賽遠農業物聯網-生態農場信息化運行管理中心

摘 要：應用傳感器感知采集技術、PLC邏輯控制技術、串口無線通訊技術、視頻傳輸技術、組態二次開發技術以及的Internet網絡安全通訊技術，實現“農業監控中心-農場管理中心-農場大棚勞作管理”的一體化信息化集中管理和統籌協調。利用農業物聯網信息化平臺，將實現更科學的農作物耕作信息搜集、分析和應用，更及時的氣候、物種災害預防和布控，更宏觀的掌握農業動態變化趨勢、規律，為決策提供更加詳實的數據資料，更加切合實際的智慧分析。本文結合以上提到的信息化技術，依據實際應用效果，闡述生態農場大棚信息化運行管理中心的*、安全、穩定、可靠！

關鍵詞：農業物聯網 農場信息化 安全穩定 工業網絡 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

生態農場大棚信息化背景為：某一農場位于華北地區，與當地農戶合作，架設了11個反季節蔬菜栽種大棚（如圖一所示），意在寒冬季節，仍能為本地和更北方的地區供應新鮮蔬菜。大棚中鋪設了溫度傳感器、濕度傳感器等一系列*的環境數據感知監測儀器，能夠實時反映大棚中的各種環境參數，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節所需要的環境數據（土壤、溫度、濕度等），為作物的反季節栽種提供更科學的依據，農場也架設了大棚管理中心，通過無線通訊技術和系統，將各個大棚的Siemens PLC中的各項參數采集到該處，利用組態軟件技術，對這些數據進行對應的二次轉換和開發、記錄、分析并在適當的時候提供給現場值守人員，對大棚實施確、最及時的耕作管理。該農場的生產和管理狀況，也將通過物聯網的Internet網絡安全通訊技術傳送到上一級的農業監控中心，以做遠程監控、生產調研、宏觀調控等。

2 搭建生態農場大棚信息化運行管理中心

生態農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、傳輸層和應用層。感知層解決的是電氣控制系統與大棚環境的數據獲取問題。它首先通過傳感器、網絡攝像頭等設備，采集大棚的環境數據，然后傳遞數據到PLC，并執行上位機給予的控制指令。感知層所需要的關鍵技術包括檢測技術、控制技術等。傳輸層，顧名思義指的是各個設備、系統之間的數據交換的通道。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）和遠程通訊（不受通訊距離限制）兩個重要環節。關鍵技術包括短距離無線通信技術、基于廣域網的工業數據安全通訊技術等。應用層包括了農場管理中心對大棚信息化的管理、農業監控中心對農場管理中心的在線調控等，是通過應用組態軟件、數據庫等多種綜合性系統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，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。在現代農業自動化生產，尤其是智能化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制作物生長過程中的各個參數，使作物生長在正常狀態或狀態，并使作物達到質量。因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化大棚作物耕作也就失去了基礎。在大棚中應用到的傳感器，負責將土壤酸堿度、空氣濕度、大棚溫度等等關乎作物生長的環境參數，感知、量化并且通過總線通訊技術傳輸到電氣控制系統——Siemens PLC中。通過長期的數據記錄，并結合作物的生長特性、耕作人員的栽種經驗，不斷的調整大棚內的生態參數模型，通過控制日照、噴水、施肥等外接的設備系統，將環境參數調整到作物當前生長所需的狀態。 2.2 傳輸層2.2.1無線通訊系統 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來實現。一般來說，十數個大棚分布起來，最遠端的大棚，距離農場管理中心會有2~3KM。如果是中大型農場，這個距離會達到5KM以上，甚至超過10KM。如此的通訊距離，通過穩定的無線通訊模塊來進行數據傳輸，無疑會大大節省施工成本，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品受到的干擾，主要來自于三方面：① 供電電源的穩定性。要求供電電源（一般指的是直流開關電源）的紋波系數必須足夠小，意味著由交流220V轉換成的直流24V，實際輸出值必須圍繞著24V在極小的范圍內上下波動，保證無線通訊模塊的工作電源穩定；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發生了變形；③ 同頻干擾。無線通訊產品的公理：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的無線產品，工作時占用的帶寬常常以M為計算單位。而433MHz的無線產品，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。賽遠的工業無線通訊產品，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備，在正常工作時產品的諧波，都不足以影響433MHz無線產品的穩定使用。圖四 常用的工業設備產生的無線信號頻段范圍

