引 言

目前，在全球人口持續(xù)增長、耕地不斷減少、自然資源 匱乏的情況下，農業(yè)的高效增產、綠色環(huán)保、有機天然備受關注。 研發(fā)農業(yè)物聯網智能化操作終端、建立農業(yè)信息化數據庫來精 準耕作、指導生產是未來農業(yè)的發(fā)展趨勢。農業(yè)物聯網是農 業(yè)應用平臺、生產物聯動控制系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)三大系統(tǒng) 利用感知硬件設備、網絡平臺技術、云計算方法，來實現農 業(yè)信息數字化、農業(yè)生產自動化、農業(yè)管理智能化，從而構建 低碳節(jié)能、高效高產、綠色生態(tài)的現代農業(yè)體系。農業(yè)物聯網 關鍵技術和產品的發(fā)展需要經過“培育、成長和成熟”的過程， 預計成熟應用將在 2020 年前后。我國仍然以傳統(tǒng)農業(yè)生產方 式為主，農業(yè)機械化水平是日本的 1/90，法國的 1/11，美國的 1/5，這種狀況不僅與發(fā)達國家難以比擬，而且低于世界平均 水平。農業(yè)物聯網感知層設備、智能控制應用標準不統(tǒng)一、造 價過高、缺少規(guī)模化，農業(yè)物聯網應用技術和系統(tǒng)集成度低、 整體效能差。

據統(tǒng)計數據分析，通過對溫度、降雨量及濕度、風、光 照等種植環(huán)境因素進行監(jiān)控，可有效避免 85% 以上病蟲害的 發(fā)生。我國傳感器規(guī)模約 1 500 萬只 / 年，并保持每年 10% 的 增長率。由于這些傳感器來自不同的廠家，因此接口、數據格 式不統(tǒng)一。同時，所產生的大量數據需要傳輸，而農業(yè)環(huán)境供電、 布線困難，導致所采集的數據各自為營，很難將其集中統(tǒng)一提 供給上層應用平臺。另外，對農業(yè)設施、器械的控制使用也 耗費了大量人力、物力。

數據采集傳輸控制系統(tǒng)可以適配主流傳感器廠商的主流 產品，統(tǒng)一前端傳感器采集數據的數據格式，內置 SIM 卡模 塊及程序控制模塊，既可以使用有線傳輸也可以通過 M2M 物 聯網卡傳輸，并且經過上層應用平臺的數據分析后，可以自動 或手動地對農用設備進行聯動控制。

1 數據采集控制系統(tǒng)的原理

目前，業(yè)內對前端傳感器的數據采集支持 485總線接入， 該數據采集控制系統(tǒng)可以接入各種端口的傳感器設備，并統(tǒng)一數據格式，傳輸給上層平臺。

數據采集傳輸控制系統(tǒng)采用模塊化設計，主要由電源、DC/DC，ARM，ADC，PGA，GPRS網絡接口以及MCU等組成。 ARM芯片上集成了眾多外設，具有八通道 10位 ADC，可并行接入８個傳感器設備信號，可擴展性強，傳輸方式靈活，既可采用有線網絡也可采用無線網絡，適應各種不同場景的需求。通過信號轉換、數據處理，統(tǒng)一輸出數據格式。數據采集傳輸控制系統(tǒng)架構如圖 1所示。

圖1 數據采集傳輸控制系統(tǒng)架構

ARM 芯片采用 RISC 結構，具有如下優(yōu)點 ：

（1）所有指令可以根據前面的執(zhí)行結果決定是否被執(zhí)行， 從而提高指令的執(zhí)行效率 ；

（2）通過加載 / 存儲指令來批量傳輸數據，提高了數據 的傳輸效率 ；

（3）可同時完成一條處理指令的邏輯處理和移位處理 ；

（4）循環(huán)處理時，通過地址自動增減來提高運行效率。

數據采集傳輸控制系統(tǒng)嵌入無線通信模塊，通過物聯網 卡進行 GPRS PPP 撥號上網，獲得一個由聯通隨機分配的內 部 IP 地址，ULG 主動發(fā)起與數據中心的通信連接，并保持。 因 IP 地址不固定，只能由 ULG 主動連接數據中心，數據中心 的公網 IP 地址或固定的域名作為參數存儲在 ULG 內，以便 ULG上電撥號成功后主動連接到數據中心。

