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赛远农业物联网-生态农场信息化运行管理中心
摘 要：应用传感器感知采集技术、PLC逻辑控制技术、串口无线通讯技术、视频传输技术、组态二次开发技术以及最新的Internet网络安全通讯技术，实现“农业监控中心-农场管理中心-农场大棚劳作管理”的一体化信息化集中管理和统筹协调。利用农业物联网信息化平台，将实现更科学的农作物耕作信息搜集、分析和应用，更及时的气候、物种灾害预防和布控，更宏观的掌握农业动态变化趋势、规律，为决策提供更加详实的数据资料，更加切合实际的智慧分析。本文结合以上提到的信息化技术，依据实际应用效果，阐述生态农场大棚信息化运行管理中心的先进、安全、稳定、可靠！
关键词：农业物联网 农场信息化 安全稳定 工业网络 运行管理中心
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
生态农场大棚信息化背景为：某一农场位于华北地区，与当地农户合作，架设了11个反季节蔬菜栽种大棚（如图一所示），意在寒冬季节，仍能为本地和更北方的地区供应新鲜蔬菜。大棚中铺设了温度传感器、湿度传感器等一系列先进的环境数据感知监测仪器，能够实时反映大棚中的各种环境参数，并且采集到大棚中的可编程逻辑控制器（本文以Siemens PLC为例）中（如图二所示）。同时，为了采集记录大棚最详实的作物生长过程各环节所需要的环境数据（土壤、温度、湿度等），为作物的反季节栽种提供更科学的依据，农场也架设了大棚管理中心，通过无线通讯技术和系统，将各个大棚的Siemens PLC中的各项参数采集到该处，利用组态软件技术，对这些数据进行对应的二次转换和开发、记录、分析并在适当的时候提供给现场值守人员，对大棚实施最精确、最及时的耕作管理。该农场的生产和管理状况，也将通过物联网最新的Internet网络安全通讯技术传送到上一级的农业监控中心，以做远程监控、生产调研、宏观调控等（如图三所示）。
图一 农场作物大棚管理示意图
图二 大棚中的环境数据采集与智能控制
图三 农业监控中心示意图
2 搭建生态农场大棚信息化运行管理中心
生态农场大棚信息化运行管理中心的搭建，主要分为三个部分：感知层、传输层和应用层。 感知层解决的是电气控制系统与大棚环境的数据获取问题。它首先通过传感器、网络摄像头等设备，采集大棚的环境数据，然后传递数据到PLC，并执行上位机给予的控制指令。感知层所需要的关键技术包括检测技术、控制技术等。
传输层，顾名思义指的是各个设备、系统之间的数据交换的通道。在信息化运行管理中心的搭建中，传输层可以细分为无线通讯（通讯距离在10KM范围之内）和远程通讯（不受通讯距离限制）两个重要环节。关键技术包括短距离无线通信技术、基于广域网的工业数据安全通讯技术等。
应用层包括了农场管理中心对大棚信息化的管理、农业监控中心对农场管理中心的在线调控等，是通过应用组态软件、数据库等多种综合性系统搭建起来的核心部分。
2.1 感知层
在感知层中，主要提到的是各式各样的传感器。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
在现代农业自动化生产，尤其是智能化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制作物生长过程中的各个参数，使作物生长在正常状态或最佳状态，并使作物达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化大棚作物耕作也就失去了基础。
在大棚中应用到的传感器，负责将土壤酸碱度、空气湿度、大棚温度等等关乎作物生长的环境参数，感知、量化并且通过总线通讯技术传输到电气控制系统——Siemens PLC中。通过长期的数据记录，并结合作物的生长特性、耕作人员的栽种经验，不断的调整大棚内的生态参数模型，通过控制日照、喷水、施肥等外接的设备系统，将环境参数调整到最适合作物当前生长所需的状态。
