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賽遠農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)-生態(tài)農(nóng)場信息化運行管理中心

摘 要：應(yīng)用傳感器感知采集技術(shù)、PLC邏輯控制技術(shù)、串口無線通訊技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)、組態(tài)二次開發(fā)技術(shù)以及的Internet網(wǎng)絡(luò)安全通訊技術(shù)，實現(xiàn)“農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心-農(nóng)場管理中心-農(nóng)場大棚勞作管理"的一體化信息化集中管理和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化平臺，將實現(xiàn)更科學的農(nóng)作物耕作信息搜集、分析和應(yīng)用，更及時的氣候、物種災(zāi)害預(yù)防和布控，更宏觀的掌握農(nóng)業(yè)動態(tài)變化趨勢、規(guī)律，為決策提供更加詳實的數(shù)據(jù)資料，更加切合實際的智慧分析。本文結(jié)合以上提到的信息化技術(shù)，依據(jù)實際應(yīng)用效果，闡述生態(tài)農(nóng)場大棚信息化運行管理中心的*、安全、穩(wěn)定、可靠！

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)場信息化 安全穩(wěn)定 工業(yè)網(wǎng)絡(luò) 運行管理中心

Abstract: In The application of the sensor perception collecting technology, PLC logic control technology, the serial wireless communications technology, video transmission technology, the configuration of the secondary development of technology and the latest Internet network security communications technology, agricultural monitoring center - Farm Management Center - the farm greenhouses labor management "centrally manage the integration of information and co-ordination. Agricultural Things Information platform will achieve more scientific crop farming information gathering, analysis and application, more timely climate species Disaster Prevention and dispatched a broader grasp of the dynamic trend of agriculture, the law provided for the decision-making more detailed data, more practical wisdom analysis. In this paper, the above-mentioned information technology, based on the practical application effect on the eco-farm greenhouse operation and management of the information technology center of advanced, safe, stable and reliable!.

Keywords: Agriculture Internet of things Farm information safety and stability industrial network operation management centers(OMC)

1 背景

生態(tài)農(nóng)場大棚信息化背景為：某一農(nóng)場位于華北地區(qū)，與當?shù)剞r(nóng)戶合作，架設(shè)了11個反季節(jié)蔬菜栽種大棚（如圖一所示），意在寒冬季節(jié)，仍能為本地和更北方的地區(qū)供應(yīng)新鮮蔬菜。大棚中鋪設(shè)了溫度傳感器、濕度傳感器等一系列*的環(huán)境數(shù)據(jù)感知監(jiān)測儀器，能夠?qū)崟r反映大棚中的各種環(huán)境參數(shù)，并且采集到大棚中的可編程邏輯控制器（本文以Siemens PLC為例）中（如圖二所示）。同時，為了采集記錄大棚最詳實的作物生長過程各環(huán)節(jié)所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)（土壤、溫度、濕度等），為作物的反季節(jié)栽種提供更科學的依據(jù)，農(nóng)場也架設(shè)了大棚管理中心，通過無線通訊技術(shù)和系統(tǒng)，將各個大棚的Siemens PLC中的各項參數(shù)采集到該處，利用組態(tài)軟件技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)進行對應(yīng)的二次轉(zhuǎn)換和開發(fā)、記錄、分析并在適當?shù)臅r候提供給現(xiàn)場值守人員，對大棚實施確、最及時的耕作管理。該農(nóng)場的生產(chǎn)和管理狀況，也將通過物聯(lián)網(wǎng)的Internet網(wǎng)絡(luò)安全通訊技術(shù)傳送到上一級的農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心，以做遠程監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)研、宏觀調(diào)控等。

