盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统的制作方法

本实用新型适用于农业物联网信息技术领域，提供了一种盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统。

背景技术：

环渤海粮食中低产区主要分布于渤海西部海拔低于20米的低平原区，是黄淮海平原的一部分，包括粮食单产低于每亩400 公斤的河北、 山东、辽宁和天津的60个县市（区），总耕地面积4000多万亩，另外该区尚有盐碱荒地1000多万亩，是我国重要的后备耕地资源，有较大的增产潜力。在山东省，黄河三角洲高效生态经济区建设是国家战略，该地区拥有未利用的后备土地资源811万亩，规划到2015 年开发 100 万亩荒碱地用于粮棉生产，改造中低产田300万亩；“渤海粮仓”科技示范工程山东项目区，规划到2020年在山东环渤海地区的30个县（市、区）进行盐碱荒地开发植棉、棉改粮和中低产田改造提升，示范推广规模达到1500万亩粮田、棉田改粮田100万亩、整治盐碱地20万亩。如此大规模的盐碱地开发利用，迫切需要克服传统检测系统单项检测因子少、精度低、误差大和系统稳定性差、成本高等难题，研发基于物联网的检测影响或者反映盐碱地作物长势的关键因子系统，实现土壤和作物生长信息实时感知，农田信息可靠传输、智能处理及应用，为渤海粮仓工程的深入推进提供科学依据，为粮食增产增收提供科技支撑。

目前，现有作物信息检测系统可以实时远程获取作物生产环境的空气温湿度、土壤水分温度、CO2浓度、光照强度及视频图像，通过模型分析。同时，系统还可以通过手机、PDA、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现田间作物信息化、智能化远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用使作物生长实现精细化的管理,为作物的高产、优质、高效、生态、安全创造条件，帮助客户提高效率、降低成本、增加收益。

而由于盐碱地作物独特的生长特点与土质特征，盐碱地作物生产环境信息不仅仅包括空气温湿度、土壤水分温度、CO2浓度、光照强度，还包括土壤PH、土壤盐分、土壤水位、土壤电导率、风速、风向、降雨量等数据，这些生产环境信息对盐碱地作物的生长环境调控和作物田间科学管理非常重要但不易获取。同时，一般农田信息采集装置容易发现盐碱地特有的环境导致传感器易受腐蚀、野外网络覆盖差导致采集信息传输不畅、数据易丢失；对于大面积、夸区域、多地块信息的采集无法同步进行，因此，现有农业作物信息系统由于盐碱地特有的环境使得传感器受腐蚀，对于大面积、夸区域、多地块信息的采集无法同步进行，系统使用功能和控制程序不灵活等特点，不适应于在盐碱地作物种植中，并且容易造成资源浪费。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统，旨在解决现有系统盐碱地特有的环境使得传感器受腐蚀、对于大面积、夸区域、多地块信息的采集无法同步进行，系统使用功能和控制程序不灵活等特点，不适应于在盐碱地作物种植中，监测效率低的问题。

本实用新型的技术解决方案是这样实现的：

一种盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统，其特征在于：所述系统包括上位机以及与之无线连接的下位机信息感知模块；

所述的上位机包括处理控制模块，处理控制模块连接有视频采集模块、电源模块以及通讯模块；通讯模块与上位机连接；

所述的下位机信息感知模块包括数据下位机、采集模块；数据采集模块连接有传感器，所述的传感器包括包括土壤pH传感器、土壤盐分传感器、土壤电导率传感器、水位传感器、风速传感器、风向传感器、光照强度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器、CO₂浓度传感器、降雨量传感器；

本盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统还包括基座和站点支架；站点支架由下至上依次分为电池仓、系统安装仓、空气温湿度支架、苗情监控支架、太阳能电池板支架、横杆支架和避雷针；

上述的传感器安装在安装架上，所述的安装架包括位于底部的安装座，安装座的四周设有压板，安装架由下到上渐缩，安装架的顶端为避雷针，避雷针的下方设有横向支架，横向支架上固定有风速、风向、光照强度、CO₂ 浓度和降雨量传感器；

