基于SL641水文规约的农业灌溉用水效率远程监测

简介—本文描述了一种基于SL651水文规约的农业灌溉用水效率远程监测，系统分别由传感层，网络层和应用层组成。其中传感层采用了GPRS物联网技术，硬件采用了基于SMT32的廉价数据透传设备，传感数据包括土壤湿度，温度，雨量、酸碱度、和农药残余等数据。网络层由基于Netty的TCP服务器群组组成，多个服务器同时在线保证服务器永远运行。应用层采用了基于微信的HTML5应用程序设计。通过基于水文监测数据通信规约SL651-2014，拓展自有协议，使系统稳定运行，从而为农业提供高效的物联网远程在线监测服务。

 

关键字—SL651水文监测，数据透传DTU，2014水文规约，物联网，HTML5，养殖业在线监测。

 

I.介绍

我的家乡在河北省石家庄深泽县的一个小村庄，我们这里有数千亩的良田。一年四季我们播种玉米和冬小麦两种农作物，冬天还好，因为我们农民不需要施肥和灌溉，但是到了春夏两季，农民伯伯需要依靠自己的经验去浇水灌溉和施肥，但是这样非常浪费水资源，灌溉用水效率极低，造成了资源的严重浪费。而且农民伯伯非常辛苦，需要顶着太阳去灌溉和施肥从小我就立志一定要解决这个问题。自从学习了SL651协议之后，这个愿望终于可以自己解决了。通过调研，我发现了现有的农业灌溉用水效率远程监测系统动则几十万，甚至上百万，通过我的能力，本文准备介绍一种只有几千元投入的基于物联网的农业灌溉用水效率远程监测系统。

物联网远程在线监测系统已经得到了广泛的研究，但是有的其中只能采集水质，参数较少，无法满足真实应用。有的采用了.net开发，无法满足海量物联网设备并发性。或者客户端为PC软件，由于现在人们都有智能手机，通过微信进行农业管理是真正的需求。还有的由于算法复杂，消耗电能较多，不能满足我们的功耗小的应用。因为很多传感器要配置电池埋入土壤中，所以本文介绍的是一种新型的经济型农业灌溉用水效率远程监测系统。

我们设计的系统包括三大部分：传感器，网络层 应用层。图1为系统设计概览图。

简介—本文描述了一种基于SL651水文规约的农业灌溉用水效率远程监测，系统分别由传感层，网络层和应用层组成。其中传感层采用了GPRS物联网技术，硬件采用了基于SMT32的廉价数据透传设备，传感数据包括土壤湿度，温度，雨量、酸碱度、和农药残余等数据。网络层由基于Netty的TCP服务器群组组成，多个服务器同时在线保证服务器永远运行。应用层采用了基于微信的HTML5应用程序设计。通过基于水文监测数据通信规约SL651-2014，拓展自有协议，使系统稳定运行，从而为农业提供高效的物联网远程在线监测服务。

 

关键字—SL651水文监测，数据透传DTU，2014水文规约，物联网，HTML5，养殖业在线监测。

 

I.介绍

我的家乡在河北省石家庄深泽县的一个小村庄，我们这里有数千亩的良田。一年四季我们播种玉米和冬小麦两种农作物，冬天还好，因为我们农民不需要施肥和灌溉，但是到了春夏两季，农民伯伯需要依靠自己的经验去浇水灌溉和施肥，但是这样非常浪费水资源，灌溉用水效率极低，造成了资源的严重浪费。而且农民伯伯非常辛苦，需要顶着太阳去灌溉和施肥从小我就立志一定要解决这个问题。自从学习了SL651协议之后，这个愿望终于可以自己解决了。通过调研，我发现了现有的农业灌溉用水效率远程监测系统动则几十万，甚至上百万，通过我的能力，本文准备介绍一种只有几千元投入的基于物联网的农业灌溉用水效率远程监测系统。

物联网远程在线监测系统已经得到了广泛的研究，但是有的其中只能采集水质，参数较少，无法满足真实应用。有的采用了.net开发，无法满足海量物联网设备并发性。或者客户端为PC软件，由于现在人们都有智能手机，通过微信进行农业管理是真正的需求。还有的由于算法复杂，消耗电能较多，不能满足我们的功耗小的应用。因为很多传感器要配置电池埋入土壤中，所以本文介绍的是一种新型的经济型农业灌溉用水效率远程监测系统。

我们设计的系统包括三大部分：传感器，网络层 应用层。图1为系统设计概览图。

传感器包括土壤湿度，温度，雨量、酸碱度、和农药残余等传感器，传感器的输出有TTL和485，其中农药残余，酸碱度为电池供电设备，采用了LORA 433通信和DTU进行通信。其他传感器安装到数据采集箱内，通过485或者TTL和DTU进行通信。