2 搭建生態(tài)農(nóng)場大棚信息化運行管理中心

生態(tài)農(nóng)場大棚信息化運行管理中心的搭建，主要分為三個部分：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層解決的是電氣控制系統(tǒng)與大棚環(huán)境的數(shù)據(jù)獲取問題。它首先通過傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等設(shè)備，采集大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后傳遞數(shù)據(jù)到PLC，并執(zhí)行上位機給予的控制指令。感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測技術(shù)、控制技術(shù)等。傳輸層，顧名思義指的是各個設(shè)備、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換的通道。在信息化運行管理中心的搭建中，傳輸層可以細分為無線通訊（通訊距離在10KM范圍之內(nèi)）和遠程通訊（不受通訊距離限制）兩個重要環(huán)節(jié)。關(guān)鍵技術(shù)包括短距離無線通信技術(shù)、基于廣域網(wǎng)的工業(yè)數(shù)據(jù)安全通訊技術(shù)等。應(yīng)用層包括了農(nóng)場管理中心對大棚信息化的管理、農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心對農(nóng)場管理中心的在線調(diào)控等，是通過應(yīng)用組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫等多種綜合性系統(tǒng)搭建起來的核心部分。 2.1 感知層在感知層中，主要提到的是各式各樣的傳感器。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)，尤其是智能化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制作物生長過程中的各個參數(shù)，使作物生長在正常狀態(tài)或狀態(tài)，并使作物達到質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化大棚作物耕作也就失去了基礎(chǔ)。在大棚中應(yīng)用到的傳感器，負責將土壤酸堿度、空氣濕度、大棚溫度等等關(guān)乎作物生長的環(huán)境參數(shù)，感知、量化并且通過總線通訊技術(shù)傳輸?shù)诫姎饪刂葡到y(tǒng)——Siemens PLC中。通過長期的數(shù)據(jù)記錄，并結(jié)合作物的生長特性、耕作人員的栽種經(jīng)驗，不斷的調(diào)整大棚內(nèi)的生態(tài)參數(shù)模型，通過控制日照、噴水、施肥等外接的設(shè)備系統(tǒng)，將環(huán)境參數(shù)調(diào)整到作物當前生長所需的狀態(tài)。 2.2 傳輸層2.2.1無線通訊系統(tǒng) 無線通訊是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。在農(nóng)場管理中心與作物大棚之間的信息交換，大部分通過無線通訊技術(shù)來實現(xiàn)。一般來說，十數(shù)個大棚分布起來，最遠端的大棚，距離農(nóng)場管理中心會有2~3KM。如果是中大型農(nóng)場，這個距離會達到5KM以上，甚至超過10KM。如此的通訊距離，通過穩(wěn)定的無線通訊模塊來進行數(shù)據(jù)傳輸，無疑會大大節(jié)省施工成本，并且可以保證通訊的可靠性、便捷性。 無線通訊信號是屬于一種電磁波信號，具有波的特性。采用無線通訊產(chǎn)品時，要考慮的一個是抗力，一個是通訊距離。請看下表中各種頻率的無線電磁波特點：

表一 各種頻率的無線電磁波特點對比無線產(chǎn)品受到的干擾，主要來自于三方面：① 供電電源的穩(wěn)定性。要求供電電源（一般指的是直流開關(guān)電源）的紋波系數(shù)必須足夠小，意味著由交流220V轉(zhuǎn)換成的直流24V，實際輸出值必須圍繞著24V在極小的范圍內(nèi)上下波動，保證無線通訊模塊的工作電源穩(wěn)定；② 通訊線的屏蔽能力。要求從PLC通訊接口到無線模塊的通訊接口之間的這條通訊線，必須具備屏蔽外來信號干擾的能力，距離越短越好，很多無線的信號受到干擾，其實就在這里信號已經(jīng)發(fā)生了變形；③ 同頻干擾。無線通訊產(chǎn)品的公理：同頻必定干擾。如何降低同頻的可能性，就需要在降低通訊帶寬上取得突破。2.4GHz的無線產(chǎn)品，工作時占用的帶寬常常以M為計算單位。而433MHz的無線產(chǎn)品，帶寬則是以K為計算單位（注：1M=1024K），一般為20K左右的帶寬。相對比之下，占用帶寬越小，受到同頻干擾的可能性越低。賽遠的工業(yè)無線通訊產(chǎn)品，同時還可以支持多達64個信道的使用和切換（注：每個信道代表著不同的工作頻段），更是大大提高了抗干擾的能力。如圖四所示，各種常見的自動化設(shè)備，在正常工作時產(chǎn)品的諧波，都不足以影響433MHz無線產(chǎn)品的穩(wěn)定使用。圖四 常用的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的無線信號頻段范圍