横向支架的下方设有电池板，电池板的下方安装架内部为系统安装仓，系统安装仓下方为电池仓；

电池仓主要用于蓄电池的存放；系统安装仓用于物联网检测系统的安装；空气温湿度支架用于固定安装空气温湿度传感器；苗情监控支架用于安装苗情监控传感器；太阳能电池板用于固定太阳能电池板；

横杆支架上分别设有上传感器和通信天线固定孔，用于上述传感器的固定；站点支架内部设有通信管道，用于各部件之间的通信和电源供应；

支架基座一方面用于固定站点支架，另一方面设有通信管道，用于土壤类传感器和系统的通信；

所述的土壤类传感器安装在土壤传感器支架上，土壤传感器支架安装在筒状的传感器安装支架上，所述的土壤传感器支架安装在传感器保护管内，传感器保护管上设有护孔管，传感器安装支架从上到下设有传感器固定管，所述传感器固定管沿安装支架的径向方向设置，传感器插设于传感器固定管内，传感器于安装支架的出线口上端出线；所述的安装支架下端开口；

保护管从上到下设有传感器固定架，所述的固定架位于保护管的周壁上。

所述的站点支架由下到上逐渐变小。

本采集模块可以采用摄像头，电源模块为普通供电电源；通讯模块可以采用无线通讯设备，比如GPRS无线通信。

优选的，处理控制模块负责对数据进行处理并通过GPRS通信模块上传，及负责系统休眠控制。

优选的，所诉电源控制模块将太阳能传输过来的电流对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护。

优选的，所述的传感器包括：所述上位机软件为MFC开发，用于发送同步采集指令，并接收处理数据转存至数据库。

在本实用新型实施例，通过获取测量土壤PH、土壤盐分、土壤电导率、地下水位、风速、风向、环境温度、环境湿度、土壤湿度、CO2 浓度、降雨量、作物长势图像等多个要素，完成盐碱地作物生长关键因子检测，和病害预警，本实用新型，提高了监测效率，减轻了监测人员的劳动强度，具有灵活性强、成本较低、扩展性性好的特点。

本实用新型具有如下突出的有益效果：

其一，本实用新型所述的物联网站点布设方法，将尺度理论引入到物联网信息检测站点布中，以解决物联网信息检测中存在的问题，使得检测成果更具有效性和实用性，同时也为今后检测站点布局调整提供理论依据。

其二，本实用新型所述的检测影响或者反映盐碱地作物长势的传感器支架实现了相关传感器的标准化布设，实现了传感器的分层标准化布设，可按需要方便调整传感器深度，保证了采集的统一性和科学性。

其三，本实用新型所述的盐碱地作物长势关键因子物联网同步自动检测系统，实现了对影响和反映盐碱地作物长势因子信息的自动采集，并通过传输终端实时传输到远端服务器上位机管理系统，服务器上位机管理系统统一对数据进行同步采集、上传、存储、计算分析和应用。采样频率可通过上位机管理系统方便设定，实现了信息的同步自动采集。

附图说明

图1 盐碱地作物长势关键因子物联网同步自动检测系统硬件架构；

图2 物联网站点支架；

图3 土壤类传感器安装支架；

图4是图3的俯视图。

具体实施方式

下面未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

围绕“渤海粮仓”科技示范工程迫切需求，本着科学性、全局性及实事求是的原则，在物联网站点布设中引入尺度理论，以解决物联网信息检测中存在的问题，使得检测成果更具有效性和实用性，同时也为今后检测点布局调整提供理论依据。在物联网站点布设中依据泰森多边形法的相关原理提出逆泰森多边形法确定以实现盐碱地作物长势关键因子物联网同步自动检测站点的数量，即样本总体，然后在分析影响或者反映盐碱地作物长势因子中应用较多的抽样方法的基础上采用适宜的抽样调查方法结合具体点位布设相应的原则和方法提出了实现了检测区域需建设的物联网站点数量的确定。