2.2 传输层
2.2.1无线通讯系统
无线通讯是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在农场管理中心与作物大棚之间的信息交换，大部分通过无线通讯技术来实现。一般来说，十数个大棚分布起来，最远端的大棚，距离农场管理中心会有2~3KM。如果是中大型农场，这个距离会达到5KM以上，甚至超过10KM。如此的通讯距离，通过稳定的无线通讯模块来进行数据传输，无疑会大大节省施工成本，并且可以保证通讯的可靠性、便捷性。
无线通讯信号是属于一种电磁波信号，具有波的特性。采用无线通讯产品时，要考虑的一个是抗干扰能力，一个是通讯距离。请看下表中各种频率的无线电磁波特点：
表一 各种频率的无线电磁波特点对比
无线产品受到的干扰，主要来自于三方面：
①供电电源的稳定性。要求供电电源（一般指的是直流开关电源）的纹波系数必须足够小，意味着由交流220V转换成的直流24V，实际输出值必须围绕着24V在极小的范围内上下波动，保证无线通讯模块的工作电源稳定；
②通讯线的屏蔽能力。要求从PLC通讯接口到无线模块的通讯接口之间的这条通讯线，必须具备屏蔽外来信号干扰的能力，距离越短越好，很多无线的信号受到干扰，其实就在这里信号已经发生了变形；
③同频干扰。无线通讯产品的公理：同频必定干扰。如何降低同频的可能性，就需要在降低通讯带宽上取得突破。2.4GHz的无线产品，工作时占用的带宽常常以M为计算单位。而433MHz的无线产品，带宽则是以K为计算单位（注：1M=1024K），一般为20K左右的带宽。相对比之下，占用带宽越小，受到同频干扰的可能性越低。赛远的工业无线通讯产品，同时还可以支持多达64个信道的使用和切换（注：每个信道代表着不同的工作频段），更是大大提高了抗干扰的能力。如图四所示，各种常见的自动化设备，在正常工作时产品的谐波，都不足以影响433MHz无线产品的稳定使用。
图四 常用的工业设备产生的无线信号频段范围
在通讯距离上，2.4GHz的无线产品，由于电磁波“频率越高，波长越小”以及“波长越小，衍射能力越弱”的特性，同等功率下，远远无法与433MHz的无线产品相比。设计时，也采用过诸多方案进行无线，市面上大部分产品采用了2.4G WIFI协议进行传输，在调试的时候，在可对视的时候，能够建立正常的通讯，速度可以达到54Mbps，甚至可以传输视频。但在移动过程中，很难保证可对视的传输。2.4G的信号在有遮挡物的情况下，时有时无，表现不稳定。如果遇到雨天天气，信号变得不稳定。
经过深度分析，2.4G的产品，主要是由于其物理特性决定了传输的衍射能力。2.4G的频段，波长约为124mm，其信号衰减快，衍射能力弱。这就是微波的特性。任何品牌的产品也无法改变该物理特性，所以在遇到遮挡物时，包括下雨天天气，水分子就相当于一堵堵墙，吸收微波，并无法衍射，导致信号被吸收而失真，导致通讯问题。
由此，在复杂环境，必须选用衍射能力更加强的低频产品进行传输，如采用433MHz的无线通讯产品，其波长为692mm，波长较长的信号的衍射能力强，信号可以进行反射和绕射，将信号传输到目的地。而且，无线电的传输速度不管是在哪个频段，都是和光速一样的，所以不存在信号多次衍射之后的速度降低问题，关键在于无线通讯模块的处理速度和能力。
经过现场对比实验，最后选定具有国家专利的赛远工业无线通讯模块SY-S72，因为该产品在现场各个复杂环境测试，均表现信号稳定，并且无线通讯模块的处理速度很快，由于无线通讯模块的收发带来的时延不超过5ms，远远超过市面上的产品的性能。通过工业无线通讯系统，将各个大鹏的数据集中到农场管理中心的数据监控系统。
应用拓扑图如图五所示：
图五 农场管理中心与大棚信息化无线通讯系统拓扑图
2.2.2 远程安全通讯系统
远程安全通讯系统，针对农场管理中心以及智能大棚的设备，为了达到工程师在农业监控中心即信息化运行管理中心，即可实现到现场的程序实时在线诊断、实时观察现场动作、生产数据的实时在线监控的需求，系统SCADA拓扑图如图六所示。
