专利名称：高适用性农产品生产风险因子数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种农产品生产风险因子数据采集系统，具体的说是一种能实现传感器定制、农作物生长模型和农作物灾害模型定制的数据采集系统。
背景技术：
农产品数量安全是新阶段国家安全的基础，农作物生长基础数据采集是农产品数量安全分析与预警的基础。农作物生长基础数据采集设备要求能够在野外、无人值守的条件下自动采集多种环境数据，并自动上报给数据中心，同时要求能够根据监测的数据信息自动生成遇警报告。农产品生产受气候、土壤、光照等因素影响很大。不同地区的同种作物， 相同地区的不同作物，对自然条件的要求也由所区别；即使同一地区、同一作物在生长的不同阶段受外界的影响程度也不尽相同；同时，影响农作物生长的风险因子众多，在农作物生产监测中只能选择一些主要的参数进行采集，因此要求采集系统能够适应所携带传感器的定制需求。目前，有些设备能够支持无线方式的数据传输，通过无线局域网或通过GSM网络， 但对所携带传感器的传感器定制支持不够。
发明内容
本发明的目的在于一种高适用性农产品生产风险因子数据采集系统，该系统通过数据中心和采集设备的协作而实现。为此，本发明提供一种农产品生产风险因子数据采集系统，包括采集设备和数据中心，其中该采集设备包括感知模块、数据处理模块和通讯模块，所述感知模块是定制的传感器，以进行不同风险因子数据的采集，所述数据处理模块负责采集策略和上报策略的定制、存储和执行，所述通讯模块用于与该数据中心进行通信，以实现采集数据的上报和指令的接收；其中数据中心的功能包括设备管理、传感器管理、采集策略管理、上报策略管理、 遇警策略管理、采集管理、采集数据存储、采集数据展示。特别地，所述设备管理主要完成设备的注册、注销以及运行状态的管理；所述传感器管理主要完成已注册设备所携带的传感器的注册、注销、更改这些管理功能，其中包括传感器类型、信号输出类型、对应端口这些信息；所述采集策略管理用于设置传感器的数据采集频率；所述上报策略管理用于设置传感器所采集数据的上报频率；所述遇警策略管理用于管理各传感器数据的上下阈值，以及遇警后采集频率和上报频率设置的策略管理；所述采集管理用于完成数据采集的实时监控，及时发现设备或传感器是否发生故障或异常；所述采集数据存储用于将采集的数据按设备、分类、时间存储到数据库中；所述采集数据展示以地理信息系统的方式展示所采集的数据。特别地所述传感器的输出信号主要有三类脉冲型、电压型和电流型，其中支持脉冲型信号输出的传感器有降水传感器、风速传感器；支持电压型信号输出的传感器有日照时数传感器或净辐射传感器、风速风向传感器、温湿度传感器或土壤水分传感器；支持电流型信号输出的传感器有风速风向传感器、温湿度传感器或土壤水分传感器。进一步地，所述传感器的定制包括针对不同生产厂家生产的、不同信号输出方式的、不同类型的各种传感器，根据农作物的种类、生长阶段、种植区域而灵活地进行定制。进一步地，通过开关电路将所述传感器的不同信号转换为标准的电压信号，以适应不同传感器的信号输出方式。进一步地，对于电流型或脉冲型的传感器，将所述开关电路置于联通状态，经过中心电阻150欧的可变电阻将所述传感器的输出信号转换为0-3. 3v的电压信号；而对于电压型的传感器，将所述开关电路置于断开状态，使得所述传感器的输出信号通过保护电路连接到A/D端口，以进行数据的采集。特别地，根据种植区域、种植农作物的种类和/或所处的生长发育期而实时设定所述传感器的上下阈值，以定制农作物生长模型和农作物灾害模型。特别地，所述采集设备支持周期上报、遇警上报和指令上报这三种上报方式，其中所述周期上报是依据农产品生产情况，设定固定的上报周期，采集设备周期性的上报监测数据；所述遇警上报是根据既定策略，当监测数据突破设定数值后，该设备主动上报监测数据信息，以支持预警工作；所述指令上报是所述数据中心下发一个数据查询指令，所述采集设备接到指令后，实时上报监测数据信息。特别地，所述系统基于GSM网络，以采集协议为通信规范，使用SMS和GRPS服务在所述数据中心和所述采集设备之间传递信息。本发明的农产品生产风险因子数据采集系统实现了多种类型传感器的定制，能够支持各传感器阈值的实时设定，并可通过数据中心按既定周期设定农作物生长模型和农作物灾害模型的相关阈值，提高了系统的适应性。