图1示出了本实用新型实施例一提供的盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统的系统架构图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。在本实施例中，该盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统包括：处理控制模块、电源控制模块、信息感知模块、GPRS通讯模块、视频采集模块及上位机软件，所述信息感知模块包括土壤PH传感器、土壤盐分传感器、土壤电导率传感器、水位传感器、风速传感器、风向传感器、光照强度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器、降雨量传感器。其中，上述传感器通用COM口或串口与所述信息感知模块进行传输，所述处理控制模块用于处理作物生长关键因子信息并通过所述GPRS通信模块将作物生长关键因子信息发送至所述上位机软件，作物生产环境信息包括风速、风向、光照强度、空气湿度、土壤湿度、CO2浓度和降雨量，所述上位机软件根据设定的采集频率，向所属的N个采集点进行发布同步采集指令。

本盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统，旨在解决现有系统盐碱地特有的环境使得传感器受腐蚀、对于大面积、夸区域、多地块信息的采集无法同步进行，系统使用功能和控制程序不灵活等特点，不适应于在盐碱地作物种植中，检测效率低的问题，而提供影响或者反映一种盐碱地作物生长关键因子物联网同步自动检测系统，所述系统包括处理控制模块、电源控制模块、信息感知模块、GPRS通信模块、及上位机软件，信息感知模块用于影响或者反映作物生长信息的环境因子，之后通过485信号将信息发送至所述处理控制模块进行数据处理和打包发送至上位机。

下位机信息采集终端采用间断性供电的方案：接受服务器上位机系统的指令进行传感器供电预热、数据采集和信息传输，传感器在采集完成后自动断电；所述的服务器上位机系统在接收到下位机信息采集终端上除的数据后进行存储和分析；上位机软件根据设定的采样频率和预热时间自动发送预热、同步采集和上传指令；

中央处理器终端在系统内通过RS485通讯接口与信息采集终端通信，通过TTL串口通讯接口与信息传输系统终端通信，远程使用GPRS-Internet网络通信。下位机信息采集终端安置在检测系统防护支撑架中。所述的智能处理平台包括上位机信息接收软件、对应的数据库和数据分析展示平台。

工作时，下位机信息采集终端的工作流程；下位机信息采集终端中的物联网核心处理模块、传输模块中的远程GPRS、电源供应系统处于待机状态，下位机信息采集终端的其他模块处于关闭状态以降低能耗，并减轻传感器电化学腐蚀的危害，延长传感器寿命。智能处理平台根据预先设置的采样频率。如图2所示的物联网核心处理模块在接收到指令之后通过控制电路对图3所示的信息采集模块和传感器供电预热，待智能处理平台统一发送采集指令后，下位机信息采集终端采集数据5次求平均值做为本次采样值，等接收上传指令后下位机信息采集终端进行盐碱地水盐信息检测采集上传。

智能处理平台负责指令的下发，数据的接收、校验、去噪、存储、展示和分析。上位机软件工作流程：上位机软件会根据设定的采样频率和预热时间自动发送预热、同步采集和上传指令。控制指令格式：当首部的广播域标识符为0xff时，表示向所有注册在线的ID下位机终端发送指令；当首部的广播域标识符为0x00时，此时广播域标识符无效；当首部的广播域标识符为其它值时，该指令无效。当区域标识符为0x00时，表示区域标识符无效；当区域标识符为具体区域ID时，表示本次指令为重复采集指令，下发对象为对应的区域ID下位机；当区域标识符为其它值时，该指令无效。当首部的广播域标识符为其它值时，该指令无效当上位机软件在对本次接收数据处理时，若有较大波动，会向对应的下位机终端发送重新采集命令，此时广播域标识符为0x00,区域标识符是对应的区域ID。指令码字段表示该条指令所规定的动作：预热、采集及上传。校验码字段保证指令传输的安全性。上位机软件在接收到回传数据后会按照流程进行数据校验、去噪及存储，之后管理平台在数据库中读取数据并进行分析显示。

