農業(yè)四情遠程監(jiān)測系統(tǒng) 技術方案

1.行業(yè)背景

農業(yè)四情遠程監(jiān)測系統(tǒng)是一種綜合性的農業(yè)環(huán)境監(jiān)測設備，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，基本囊括了農業(yè)生產過程中可能遇到的問題和所需要的數(shù)據(jù)信息，對農業(yè)生產現(xiàn)代化的發(fā)展有重要的幫助作用。

當前作物栽培的發(fā)展方向是提高產量、保證質量、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，完結更高的出產效益。
農業(yè)的未來，在于農業(yè)科技的不斷進步。隨著傳統(tǒng)農業(yè)向智慧農業(yè)的轉變，互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術結合應用到了農業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，大大提高了勞動力、資本等各項生產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，能實時查看農作物的生長情況，春季田管也變得更有針對性。實現(xiàn)對農田生態(tài)環(huán)境和農作物“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，結合系統(tǒng)預警模型，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

由于農田所處位置比較偏遠，覆蓋范圍較大，沒有網絡，沒有供電，一般的通訊設備不能在這種環(huán)境下工作，應用lora通訊方案較為合適。

• 環(huán)境惡劣，需要設備工業(yè)品質設備

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

• 數(shù)據(jù)需遠程監(jiān)測

農業(yè)四情監(jiān)測系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測，農業(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

本方案在總體設計中是以網絡信息技術為核心，在工業(yè)控制與物聯(lián)網技術相融合基礎上，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)通訊網絡、智能控制設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、大數(shù)據(jù)、地理信息、智能分析、等前沿技術，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，有效促智慧農業(yè)的發(fā)展。

3.2系統(tǒng)設計

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

3.3網絡拓撲

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、網絡傳輸端和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端三部分組成。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集前端設備負責時時采集場站內的情況，數(shù)據(jù)業(yè)務采用溫濕度傳感器、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。

網絡傳輸端是信號傳送的通道，負責與監(jiān)控中間建立網絡通道，將前端設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備。

在云服務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)采集設備運行情況、相關運行參數(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：

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

3.4.2網絡傳輸端設計

• 網絡傳輸端功能

網絡傳輸端是整個遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)絡的樞紐，部署在農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、調度，必須建立連接所有監(jiān)控點的通訊網絡。網絡傳輸端采用工業(yè)級無線lora網關作為數(shù)據(jù)通信載體，lora網關在接收到終端采集的數(shù)據(jù)后，工業(yè)級無線lora網關通過4G網絡接入互聯(lián)網，通過連接云服務器，把站內數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)中心。

• Lora網關設置

Lora網關設置好應用ID、信道和速率。為不同的業(yè)務規(guī)劃不同的信道及速率。將現(xiàn)場終端設備都嵌入lora模塊，每個lora模塊設置里的應用ID、信道、速率與lora網關保持一致，每個lora節(jié)點的ID設置要唯一，以便lora網關可以分辨數(shù)據(jù)對應的業(yè)務。

• 工業(yè)級設計

方案提供的工業(yè)級無線lora網關采用全工業(yè)化設計，從處理芯片、通信模塊、電子器件全采用工業(yè)級標準，產品具備以下可靠性指標：采用工業(yè)設計性，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。

• 設備集中管理規(guī)劃

考慮到系統(tǒng)中設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備，傳感器檢測的數(shù)據(jù)會匯總到lora網關，再通過4G網絡上傳至云服務器，通過中心端軟件可以直觀的查看設備在線情況，以及連接時間。

• SIM卡設計
• 物聯(lián)網SIM卡:

物聯(lián)網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)網設備上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。物聯(lián)網為普通物聯(lián)網卡和工業(yè)物聯(lián)網卡，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)網卡。工業(yè)級物聯(lián)網卡材質耐高溫耐腐蝕，使用年限長，而廣泛使用。

我司物聯(lián)網卡有多種材質與形態(tài)，滿足客戶不同場景的安裝與使用需求。結合穩(wěn)定可靠的工業(yè)級設備，豐富的IoT組網解決方案，我們?yōu)槠髽I(yè)客戶提供優(yōu)質的物聯(lián)網卡資費解決方案，簡化各大行業(yè)企業(yè)客戶所遇到的繁雜的辦卡業(yè)務流程，評估和計算客戶業(yè)務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。

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網關發(fā)送不同業(yè)務的數(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、無線傳輸技術等構建出一套害蟲生態(tài)監(jiān)測及預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進的智能識別技術，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作物的生長發(fā)育進程和產量。通過對農田、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，判斷農作物的成長速度是否與預期有偏差，如有偏差可以結合其它數(shù)據(jù)來判斷是什么導致的，從而解決問題。

4、方案技術特點

本方案充分遵從各項設計原則，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、移動無線通信技術、云計算等前沿技術，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)通信技術的新發(fā)展水平，適應時代發(fā)展的要求。

• 可靠性：

此方案通過選用工業(yè)級通信產品確保整個設備可靠運行。該產品內置高性能工業(yè)級處理器，lora網關采用最先進的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。并且設備提供多種恢復機制。

* 具備掉電自動保護、來電自動恢復、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，維持與運營商網絡側的連接，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、提供故障線路的轉移保護。。

• 實現(xiàn)現(xiàn)場網絡無人值守，無線工業(yè)lora網關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)務數(shù)據(jù)具有安全需求，在整個網絡設計中要充分考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，在設備的選型上著重衡量設備的安全性，以確保整個系統(tǒng)安全、可靠運行。

• 網絡安全防護：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絡不受外界功擊。
• 通過云服務器將遠程用戶設備、現(xiàn)場設備和公司總部數(shù)據(jù)中心網絡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)級無線網絡設備，可以選擇組建VPN網絡系統(tǒng)。系統(tǒng)結構具有可擴展性，完全滿足用戶對網絡功能需求的不斷增長。后期用戶可以根據(jù)需要改變網絡結構，增加網絡節(jié)點，擴充更多的數(shù)據(jù)采集內容。網絡完全支持。

• 經濟實用性：

通過技術經濟比較，性能價格比較，選擇lora網絡設備減少了現(xiàn)在復雜環(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)建設中享受到經濟實惠，讓整體系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能價格比。