對于 ULG 來說，只要建立了與數據中心的雙向通信，完 成用戶串口數據與 GPRS 網絡數據包的轉換就相對簡單了。一 旦接收到用戶的串口數據，ULG 就立即把串口數據封裝在一 個 TCP/UDP 包里，發(fā)送給數據中心 ；反之，當 ULG 收到數 據中心發(fā)來的 TCP/UDP 包時，從中取出數據內容，立即通過 串口發(fā)送給用戶設備。

2 數據采集控制系統(tǒng)的特點和應用

本文所提架構使采集控制傳輸成為一體化設備，ARM 芯 片上可集成各種模塊，簡化電路板設計，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定， 節(jié)省硬件投資成本 ；具有多通道 ADC，可并行接入多個傳感 器設備信號，可擴展性強 ；傳輸方式靈活，即可采用有線網絡 也可采用無線網絡，適應各種不同場景的需求；通過信號轉換、 數據處理，可采集不同品牌、接口類型的傳感器數據，統(tǒng)一輸 出數據格式；體積小，方便放置，減少傳感器布線和維護成本。

基于 ARM 的數據采集傳輸控制系統(tǒng)在農業(yè)物聯網中的 應用如圖２所示。在智慧農業(yè)大田自動灌溉系統(tǒng)中，將采集到 的前端傳感器檢測的土壤溫濕度、農業(yè)“四情”等數據統(tǒng)一上 傳到數據管理平臺，對數據進行分析后，通過數據采即傳輸 控制系統(tǒng)對后端設備進行聯動控制，包括自動灌溉系統(tǒng)、水肥 一體化等。與傳統(tǒng)的灌溉方式和施肥技術相比，能節(jié)水、節(jié) 肥 85% 以上。

自動化農業(yè)溫室大棚如圖 3 所示。首先，數據采集傳輸 控制系統(tǒng)采集前端傳感器的實時作物生長環(huán)境數據信息和實 時視頻信息 ；然后，將數據統(tǒng)一格式后上傳到數據平臺進行 分析；最后，聯動控制后端的風機、遮陽幕、補光燈的自動開 啟關閉，從而為農作物的生長提供適宜的環(huán)境，節(jié)省人力、提 高產量、提高農產品附加值。

智慧畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖 4 所示。數據采集傳輸控制系統(tǒng)采 集傳感器檢測到的棚舍內的溫濕度，光照度，O2，CO2，NH3 等氣體濃度，待環(huán)境數據達到規(guī)則數據后聯動控制風機、遮陽 幕等，為動物提供更好的生活環(huán)境，并可自動添水添料。通過 定位技術實現對動物的精準定位，防止丟失。同時，使用電子 耳標采集從出生到屠宰加工的數據，從而達到溯源的目的。

智慧水產養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖 5 所示。數據采集傳輸控制系統(tǒng) 采集圈內的實時視頻信息、水質溫度、水質溶解氧、水質 pH 值、 水質氨氮含量、液位等參數，聯動控制后端自動增氧、自動投 食等設備，對水產養(yǎng)殖環(huán)境等進行監(jiān)測管理，對疾病進行有 效預防，達到省時省力、增產增收的目的。

3 結 語

基于 ARM 的數據采集傳輸控制系統(tǒng)可以應用于不同的 農業(yè)生產場景，有效解決了農業(yè)應用中的數據傳輸和設備安 裝問題，并且接口多樣、擴展靈活，硬件成本低，數據格式統(tǒng) 一、應用靈活，大大加快了物聯網數據采集技術的發(fā)展，勢必 將在未來智慧農業(yè)項目的建設中發(fā)揮巨大作用。