在通訊距離上，2.4GHz的無線產(chǎn)品，由于電磁波“頻率越高，波長越小"以及“波長越小，衍射能力越弱"的特性，同等功率下，遠遠無法與433MHz的無線產(chǎn)品相比。設(shè)計時，也采用過諸多方案進行無線，市面上大部分產(chǎn)品采用了2.4G WIFI協(xié)議進行傳輸，在調(diào)試的時候，在可對視的時候，能夠建立正常的通訊，速度可以達到54Mbps，甚至可以傳輸視頻。但在移動過程中，很難保證可對視的傳輸。2.4G的信號在有遮擋物的情況下，時有時無，表現(xiàn)不穩(wěn)定。如果遇到雨天天氣，信號變得不穩(wěn)定。

經(jīng)過深度分析，2.4G的產(chǎn)品，主要是由于其物理特性決定了傳輸?shù)难苌淠芰Α?/span>2.4G的頻段，波長約為124mm，其信號衰減快，衍射能力弱。這就是微波的特性。任何品牌的產(chǎn)品也無法改變該物理特性，所以在遇到遮擋物時，包括下雨天天氣，水分子就相當于一堵堵墻，吸收微波，并無法衍射，導(dǎo)致信號被吸收而失真，導(dǎo)致通題。

由此，在復(fù)雜環(huán)境，必須選用衍射能力更加強的低頻產(chǎn)品進行傳輸，如采用433MHz的無線通訊產(chǎn)品，其波長為692mm，波長較長的信號的衍射能力強，信號可以進行反射和繞射，將信號傳輸?shù)侥康牡亍６?，無線電的傳輸速度不管是在哪個頻段，都是和光速一樣的，所以不存在信號多次衍射之后的速度降低問題，關(guān)鍵在于無線通訊模塊的處理速度和能力。

經(jīng)過現(xiàn)場對比實驗，最后選定具有國家的賽遠工業(yè)無線通訊模塊SY-S72，因為該產(chǎn)品在現(xiàn)場各個復(fù)雜環(huán)境測試，均表現(xiàn)信號穩(wěn)定，并且無線通訊模塊的處理速度很快，由于無線通訊模塊的收發(fā)帶來的時延不超過5ms，遠遠超過市面上的產(chǎn)品的性能。通過工業(yè)無線通訊系統(tǒng)，將各個大鵬的數(shù)據(jù)集中到農(nóng)場管理中心的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.2 遠程安全通訊系統(tǒng)

遠程安全通訊系統(tǒng)，針對農(nóng)場管理中心以及智能大棚的設(shè)備，為了達到工程師在農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心即信息化運行管理中心，即可實現(xiàn)到現(xiàn)場的程序?qū)崟r在線診斷、實時觀察現(xiàn)場動作、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)控的需求。

農(nóng)場管理中心現(xiàn)場的控制設(shè)備和電腦，可以通過有線ADSL寬帶，也可以是通過3G網(wǎng)絡(luò)，上到Internet公網(wǎng)，連接到農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心（信息化運行管理中心）。

不同的配置，對于農(nóng)場管理中心，可以同時連接不同數(shù)量的農(nóng)場進行實時在線診斷、預(yù)警、維護、升級等工作，從運行管理中心，到現(xiàn)場的每個站點，讀寫數(shù)據(jù)*支持PLC的OPC協(xié)議，更為關(guān)鍵的是實現(xiàn)了對可編程控制器PLC的程序級訪問，上下載程序、在線診斷都不再是困擾難題，的節(jié)省每一次故障或者調(diào)試，需要團隊去現(xiàn)場的大量硬性和軟性成本，實現(xiàn)當下的信息化，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲由遠端服務(wù)器執(zhí)行的云計算化，將傳統(tǒng)的工控和IT互聯(lián)網(wǎng)真正的工業(yè)化和信息化的融合。

在該安全通訊系統(tǒng)中，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了工業(yè)協(xié)議進行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過公網(wǎng)傳輸?shù)臅r候，采用的S-Link協(xié)議，是專用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運行保障中心，通過SY-RSCM進行核對和驗證，再進行準確的安全的解包，傳遞給目標對象。