在通訊距離上，2.4GHz的無線產品，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的無線產品相比。設計時，也采用過諸多方案進行無線，市面上大部分產品采用了2.4G WIFI協議進行傳輸，在調試的時候，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，表現不穩定。如果遇到雨天天氣，信號變得不穩定。

經過深度分析，2.4G的產品，主要是由于其物理特性決定了傳輸的衍射能力。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，導致信號被吸收而失真，導致通題。

由此，在復雜環境，必須選用衍射能力更加強的低頻產品進行傳輸，如采用433MHz的無線通訊產品，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，將信號傳輸到目的地。而且，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，關鍵在于無線通訊模塊的處理速度和能力。

經過現場對比實驗，最后選定具有國家的賽遠工業無線通訊模塊SY-S72，因為該產品在現場各個復雜環境測試，均表現信號穩定，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帶來的時延不超過5ms，遠遠超過市面上的產品的性能。通過工業無線通訊系統，將各個大鵬的數據集中到農場管理中心的數據監控系統。

2.2.2 遠程安全通訊系統

遠程安全通訊系統，針對農場管理中心以及智能大棚的設備，為了達到工程師在農業監控中心即信息化運行管理中心，即可實現到現場的程序實時在線診斷、實時觀察現場動作、生產數據的實時在線監控的需求。

農場管理中心現場的控制設備和電腦，可以通過有線ADSL寬帶，也可以是通過3G網絡，上到Internet公網，連接到農業監控中心（信息化運行管理中心）。

不同的配置，對于農場管理中心，可以同時連接不同數量的農場進行實時在線診斷、預警、維護、升級等工作，從運行管理中心，到現場的每個站點，讀寫數據*支持PLC的OPC協議，更為關鍵的是實現了對可編程控制器PLC的程序級訪問，上下載程序、在線診斷都不再是困擾難題，的節省每一次故障或者調試，需要團隊去現場的大量硬性和軟性成本，實現當下的信息化，真正實現物聯網的智能化、網絡化，實現數據存儲由遠端服務器執行的云計算化，將傳統的工控和IT互聯網真正的工業化和信息化的融合。

在該安全通訊系統中，通過軟硬件設計，實現了工業協議進行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過公網傳輸的時候，采用的S-Link協議，是專用于傳輸工業數據的一個穩定、安全的私鑰協議。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，實現的是針對農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，體現在以下4個方面：

(1)遠程安全通訊模塊的應用，不僅實現了工業數據從局域網向廣域網的擴充，并且其自帶硬件防火墻功能。它可對每一層的數據包進行檢查和監控，實現內容過濾，入侵偵測，入侵保護等功能。并可對工業數據進行S-Link協議的轉換。

(2)遠程安全通訊模塊帶有身份認證技術，可實現設備認證和使用者認證，使得工業數據只能在經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據讀取等。

(3)工業數據在Internet中傳輸過程中，采用S-Link協議。這種協議是專門針對工業數據廣域網傳輸所開發的。它是基于標準協議的不通用性，以及工業現場總線的特殊要求，以協議轉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，公鑰和私鑰結合使用的方式進行加密。S-Link協議的應用確保了工業數據廣域網傳輸的機密性，真實性和完整性。

(4)整個系統采用了虛擬局域網VLAN技術，各個設備在邏輯上劃分到了一個局域網中，滿足了工業數據傳輸的實時性要求。同時，限制了工業數據只能在同一VLAN中傳輸，防止了數據在Internet上的廣播，提高了工業數據傳輸的安全性。

