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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邏輯控製技術、串口無線通訊技術、視頻傳輸技術、組態二次開發技術以及最新的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台，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、guilv，weijuecetigonggengjiaxiangshideshujuziliao，gengjiaqieheshijidezhihuifenxi。benwenjieheyishangtidaodexinxihuajishu，yijushijiyingyongxiaoguo，chanshushengtainongchangdapengxinxihuayunxingguanlizhongxindexianjin、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：某一農場位於華北地區，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、濕度傳感器等一係列先進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，並且采集到大棚中的可編程邏輯控製器（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係統，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、分析並在適當的時候提供給現場值守人員，對大棚實施最精確、最及時的耕作管理。該農場的生產和管理狀況，也將通過物聯網最新的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（如圖三所示）。
圖一 農場作物大棚管理示意圖
圖二 大棚中的環境數據采集與智能控製
圖三 農業監控中心示意圖
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製係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，然後傳遞數據到PLC，並執行上位機給予的控製指令。感知層所需要的關鍵技術包括檢測技術、控製技術等。
傳輸層，顧名思義指的是各個設備、係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範圍之內）和遠程通訊（不受通訊距離限製）兩個重要環節。關鍵技術包括短距離無線通信技術、基於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係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。
chuanganqishiyizhongjiancezhuangzhi，nengganshoudaobeiceliangdexinxi，bingnengjiangjianceganshoudaodexinxi，anyidingguilvbianhuanchengweidianxinhaohuoqitasuoxuxingshidexinxishuchu，yimanzuxinxidechuanshu、處理、存儲、顯示、記錄和控製等要求，它是實現自動檢測和自動控製的首要環節。
在zai現xian代dai農nong業ye自zi動dong化hua生sheng產chan，尤you其qi是shi智zhi能neng化hua生sheng產chan過guo程cheng中zhong，要yao用yong各ge種zhong傳chuan感gan器qi來lai監jian視shi和he控kong製zhi作zuo物wu生sheng長chang過guo程cheng中zhong的de各ge個ge參can數shu，使shi作zuo物wu生sheng長chang在zai正zheng常chang狀zhuang態tai或huo最zui佳jia狀zhuang態tai，並bing使shi作zuo物wu達da到dao最zui好hao的de質zhi量liang。因yin此ci可ke以yi說shuo，沒mei有you眾zhong多duo的de優you良liang的de傳chuan感gan器qi，現xian代dai化hua大da棚peng作zuo物wu耕geng作zuo也ye就jiu失shi去qu了le基ji礎chu。
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、量化並且通過總線通訊技術傳輸到電氣控製係統――Siemens PLC中。通過長期的數據記錄，並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，通過控製日照、噴水、施肥等外接的設備係統，將環境參數調整到最適合作物當前生長所需的狀態。
2.2 傳輸層
2.2.1無線通訊係統
無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)是(shi)利(li)用(yong)電(dian)磁(ci)波(bo)信(xin)號(hao)可(ke)以(yi)在(zai)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)中(zhong)傳(chuan)播(bo)的(de)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)交(jiao)換(huan)的(de)一(yi)種(zhong)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)。在(zai)農(nong)場(chang)管(guan)理(li)中(zhong)心(xin)與(yu)作(zuo)物(wu)大(da)棚(peng)之(zhi)間(jian)的(de)信(xin)息(xi)交(jiao)換(huan)，大(da)部(bu)分(fen)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)技(ji)術(shu)來(lai)實(shi)現(xian)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，十(shi)數(shu)個(ge)大(da)棚(peng)分(fen)布(bu)起(qi)來(lai)，最(zui)遠(yuan)端(duan)的(de)大(da)棚(peng)，距(ju)離(li)農(nong)場(chang)管(guan)理(li)中(zhong)心(xin)會(hui)有(you)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，並且可以保證通訊的可靠性、便捷性。