通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)的是針對農(nóng)場管理中心轄下的大棚信息化的作物全生長周期的遠程管理：養(yǎng)料、水分、陽光、溫度等等，并且注重信息通訊過程中的安全性，體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)遠程安全通訊模塊的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)向廣域網(wǎng)的擴充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對每一層的數(shù)據(jù)包進行檢查和監(jiān)控，實現(xiàn)內(nèi)容過濾，入侵偵測，入侵保護等功能。并可對工業(yè)數(shù)據(jù)進行S-Link協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

(2)遠程安全通訊模塊帶有身份認證技術(shù)，可實現(xiàn)設(shè)備認證和使用者認證，使得工業(yè)數(shù)據(jù)只能在經(jīng)過了認證的模塊直接傳輸，以及有認證許可的操作人員進行數(shù)據(jù)讀取等。

(3)工業(yè)數(shù)據(jù)在Internet中傳輸過程中，采用S-Link協(xié)議。這種協(xié)議是專門針對工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸所開發(fā)的。它是基于標準協(xié)議的不通用性，以及工業(yè)現(xiàn)場總線的特殊要求，以協(xié)議轉(zhuǎn)換準確和安全性為首要目標的一種非公開密鑰方式的專用協(xié)議，采用了RSA算法，密鑰為1536位加密非對稱密鑰，公鑰和私鑰結(jié)合使用的方式進行加密。S-Link協(xié)議的應(yīng)用確保了工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸?shù)臋C密性，真實性和完整性。

(4)整個系統(tǒng)采用了虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)，各個設(shè)備在邏輯上劃分到了一個局域網(wǎng)中，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求。同時，限制了工業(yè)數(shù)據(jù)只能在同一VLAN中傳輸，防止了數(shù)據(jù)在Internet上的廣播，提高了工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/span>

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層，即為在感知層、傳輸層搭建完畢之后，在農(nóng)場管理中心對大棚信息化的管理、農(nóng)業(yè)監(jiān)控中心對農(nóng)場管理中心的調(diào)控過程中，信息化運行管理中心所能實現(xiàn)的功能。

物聯(lián)網(wǎng)的一個核心，就是應(yīng)用層，在大量的數(shù)據(jù)采集和匯總之后，如何是實現(xiàn)信息的準確處理和實時傳輸，需要通過軟件，將關(guān)聯(lián)方需要什么體現(xiàn)出來。本系統(tǒng)選用了易控組態(tài)軟件搭建，易控（INSPEC）基于.net平臺開發(fā)，其的圖形系統(tǒng)、C#用戶程序、多語言等功能，其全面提升的穩(wěn)定性、開放性和用戶人機體驗，已成為新一代組態(tài)軟件的*。

2.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測功能：各農(nóng)場每個大棚防寒卷簾開閉狀態(tài)、大棚噴水系統(tǒng)狀態(tài)、土壤酸堿度、棚內(nèi)溫度等，凡是能集中到可編程控制器中的信息，均可在線監(jiān)測。

2.3.2 遠程控制功能：遠程（無線）控制各農(nóng)場各個大棚的卷簾機、噴水系統(tǒng)的啟停工作等，凡是接在可編程控制器外圍的設(shè)備，均可遠程啟?？刂?。

2.3.3 報警功能：在服務(wù)器中，定時存儲各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、事件報警信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通訊回到運行中心，則可以建立各項參數(shù)預(yù)警保障機制，如對棚內(nèi)濕度低于標準濕度告警、有害氣體超標告警等。同時支持各類信息查詢，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)生成報表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。

2.3.4 視頻監(jiān)視：通過現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)將視頻傳輸至信息中心，實現(xiàn)實時監(jiān)視、視頻數(shù)據(jù)存儲，回放。并可遠程控制攝像機視野，更加人性化。

2.3.5 監(jiān)控界面：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監(jiān)測多個農(nóng)場視頻和數(shù)據(jù)，也可以切換成單個農(nóng)場的視頻和數(shù)據(jù)顯示。