2.3 應用層

應用層，即為在感知層、傳輸層搭建完畢之后，在農場管理中心對大棚信息化的管理、農業監控中心對農場管理中心的調控過程中，信息化運行管理中心所能實現的功能。

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

2.3.1 數據監測功能：各農場每個大棚防寒卷簾開閉狀態、大棚噴水系統狀態、土壤酸堿度、棚內溫度等，凡是能集中到可編程控制器中的信息，均可在線監測。

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

2.3.3 報警功能：在服務器中，定時存儲各種監測數據、事件報警信息、實時監測數據等數據通訊回到運行中心，則可以建立各項參數預警保障機制，如對棚內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，可以將監測數據、報警數據生成報表，數據可以導出，支持打印輸出。

2.3.4 視頻監視：通過現場工業以太網將視頻傳輸至信息中心，實現實時監視、視頻數據存儲，回放。并可遠程控制攝像機視野，更加人性化。

2.3.5 監控界面：實時監測數據與視頻在同一界面上顯示，可以同屏監測多個農場視頻和數據，也可以切換成單個農場的視頻和數據顯示。

2.3.6 多平臺監控：既可以是固定場所臺式工控機實時監控，也可以是通過平板電腦、手機等便攜智能IT設備，隨時隨地、方便快捷的調控農場、大棚的現場數據、操作實時視頻等內容。

2.3.7 權限管理：對不同的操作使用者授予不同的使用權限，實現多級管理與監控，避免信息、控制混亂等情況。

2.3.8 開放：可以任意增加、減少所監控的農場數量。隨著宏觀調整，可以合理布局農場數量，在已建成的系統便捷的增刪、修改。預留與其他系統的通訊接口，例如區域天氣預報系統，將其中的天氣數據與生態農場大棚信息化管理中心的參數進行對接，智能調整大棚現場參數，實現大棚無人值守。

3 信息化管理中心的特點

信息化管理中心的數據，通過廣泛分布的地區進行集中化采集，必須通過公共網絡，而如何實現不同地區的控制系統之間的數據安全傳輸，是本系統中十分重要的一個環節。

賽遠工業遠程安全通訊系統，*是自主創新的通訊系統，不同于市面上的MODEM撥號、GPRS等低速連接系統，不同于現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，實時運行保障

ü 兩端均不需要固定IP，數據直接點對點連接，無需經過第三方服務器

ü internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式

ü 支持各種工業以太網協議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP

ü 現場視頻和工業數據一起傳輸

ü PLC程序級控制，數據OPC采集

ü 數據實時雙向傳輸

ü 架設和配置簡單，高效

ü 的賽遠安全通訊技術，數據安全和穩定

ü 一次性投入，無后續產品服務費用

ü 支持數據雙通道軟硬件冗余

ü 數據安全加密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、動態令牌認證、X.509數字證書認證

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、管理員密碼權限設置、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、上網本等等設備遠程查看、修改等操作

4 結束語

基于傳感器感知采集技術、PLC邏輯控制技術、串口無線通訊技術、視頻傳輸技術、組態二次開發技術以及的Internet網絡安全通訊技術搭建而成的生態農場大棚信息化管理中心網絡系統，很好的滿足了農場與大棚的整體監控和智能化的需求。賽遠的具有工業安全通訊技術的工業遠程系統，實現了智能大棚的遠程采集與集中監控功能，大大降低了調控、維護、預警成本，并通過該系統建立了大棚作物的全生長周期管理系統，在21世紀，從過去的人工耕作溫室大棚，轉型為信息聯網和集控智能化大棚，是信息化、智能化、網絡化、云計算化高速穩定發展帶來的巨大轉變，目前該系統隨著生態農場信息化大棚的配套，在國內外均運行效果良好。

參考文獻

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