wuxiantongxunxinhaoshishuyuyizhongdianciboxinhao，juyoubodetexing。caiyongwuxiantongxunchanpinshi，yaokaolvdeyigeshikangganraonengli，yigeshitongxunjuli。qingkanxiabiaozhonggezhongpinlvdewuxiandiancibotedian：
表一 各種頻率的無線電磁波特點對比
無線產品受到的幹擾，主要來自於三方麵：
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）的紋波係數必須足夠小，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在極小的範圍內上下波動，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PLCtongxunjiekoudaowuxianmokuaidetongxunjiekouzhijiandezhetiaotongxunxian，bixujubeipingbiwailaixinhaoganraodenengli，juliyueduanyuehao，henduowuxiandexinhaoshoudaoganrao，qishijiuzaizhelixinhaoyijingfashenglebianxing；
③同頻幹擾。無線通訊產品的公理：同頻必定幹擾。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，受到同頻幹擾的可能性越低。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），更是大大提高了抗幹擾的能力。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範圍
在通訊距離上，2.4GHz的無線產品，由於電磁波“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，市麵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，主要是由於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qi信xin號hao衰shuai減jian快kuai，衍yan射she能neng力li弱ruo。這zhe就jiu是shi微wei波bo的de特te性xing。任ren何he品pin牌pai的de產chan品pin也ye無wu法fa改gai變bian該gai物wu理li特te性xing，所suo以yi在zai遇yu到dao遮zhe擋dang物wu時shi，包bao括kuo下xia雨yu天tian天tian氣qi，水shui分fen子zi就jiu相xiang當dang於yu一yi堵du堵du牆qiang，吸xi收shou微wei波bo，並bing無wu法fa衍yan射she，導dao致zhi信xin號hao被bei吸xi收shou而er失shi真zhen，導dao致zhi通tong訊xun問wen題ti。
由此，在複雜環境，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，bochangjiaochangdexinhaodeyanshenengliqiang，xinhaokeyijinxingfansheheraoshe，jiangxinhaochuanshudaomudedi。erqie，wuxiandiandechuanshusudubuguanshizainagepinduan，doushiheguangsuyiyangde，suoyibucunzaixinhaoduociyanshezhihoudesudujiangdiwenti，guanjianzaiyuwuxiantongxunmokuaidechulisuduhenengli。
經過現場對比實驗，最後選定具有國家專利的賽遠工業無線通訊模塊SY-S72，因(yin)為(wei)該(gai)產(chan)品(pin)在(zai)現(xian)場(chang)各(ge)個(ge)複(fu)雜(za)環(huan)境(jing)測(ce)試(shi)，均(jun)表(biao)現(xian)信(xin)號(hao)穩(wen)定(ding)，並(bing)且(qie)無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)模(mo)塊(kuai)的(de)處(chu)理(li)速(su)度(du)很(hen)快(kuai)，由(you)於(yu)無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)模(mo)塊(kuai)的(de)收(shou)發(fa)帶(dai)來(lai)的(de)時(shi)延(yan)不(bu)超(chao)過(guo)5ms，遠遠超過市麵上的產品的性能。通過工業無線通訊係統，將各個大鵬的數據集中到農場管理中心的數據監控係統。
應用拓撲圖如圖五所示：
圖五 農場管理中心與大棚信息化無線通訊係統拓撲圖
2.2.2 遠程安全通訊係統
遠yuan程cheng安an全quan通tong訊xun係xi統tong，針zhen對dui農nong場chang管guan理li中zhong心xin以yi及ji智zhi能neng大da棚peng的de設she備bei，為wei了le達da到dao工gong程cheng師shi在zai農nong業ye監jian控kong中zhong心xin即ji信xin息xi化hua運yun行xing管guan理li中zhong心xin，即ji可ke實shi現xian到dao現xian場chang的de程cheng序xu實shi時shi在zai線xian診zhen斷duan、實時觀察現場動作、生產數據的實時在線監控的需求，係統SCADA拓撲圖如圖六所示。