在网络层，每个DTU负责收集数据，将数据汇集之后，通过GPRS发送给服务器。平安报文每5分钟发送一次，每个报文长度约40Bytes，每个TCP报文长度为85Byte。也就是说，每个月的流量大概为4M，年费用为8元。设备只有在预警的时候，才进行人员干涉，这个时候，用户可以更换一次性电池以及进行现场运维。

服务器层包括百万物联网设备并发服务器设计、云平台设计以及基于微信的HTML5设计。根据以上的顶层概览，下面将对协议设计，网络数据采集以及终端设计进行详细介绍。 

1. 协议设计

根据2014水文规约的规定，本设计采用ASCII的方式进行开发。其中报文分为上行报文和下行报文。上行报文为主动上报报文，分为平安报，实时报，加时报，测试报以及链路维持报文。下行报文包括设备参数查询，土壤湿度酸碱度等传感器设备数据实时查询，软件版本查询。我们的通信信道采用了GPRS通信方式，根据数据特征和通信类型，以及多个参数进行实时采集的工程要求，拓展了水文监测数据通信规约2014规定，均在预留的自定义区间进行了扩展定义。协议的控制字符代码包括控制字符 【1】01H帧起 02H传输正文起始，16H多包传输正文起始，ETX03H报文结束，ETB17H 报文结束，05H 询问，04H 传输结束，06H 肯定确认，15H 否定应答，反馈重发，1BH 传输结束，终端保持在线。报文结构由表1描述。

序号	名称		传输字节数
1	报 头	帧起始符	2
2		地址（下遥，上行中心）	5
3		地址（下遥，上行中心）	1
4		密码	2
5		功能码	1
6		报文上下行标识及长度	2
7		报文起始符	1
8	报文正文		不定长
9	报文结束符		1
10	校验码

                  报文结构

图2给出了协议的网络传输报文结构。其中养殖业在线监测平台支持Modbus协议查询和通信，方便和第三方系统进行集成。

以小时报为例，进行一个报文的详细分析与介绍。报文详细内容由表3列出。

 

序号	编码名称	编码结构
1	流水号	流水号
2	发报时间	发报时间
3	遥测站地址	地址标识符
		遥测站地址
4	遥测站分类码	遥测站分类码
5	观测时间	观测时间标识符
		观测时间
6	1小时内每5分钟时段降水量	标识符
		土壤湿度数据
7	降水量累计值	土壤湿度累计值标识符
		土壤湿度累计值
8	1小时内5分钟间相对水位	标识符
		相对湿度数据
9	电压	电压标识符
		电压数据

                      表3，小时报文详细结构 

1. 软件设计

本系统的主要目的是通过远程服务系统对农田进行实时监测根据系统需要，养殖业在线监测系统的设计包括协议层以及应用层。设计图如图3所示。

农业灌溉用水效率远程监测软件架构

 

土壤湿度传感

酸碱度传感

温度传感

雨量传感

农药残留传感

 

 

平安报

加时报

测试报

链路维持报

人工置数

扩展

协议框架

 

TCP协议解释

内存数据库

关系型数据库

定时器

数据分析

数据展示

 

服务端

 

CPRS模块

【2】CPRS模块是一项基于 TCP/IP协议的无线通信传输技术 ,本系统采用的CPRS 模块的型号为SIM9000，[1]CPRS 连接网络快，只需要很短的时间就能够接入网络 对于费用而言CPRS需要按数据流量计费 由于系统的检测可以间断进行 使用字符串进行数据传输 因而使用 CPRS模块成本更低

 

相对于固定 ip的网络连接方式 本系统采用域名连接的方式进行网络连接 固定的公网 地址需要花费很高的金额 通过域名连接的方式可以避免使用固定的地址.

CPRS模块与控制器之间采用了串口通信的方式进行连接 控制器通过发送 指令与CPRS 模块进行通信 串口通信方式简便 传输速度快 准确性高 经常被应用于控制领域 串口通信的电路如图所示

1. 实现

2. 

系统运行环境包括Tomcat以及Node.

V.结束语 

  

本文在充分借鉴国内外农业的灌溉的用水相率的远程监控的基础上，将河北省石家庄的地理条件融合进去，实现了科技与人文的结合，全系统由管理员统一管理，这个系统会对以后的石家庄农田精细灌溉起到一定的作用。  

 

参考文献：

 

【1】《北京市农村污水处理与再生水利用设施运行监测数据通信协议 - 豆丁网》

 

【2】 崔天时，孙建伟，吕信超，郑铁，孟祥远，林珊等，基于+GPRS+的农田灌溉系统[J]东北农业大学 电气与信息学院，2016（x）：10-0193-05