图1是本发明的农产品生产风险因子数据采集系统的系统结构简图；图2是本发明的农产品生产风险因子数据采集系统的采集设备框架图；图3是本发明的农产品生产风险因子数据采集系统的采集设备启动消息时序图；图4是本发明的农产品生产风险因子数据采集系统的系统结构框架图。
具体实施例方式下边结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细阐述。高适用性农产品生产风险因子数据采集系统通过数据中心、采集设备协作完成自适应的数据采集，形成一套完整的数据采集系统。该系统主要由采集设备和数据中心组成， 二者通过GSM网络进行通讯，如图1所示。采集设备部署在农作物生长区的田间，能够在无人值守的环境下自主运行。该设备由感知模块、数据处理模块和通讯模块组成。数据采集模块可根据需求定制最多8个传感器，进行不同风险因子数据的采集，传感器的输出接口可以是脉冲、电压或者电流；数据处理模块是采集设备的核心，它负责采集策略和上报策略的定制、存储和执行；采集设备通过通讯模块与数据中心进行教会，完成采集数据的上报和指令的接收。采集设备采用220V 火电供电，以6V可充电电池作为备用电源，在电池充电完全时，电池可提供48小时电力供
4应；采集设备封装在防尘、防水机箱中，以适应野外的运行环境。数据中心的主要功能包括设备管理、传感器管理、采集策略管理、上报策略管理、 遇警策略管理、采集管理、采集数据存储、采集数据展示、日志管理、用户管理等功能。设备管理主要完成设备的注册、注销以及运行状态的管理；传感器管理主要完成已注册设备所携带的传感器的注册、注销、更改等管理功能，包括传感器类型、信号输出类型、对应端口等信息；采集策略管理用于设置传感器的数据采集频率；上报策略管理用于设置传感器所采集数据的上报频率；遇警策略管理用于管理各传感器数据的上下阈值，阈值是一组数据，虽时间而变化，以及遇警后采集频率和上报频率设置的策略管理；采集管理用于完成数据采集的实时监控，及时发现设备或传感器是否发生故障或异常；采集数据存储将采集的数据按设备、分类、时间存储到数据库中；采集数据展示以地理信息系统的方式展示所采集的数据。下面介绍传感器定制方法。目前，与农业生产相关的风险因子较多，例如日照时数、净辐射、风速、风向、温度、 湿度、土壤水分、降水量等，系统要能够自适应地定制传感器的类型，并能够支持多厂家的传感器产品型号。传感器的信号输出信号主要有三类脉冲型、电流型和电压型，支持脉冲型信号输出的传感器有降水传感器、风速传感器等；支持电压型信号输出的传感器有日照时数传感器、净辐射传感器、风速风向传感器、温湿度传感器、土壤水分传感器等；支持电流型信号输出的传感器有风速风向传感器、温湿度传感器、土壤水分传感器等。本发明提出了一种通用数据采集方法，通过软硬件的配合，通过数据中心和采集设备互相联动，使采集设备可以连接不同生产厂家生产的、不同信号输出方式的、不同类型的各种传感器，可根据农作物的种类、生长阶段、种植区域，灵活地进行定制。如图2所示，本设备支持最多8路数据采集接口，每个接口均可以定制连接电流、 电压和脉冲型传感器。标准的电流输入为4-20mA，标准的电压输入为0-3.3V。为了能够在电气接口上能适应不同传感器的信号输出方式，通过8路开关进行控制。对于电流型和脉冲型的传感器，要将开关电路置于联通状态，经过可变电阻将其变为0-3. 3v的电压信号。 对于电压型的传感器，将开关电路置于断开状态，信号通过保护电路连接到A/D端口，进行数据的采集。要能够自适应地定制传感器类型，一个重要的问题是采集设备如何识别是何种类型的传感器。由于采集设备是一种嵌入式设备，且要求安装调试尽可能地简单、易用，因此将对传感器的配置认为移到数据中心软件系统中，在进行设备注册的同时进行其所携带的各个传感器的注册，包括注册传感器的类型、接口类型、采集频率、上报频率、灾害阈值、传感器状态等信息。在设备启动后，数据中心将上述信息下发给采集设备。采集设备在接收到上述消息后，对各个A/D采集接口进行初始化，并按指定频率进行数据采集。对于电流型传感器来说，由于其通过可变电阻及其配套电路已转换成电压信号，因此可以与电压型传感器采取同样策略进行处理，采集的信号为0至1023的离散数据，数据的含义由数据中心按传感器的类型进行转换。对于脉冲型传感器需要中断进程进行脉冲信号的捕捉。对于采集后的脉冲信号也有两种类型需要处理，一种是累加型的，如降雨；另一种是频率型的，如风速。对于累加型传感器的处理比较简单，只记录脉冲的累加值，