圖六 遠程安全通訊係統拓撲圖
農場管理中心現場的控製設備和電腦，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）。
中大型的信息化運行管理中心工程的裝備配置舉例如表二所示：
表三 所需配置表
不同的配置，對於農場管理中心，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，讀寫數據完全支持PLC的OPC協議，更為關鍵的是實現了對可編程控製器PLC的程序級訪問，上下載程序、在zai線xian診zhen斷duan都dou不bu再zai是shi困kun擾rao難nan題ti，最zui大da化hua的de節jie省sheng每mei一yi次ci故gu障zhang或huo者zhe調tiao試shi，需xu要yao團tuan隊dui去qu現xian場chang的de大da量liang硬ying性xing和he軟ruan性xing成cheng本ben，實shi現xian當dang下xia的de信xin息xi化hua，真zhen正zheng實shi現xian物wu聯lian網wang的de智zhi能neng化hua、網絡化，實現數據存儲由遠端中央服務器執行的雲計算化，將傳統的工控和IT互聯網真正的工業化和信息化的融合。
在該安全通訊係統中，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、防火牆等功能，通過公網傳輸的時候，采用的S-Link協議，是專用於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。
通過該係統，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，並且注重信息通訊過程中的安全性，體現在以下4個方麵：
(1)yuanchenganquantongxunmokuaideyingyong，bujinshixianlegongyeshujucongjuyuwangxiangguangyuwangdekuochong，bingqieqizidaiyingjianfanghuoqianggongneng。takeduimeiyicengdeshujubaojinxingjianzhahejiankong，shixianneirongguolv，ruqinzhence，ruqinbaohudenggongneng。bingkeduigongyeshujujinxingS-Link協議的轉換。
(2)yuanchenganquantongxunmokuaidaiyoushenfenrenzhengjishu，keshixianshebeirenzhengheshiyongzherenzheng，shidegongyeshujuzhinengzaijingguolerenzhengdemokuaizhijiechuanshu，yijiyourenzhengxukedecaozuorenyuanjinxingshujuduqudeng。
(3)工業數據在Internet中傳輸過程中，采用S-Link協(xie)議(yi)。這(zhe)種(zhong)協(xie)議(yi)是(shi)專(zhuan)門(men)針(zhen)對(dui)工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)廣(guang)域(yu)網(wang)傳(chuan)輸(shu)所(suo)開(kai)發(fa)的(de)。它(ta)是(shi)基(ji)於(yu)標(biao)準(zhun)協(xie)議(yi)的(de)不(bu)通(tong)用(yong)性(xing)，以(yi)及(ji)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)，以(yi)協(xie)議(yi)轉(zhuan)換(huan)準(zhun)確(que)和(he)安(an)全(quan)性(xing)為(wei)首(shou)要(yao)目(mu)標(biao)的(de)一(yi)種(zhong)非(fei)公(gong)開(kai)密(mi)鑰(yao)方(fang)式(shi)的(de)專(zhuan)用(yong)協(xie)議(yi)，采(cai)用(yong)了(le)RSA算法，密鑰最高為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)整個係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，限製了工業數據隻能在同一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、傳輸層搭建完畢之後，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。
wulianwangdeyigehexin，jiushiyingyongceng，zaidaliangdeshujucaijihehuizongzhihou，ruheshishixianxinxidezhunquechuliheshishichuanshu，xuyaotongguoruanjian，jiangguanlianfangxuyaoshenmetixianchulai。benxitongxuanyongleyikongzutairuanjiandajian，yikong（INSPEC）基於.net平台開發，其全球領先的圖形係統、C#用戶程序、多語言等功能，其全麵提升的穩定性、開放性和用戶人機體驗，已成為新一代組態軟件的典範。
2.3.1 數據監測功能：各農場每個大棚防寒卷簾開閉狀態、大棚噴水係統狀態、土壤酸堿度、棚內溫度等，凡是能集中到可編程控製器中的信息，均可在線監測。
圖七 大棚信息化數據監控
2.3.2 遠程控製功能：遠程（無線）控製各農場各個大棚的卷簾機、噴水係統的啟停工作等，凡是接在可編程控製器外圍的設備，均可遠程啟停控製。