所述的下位机在每个区域都有自己对应的ID编号，通讯模块会根据设备唯一的ID号注册到服务器上位机系统，上位机根据此ID 编号管理控制系统下位机设备；下位机在接收到上位机统一采集指令后，采用多次采集求均值的方式获取稳定的数据等待上位机端的传输指令开始传输；在服务器上位机系统进行接收数据时首先对信息体内的数据进行循环冗余检查CRC；若CRC校验不通过，智能处理平台直接放弃本条数据，并下发重新上传数据的指令，下位机信息采集系统重新上传采集到的数据；当CRC校验通过时，智能处理平台将本次采集到的数据和数据库已有数据进行对比，如果该条数据与近期数据对比波动不大，则接受该条数据，将数据存入数据库；如果与近期数据对比波动较大，首先判断重发计数器值是否大于3，当重发计数器小于3时，智能处理平台下发重新采集数据指令到下位机信息采集系统，与此同时，重发计数器加1，重新进行数据校验；当重发计数器值大于等于3时，说明下位机3次采集的数据仍为该值，认为环境确实产生了变化，采集数据值未发生异常，将数据存储至数据库

为了保证系统的稳定和数据通信传输的正确，自定义了适用于本系统的通讯协议。协议依照HDLC（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制）规程，分为3个层次。最外层（第2级）负责整个通信链路的启动，数据的采集，中断传输等，在该级上数据流控制采用超时重传和帧序号避免重复的方法；下一层（第1级）负责信息、命令和二进制数据之间的转换，最后一层（第0级）添删及检查数据校验和帧格式码。

当接收到采集指令“0xBB”之后，下位机信息采集终端立即开始对信息的采集，第2级的PDAM启动整个链路，并向下一级SMSP发出SyncStart命令，并设定始终Timer为重传做准备，然后等待“0xEE”回传指令。 SMSP接收到来自PDAM的数据后，将每个数据冠以序号Ns，然后按照HDLC的语法实现数据的二进制编码和译码， 之后进一步把加工好的数据发送至TMSP，TSMP根据校验规则完成数据的校验值的增删和检查。数据经过TMSP后已经完成数据链路层的封装，下一步交付给SGPRS,SGPRS负责对数据进行网络层及以上层次的封装并发送到网络。智能处理平台接收到数据后，RSER*层顺次解包分析。

PDAM可以表示为

这里M表示指令的可能组合的集合。

如图2所示，站点支架由基座和站点支架组成。支架由下至上依次分为电池仓、系统安装仓、空气温湿度支架、苗情监控支架、太阳能电池板支架、横杆支架和避雷针。

上述的传感器安装在安装架上，所述的安装架包括位于底部的安装座，安装座的四周设有压板，安装架由下到上渐缩，安装架的顶端为避雷针，避雷针的下方设有横向支架，横向支架上固定有风速、风向、光照强度、CO2 浓度和降雨量传感器；横向支架的下方设有电池板，电池板的下方安装架内部为系统安装仓，系统安装仓下方为电池仓。

电池仓主要用于蓄电池的存放；系统安装仓用于物联网检测系统的安装；空气温湿度支架用于固定安装空气温湿度传感器；苗情监控支架用于安装苗情监控传感器；太阳能电池板用于固定太阳能电池板；横杆支架上分别设有上传感器和通信天线固定孔，用于上述传感器的固定。站点支架内部设有通信管道，用于各部件之间的通信和电源供应。支架基座一方面用于固定站点支架，另一方面设有通信管道，用于土壤类传感器和系统的通信。

如图3、4所示的土壤类传感器安装支架，

所述的土壤传感器支架安装在筒状的传感器安装支架10上，传感器保护管上设有护孔管11，传感器安装支架从上到下设有传感器固定管12，所述传感器固定管12沿安装支架的径向方向设置，传感器插设于传感器固定管12内，传感器的于安装支架的出线口13上端出线；所述的安装支架10下端开口。

可以方便的实现传感器的现场固定、安装和布设。根据系统的需要，传感器安装支架可以实现三层传感器的布设，层与层之间的距离X1、X2、X3以及X可以根据站点现场环境灵活改变。为了保持安装支架内外压差，传感器安装支架变面均布护管孔；传感器出线及标识管具有两个方面的作用：第一是传感器的传输线路由此连接到信息采集模块；第二是标识该安装支架具体的传感器类型和数量，方便日后维护。传感器护管使用DN350类型的压力管。

以上为本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。