5上报后将其清零；对于频率型的传感器来说，首先在一个采集周期内进行累加计数，采集周期结束后，再除以其采集频率的时间间隔，获得脉冲的平均频率信息。下面介绍如何定制农作物生长模型和农作物灾害模型。灾害预警是高适用性农产品生产风险因子数据采集的一项重要功能。系统可为每种传感器定制预警的上下阈值，当监测数据超过阈值范围时，该传感器自动产生一个遇警报告上报给数据中心，同时该传感器转入遇警状态，采集频率和数据上报频率都会加大直至警情解除。农作物的生长是一个漫长的过程，这一过程可以划分成多个阶段。作物不同，划分的阶段也有所不同，例如冬小麦从种植到成熟可分为出苗、三叶、分蘖、越冬、返青、起身、 拔节、孕穗、抽穗、开花、灌浆、成熟期等十二个阶段。在每个阶段，影响作物生长的主要风险因子有所不同；同时同一种作物由于种植区域不同，各阶段所在日期、持续的时间长短也会有所不同。因此，要根据种植区域、种植农作物的种类、所处的生长发育期实时设定各传感器的上下阈值。图3是本发明的农产品生产风险因子数据采集系统的采集设备启动消息时序图， 从图中可以看到，本系统支持各传感器的阈值的设定和更改。系统在实施部署过程中，根据作物的种类划分生长阶段，再根据该区域(区域的粒度一般指县)过去三年环境的历史信息建立每种风险因子的灾害模型，进而计算出每种风险因子的上下阈值曲线，根据这个阈值曲线就可以设定每种风险因子、每日的上下阈值。数据中心每日将各传感器的阈值设定下发给采集设备。下面介绍本系统的数据采集模式。数据中心与采集设备一起构成一个数据采集系统，数据中心在完成设备及其携带传感器的管理任务的同时，还进行采集数据接收和管理工作。设备支持三种上报方式，分别是周期上报、遇警上报和指令上报。周期上报是依据农产品生产情况，设定固定的上报周期，采集设备周期性的上报监测数据；遇警上报是根据既定策略，当监测数据突破设定数值后，设备主动上报监测数据信息，以支持预警工作；指令上报是数据中心下发一个数据查询指令，采集设备接到指令后，实时上报监测数据信息。 设备可以根据预先设置的阈值自动地在周期上报和遇警上报模式间进行转换，一般的情况下遇警上报模式的采集频率和上报频率要比周期上报模式下的要大。设备携带的每个传感器的采集频率和上报频率也可以根据作物的生长阶段而变化。下面介绍消息传输面临的问题。采集设备的管理、数据的上报均需通过数据中心和采集设备之间的信息交互来完成，它们之间通过GSM网络进行消息的传递。第一个面临的问题是传输成本。由于3G网络在野外环境下还没有大范围部署，因此在消息的传递依然通过2G网络。传输的费用与数据的传输量成正比。数据采集的另一个关键问题是数据安全问题。这主要涉及到1)垃圾数据轰炸问题，数据中心要能够过滤掉非认证客户端设备的上报数据；幻伪造数据中心指令问题， 采集设备的配置、初始化、采集任务都是通过数据中心指令下发完成的，采集设备要能够识别合法的数据中心；幻数据保密问题，采集的数据在传输的过程中要以密文的形式进行传输，防止数据被监听和篡改。前两个问题可以通过握手协议来解决。
同时由于上述工作要在采集设备上完成，由于采集设备是一种嵌入式设备，其处理器处理速度和存储空间均有限，因此需要协议尽可能的简单、轻量。现有的通信协议不能满足上述对设备和传感器的管理功能、数据的上报功能和数据压缩功能，因此本发明提出了一种新的通信协议。下面介绍协议模型。与OSI和TCP/IP模型相似，协议采用分层模型，自底向上分别是物理层、网络层、 传输层和应用层。其中传输层可支持传统的TCP/IP模型，以及基于GSM网络的短信服务 SMS和GPRS分组服务等。协议被定义在应用层中，其报文可被任意符合协议规范的应用程序创建或解析。表1协议层次表
权利要求