2.3.6 多平臺監(jiān)控：既可以是固定場所臺式工控機實時監(jiān)控，也可以是通過平板電腦、手機等便攜智能IT設(shè)備，隨時隨地、方便快捷的調(diào)控農(nóng)場、大棚的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、操作實時視頻等內(nèi)容。

2.3.7 權(quán)限管理：對不同的操作使用者授予不同的使用權(quán)限，實現(xiàn)多級管理與監(jiān)控，避免信息、控制混亂等情況。

2.3.8 開放：可以任意增加、減少所監(jiān)控的農(nóng)場數(shù)量。隨著宏觀調(diào)整，可以合理布局農(nóng)場數(shù)量，在已建成的系統(tǒng)便捷的增刪、修改。預(yù)留與其他系統(tǒng)的通訊接口，例如區(qū)域天氣預(yù)報系統(tǒng)，將其中的天氣數(shù)據(jù)與生態(tài)農(nóng)場大棚信息化管理中心的參數(shù)進行對接，智能調(diào)整大棚現(xiàn)場參數(shù)，實現(xiàn)大棚無人值守。

3 信息化管理中心的特點

信息化管理中心的數(shù)據(jù)，通過廣泛分布的地區(qū)進行集中化采集，必須通過公共網(wǎng)絡(luò)，而如何實現(xiàn)不同地區(qū)的控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)安全傳輸，是本系統(tǒng)中十分重要的一個環(huán)節(jié)。

賽遠工業(yè)遠程安全通訊系統(tǒng)，*是自主創(chuàng)新的通訊系統(tǒng)，不同于市面上的MODEM撥號、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場需要電腦進行遠程桌面的方式，不同于固定IP查找對方的方式，具有如下顯著的特點：

ü 工程師實時分鐘級的響應(yīng)，實時運行保障

ü 兩端均不需要固定IP，數(shù)據(jù)直接點對點連接，無需經(jīng)過第三方服務(wù)器

ü internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式

ü 支持各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP

ü 現(xiàn)場視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸

ü PLC程序級控制，數(shù)據(jù)OPC采集

ü 數(shù)據(jù)實時雙向傳輸

ü 架設(shè)和配置簡單，高效

ü 的賽遠安全通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定

ü 一次性投入，無后續(xù)產(chǎn)品服務(wù)費用

ü 支持數(shù)據(jù)雙通道軟硬件冗余

ü 數(shù)據(jù)安全加密1536位S-Link加密

ü 通信安全認證方式：支持指紋認證、短信認證、USB KEY認證、U-KEY認證；CA認證、國密辦認證體系、動態(tài)令牌認證、X.509數(shù)字證書認證

ü 密碼保護措施：采用密碼強度檢測、周期性更換密碼要求、防暴力破解策略、賬號鎖定解鎖功能、管理員密碼權(quán)限設(shè)置、軟鍵盤、圖形驗證碼等輸入驗證方式

ü 支持Pad、智能手機、筆記本、上網(wǎng)本等等設(shè)備遠程查看、修改等操作

4 結(jié)束語

基于傳感器感知采集技術(shù)、PLC邏輯控制技術(shù)、串口無線通訊技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)、組態(tài)二次開發(fā)技術(shù)以及的Internet網(wǎng)絡(luò)安全通訊技術(shù)搭建而成的生態(tài)農(nóng)場大棚信息化管理中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很好的滿足了農(nóng)場與大棚的整體監(jiān)控和智能化的需求。賽遠的具有工業(yè)安全通訊技術(shù)的工業(yè)遠程系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能大棚的遠程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了調(diào)控、維護、預(yù)警成本，并通過該系統(tǒng)建立了大棚作物的全生長周期管理系統(tǒng)，在21世紀，從過去的人工耕作溫室大棚，轉(zhuǎn)型為信息聯(lián)網(wǎng)和集控智能化大棚，是信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云計算化高速穩(wěn)定發(fā)展帶來的巨大轉(zhuǎn)變，目前該系統(tǒng)隨著生態(tài)農(nóng)場信息化大棚的配套，在國內(nèi)外均運行效果良好。

參考文獻

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