǎng)解決方案，我們?yōu)槠髽I(yè)客戶提供優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)卡資費解決方案，簡化各大行業(yè)企業(yè)客戶所遇到的繁雜的辦卡業(yè)務(wù)流程，評估和計算客戶業(yè)務(wù)所需要的最適合的流量資費，并借此為客戶提供卡與通信終端一體化的全面服務(wù)。

3.4.3現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端主要由各類內(nèi)置lora模塊的傳感器組成，傳感器在每隔一段時間感知數(shù)據(jù)后再通過不同的信道分別向lora網(wǎng)關(guān)發(fā)送不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)。

3.4.5實現(xiàn)功能

• 土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)可對不同層次的土壤溫度水分進行動態(tài)監(jiān)測，最低監(jiān)測三層、最高檢測5層土壤溫度水分，可快速全面的了解墑情信息。

• 智能蟲情檢測

智能蟲情監(jiān)測系統(tǒng)運用現(xiàn)代光、電、數(shù)控技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等構(gòu)建出一套害蟲生態(tài)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進的智能識別技術(shù)，集害蟲誘數(shù)據(jù)記錄于一體，自動完成誘蟲，殺蟲，蟲體分散，拍照，運輸，收集，排水等系統(tǒng)作業(yè)，并實時將采集到的蟲害情況無線上傳至云平臺。

• 氣象監(jiān)測系統(tǒng)

因不同農(nóng)作物生長的小氣候環(huán)境條件不一樣，所形成的各自小氣候特征會直接影響農(nóng)作物的生長發(fā)育進程和產(chǎn)量。通過對農(nóng)田、溫室、林場小尺度環(huán)境的實時氣象要素數(shù)據(jù)的觀測，可形成對小區(qū)域農(nóng)業(yè)種植提供可靠的氣象數(shù)據(jù)模型支撐。通過現(xiàn)場的氣象監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對空氣溫濕度、風速、風向、雨量、光照度、大氣壓力、紫外線等多種數(shù)據(jù)24小時全天候監(jiān)測。

• 苗情檢測

可以選擇幾天上報一次苗情數(shù)據(jù)，在云平臺可以對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，判斷農(nóng)作物的成長速度是否與預(yù)期有偏差，如有偏差可以結(jié)合其它數(shù)據(jù)來判斷是什么導(dǎo)致的，從而解決問題。

4、方案技術(shù)特點

本方案充分遵從各項設(shè)計原則，完整地實現(xiàn)了行業(yè)的各項需求。

• 先進性：

本系統(tǒng)是融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動無線通信技術(shù)、云計算等前沿技術(shù)，建立的一套智能遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)。最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)運營全面監(jiān)控、智能運維、輔助決策、可視化運營管理。體現(xiàn)了當前工業(yè)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的新發(fā)展水平，適應(yīng)時代發(fā)展的要求。

• 可靠性：

此方案通過選用工業(yè)級通信產(chǎn)品確保整個設(shè)備可靠運行。該產(chǎn)品內(nèi)置高性能工業(yè)級處理器，lora網(wǎng)關(guān)采用最先進的LX1302芯片，8通道高速率。抗干擾性強，滿足多種多樣的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸需求。并且設(shè)備提供多種恢復(fù)機制。

* 具備掉電自動保護、來電自動恢復(fù)、死機自動重啟（看門狗）等保護功能。

* 鏈路層檢測，通過ICMP檢測機制，實時檢測鏈路情況，實現(xiàn)掉線自動重拔，保持鏈路長連接。

* PPP層檢測，維持與運營商網(wǎng)絡(luò)側(cè)的連接，防止被強行休眠，可偵測撥號連接
的穩(wěn)定性。

*前向糾錯機制，即使數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟包，數(shù)據(jù)也能恢復(fù)正常。

• 雙鏈路備份：

*支持鏈路備份、浮動路由、提供故障線路的轉(zhuǎn)移保護。。

• 實現(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)無人值守，無線工業(yè)lora網(wǎng)關(guān)7*24小時在線。保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集。
• 安全性：

考慮到監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)具有安全需求，在整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中要充分考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，在設(shè)備的選型上著重衡量設(shè)備的安全性，以確保整個系統(tǒng)安全、可靠運行。

• 網(wǎng)絡(luò)安全防護：支持 SPI 包狀態(tài)檢測防火墻、ACL 訪問控制，防 DoS 攻擊，入侵保護(禁 Ping)、IP-MAC 綁定等防火墻功能保障網(wǎng)絡(luò)不受外界功擊。
• 通過云服務(wù)器將遠程用戶設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備和公司總部數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建立可信的安全連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，
• 可擴展性：

遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以選擇組建VPN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可擴展性，完全滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)功能需求的不斷增長。后期用戶可以根據(jù)需要改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，擴充更多的數(shù)據(jù)采集內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)完全支持。

• 經(jīng)濟實用性：

通過技術(shù)經(jīng)濟比較，性能價格比較，選擇lora網(wǎng)絡(luò)設(shè)備減少了現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境施工帶來的不便。無需供電，也能長時間運行并傳輸數(shù)據(jù)，保護了現(xiàn)有設(shè)備和投資。同時可以兼容市面上絕大多數(shù)的lora模塊，更使得用戶在系統(tǒng)建設(shè)中享受到經(jīng)濟實惠，讓整體系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能價格比。