1.一种农产品生产风险因子数据采集系统，包括采集设备和数据中心，其中该采集设备包括感知模块、数据处理模块和通讯模块，所述感知模块是定制的传感器，以进行不同风险因子数据的采集，所述数据处理模块负责采集策略和上报策略的定制、存储和执行，所述通讯模块用于与该数据中心进行通信，以实现采集数据的上报和指令的接收；其中数据中心的功能包括设备管理、传感器管理、采集策略管理、上报策略管理、遇警策略管理、采集管理、采集数据存储、采集数据展示。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述设备管理主要完成设备的注册、注销以及运行状态的管理；所述传感器管理主要完成已注册设备所携带的传感器的注册、注销、 更改这些管理功能，其中包括传感器类型、信号输出类型、对应端口这些信息；所述采集策略管理用于设置传感器的数据采集频率；所述上报策略管理用于设置传感器所采集数据的上报频率；所述遇警策略管理用于管理各传感器数据的上下阈值，以及遇警后采集频率和上报频率设置的策略管理；所述采集管理用于完成数据采集的实时监控，及时发现设备或传感器是否发生故障或异常；所述采集数据存储用于将采集的数据按设备、分类、时间存储到数据库中；所述采集数据展示以地理信息系统的方式展示所采集的数据。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述传感器的输出信号主要有三类脉冲型、电压型和电流型，其中支持脉冲型信号输出的传感器有降水传感器、风速传感器；支持电压型信号输出的传感器有日照时数传感器或净辐射传感器、风速风向传感器、温湿度传感器或土壤水分传感器；支持电流型信号输出的传感器有风速风向传感器、温湿度传感器或土壤水分传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述传感器的定制包括针对不同生产厂家生产的、不同信号输出方式的、不同类型的各种传感器，根据农作物的种类、生长阶段、种植区域而灵活地进行定制。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于通过调理电路将所述传感器的不同信号转换为标准的电压信号，以适应不同传感器的信号输出形式。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于对于电流型或脉冲型的传感器，将所述开关电路置于联通状态，经过中心阻值150欧的可变电阻将所述传感器的0-20mA或4_20mA 输出信号转换为03. 3v的电压信号；而对于电压型的传感器，将所述开关电路置于断开状态，使得所述传感器的输出信号通过保护电路连接到A/D端口，以进行数据的采集。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于根据种植区域、种植农作物的种类和/或所处的生长发育期而实时设定所述传感器的上下阈值，以定制农作物生长模型和农作物灾害模型。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述采集设备支持周期上报、遇警上报和指令上报这三种上报方式，其中所述周期上报是依据农产品生产情况，设定固定的上报周期，采集设备周期性的上报监测数据；所述遇警上报是根据既定策略，当监测数据突破设定数值后，该设备主动上报监测数据信息，以支持预警工作；所述指令上报是所述数据中心下发一个数据查询指令，所述采集设备接到指令后，实时上报监测数据信息。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于所述系统基于GSM、CDMA或3G 网络，以采集协议为通信规范，使用SMS、GRPS或3G网络服务在所述数据中心和所述采集设备之间传递信息。
全文摘要
一种农产品生产风险因子数据采集系统，包括采集设备和数据中心，其中该采集设备包括感知模块、数据处理模块和通讯模块，所述感知模块是定制的传感器，以进行不同风险因子数据的采集，所述数据处理模块负责采集策略和上报策略的定制、存储和执行，所述通讯模块用于与该数据中心进行通信，以实现采集数据的上报和指令的接收；其中数据中心的功能包括设备管理、传感器管理、采集策略管理、上报策略管理、遇警策略管理、采集管理、采集数据存储、采集数据展示。
文档编号G01D21/02GK102176278SQ20111000553
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者姚乃明, 张树东, 罗宁, 许世卫 申请人:首都师范大学