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製，如對棚內濕度低於標準濕度告警、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。並可遠程控製攝像機視野，更加人性化。
2.3.5 監控界麵：實時監測數據與視頻在同一界麵上顯示，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。
圖八 農業監控中心
2.3.6 多平台監控：既可以是固定場所台式工控機實時監控，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。
圖九 平板隨時隨地遠程監控
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，避免信息泄密、控製混亂等情況。
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，在已建成的係統便捷的增刪、xiugai。yuliuyuqitaxitongdetongxunjiekou，liruquyutianqiyubaoxitong，jiangqizhongdetianqishujuyushengtainongchangdapengxinxihuaguanlizhongxindecanshujinxingduijie，zhinengtiaozhengdapengxianchangcanshu，shixiandapengwurenzhishou。
圖十 天氣預報數據係統
3 信息化管理中心的特點
信(xin)息(xi)化(hua)管(guan)理(li)中(zhong)心(xin)的(de)數(shu)據(ju)，通(tong)過(guo)廣(guang)泛(fan)分(fen)布(bu)的(de)地(di)區(qu)進(jin)行(xing)集(ji)中(zhong)化(hua)采(cai)集(ji)，必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)公(gong)共(gong)網(wang)絡(luo)，而(er)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)不(bu)同(tong)地(di)區(qu)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)安(an)全(quan)傳(chuan)輸(shu)，是(shi)本(ben)係(xi)統(tong)中(zhong)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)個(ge)環(huan)節(jie)。
賽遠工業遠程安全通訊係統，完全是自主創新的通訊係統，不同於市麵上的MODEM撥號、GPRS等低速連接係統，不同於現場需要電腦進行遠程桌麵的方式，不同於固定IP查找對方的方式，具有如下顯著的特點：
・ 工程師實時分鍾級的響應，實時運行保障
・ 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
・ 全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式
・ 支持各種工業以太網協議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP
・ 現場視頻和工業數據一起傳輸
・ PLC程序級控製，數據OPC采集
・ 數據實時雙向傳輸
・ 架設和配置簡單，高效
・ 最新的賽遠專利安全通訊技術，數據安全和穩定
・ 一次性投入，無後續產品服務費用
・ 支持數據雙通道軟硬件冗餘
・ 數據安全加密最高1536位S-Link加密
・ 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、國密辦認證體係、動態令牌認證、X.509數字證書認證
・ 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
・ 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
基於傳感器感知采集技術、PLC邏輯控製技術、串口無線通訊技術、視頻傳輸技術、組態二次開發技術以及最新的Internet網(wang)絡(luo)安(an)全(quan)通(tong)訊(xun)技(ji)術(shu)搭(da)建(jian)而(er)成(cheng)的(de)生(sheng)態(tai)農(nong)場(chang)大(da)棚(peng)信(xin)息(xi)化(hua)管(guan)理(li)中(zhong)心(xin)網(wang)絡(luo)係(xi)統(tong)，很(hen)好(hao)的(de)滿(man)足(zu)了(le)農(nong)場(chang)與(yu)大(da)棚(peng)的(de)整(zheng)體(ti)監(jian)控(kong)和(he)智(zhi)能(neng)化(hua)的(de)需(xu)求(qiu)。賽(sai)遠(yuan)的(de)具(ju)有(you)最(zui)新(xin)專(zhuan)利(li)工(gong)業(ye)安(an)全(quan)通(tong)訊(xun)技(ji)術(shu)的(de)工(gong)業(ye)遠(yuan)程(cheng)係(xi)統(tong)，實(shi)現(xian)了(le)智(zhi)能(neng)大(da)棚(peng)的(de)遠(yuan)程(cheng)采(cai)集(ji)與(yu)集(ji)中(zhong)監(jian)控(kong)功(gong)能(neng)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)調(tiao)控(kong)、維護、預警成本，並通過該係統建立了大棚作物的全生長周期管理係統，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、雲計算化高速穩定發展帶來的巨大轉變，目前該係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。
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