图六 远程安全通讯系统拓扑图
农场管理中心现场的控制设备和电脑，可以通过有线ADSL宽带，也可以是通过3G网络，上到Internet公网，连接到农业监控中心（信息化运行管理中心）。
中大型的信息化运行管理中心工程的装备配置举例如表二所示：
表三 所需配置表
不同的配置，对于农场管理中心，可以同时连接不同数量的农场进行实时在线诊断、预警、维护、升级等工作，从运行管理中心，到现场的每个站点，读写数据完全支持PLC的OPC协议，更为关键的是实现了对可编程控制器PLC的程序级访问，上下载程序、在线诊断都不再是困扰难题，最大化的节省每一次故障或者调试，需要团队去现场的大量硬性和软性成本，实现当下的信息化，真正实现物联网的智能化、网络化，实现数据存储由远端中央服务器执行的云计算化，将传统的工控和IT互联网真正的工业化和信息化的融合。
在该安全通讯系统中，通过软硬件设计，实现了工业协议进行解析、加密和路由、交换、防火墙等功能，通过公网传输的时候，采用的S-Link协议，是专用于传输工业数据的一个稳定、安全的私钥协议。在运行保障中心，通过SY-RSCM进行核对和验证，再进行准确的安全的解包，传递给目标对象。
通过该系统，实现的是针对农场管理中心辖下的大棚信息化的作物全生长周期的远程管理：养料、水分、阳光、温度等等，并且注重信息通讯过程中的安全性，体现在以下4个方面：
(1)远程安全通讯模块的应用，不仅实现了工业数据从局域网向广域网的扩充，并且其自带硬件防火墙功能。它可对每一层的数据包进行检查和监控，实现内容过滤，入侵侦测，入侵保护等功能。并可对工业数据进行S-Link协议的转换。
(2)远程安全通讯模块带有身份认证技术，可实现设备认证和使用者认证，使得工业数据只能在经过了认证的模块直接传输，以及有认证许可的操作人员进行数据读取等。
(3)工业数据在Internet中传输过程中，采用S-Link协议。这种协议是专门针对工业数据广域网传输所开发的。它是基于标准协议的不通用性，以及工业现场总线的特殊要求，以协议转换准确和安全性为首要目标的一种非公开密钥方式的专用协议，采用了RSA算法，密钥最高为1536位加密非对称密钥，公钥和私钥结合使用的方式进行加密。S-Link协议的应用确保了工业数据广域网传输的机密性，真实性和完整性。
(4)整个系统采用了虚拟局域网VLAN技术，各个设备在逻辑上划分到了一个局域网中，满足了工业数据传输的实时性要求。同时，限制了工业数据只能在同一VLAN中传输，防止了数据在Internet上的广播，提高了工业数据传输的安全性。
2.3 应用层
应用层，即为在感知层、传输层搭建完毕之后，在农场管理中心对大棚信息化的管理、农业监控中心对农场管理中心的调控过程中，信息化运行管理中心所能实现的功能。
物联网的一个核心，就是应用层，在大量的数据采集和汇总之后，如何是实现信息的准确处理和实时传输，需要通过软件，将关联方需要什么体现出来。本系统选用了易控组态软件搭建，易控（INSPEC）基于.net平台开发，其全球领先的图形系统、C#用户程序、多语言等功能，其全面提升的稳定性、开放性和用户人机体验，已成为新一代组态软件的典范。
2.3.1 数据监测功能：各农场每个大棚防寒卷帘开闭状态、大棚喷水系统状态、土壤酸碱度、棚内温度等，凡是能集中到可编程控制器中的信息，均可在线监测。
图七 大棚信息化数据监控
2.3.2 远程控制功能：远程（无线）控制各农场各个大棚的卷帘机、喷水系统的启停工作等，凡是接在可编程控制器外围的设备，均可远程启停控制。
2.3.3 报警功能：在服务器中，定时存储各种监测数据、事件报警信息、实时监测数据等数据通讯回到运行中心，则可以建立各项参数预警保障机制，如对棚内湿度低于标准湿度告警、有害气体超标告警等。同时支持各类信息查询，可以将监测数据、报警数据生成报表，数据可以导出，支持打印输出。
2.3.4 视频监视：通过现场工业以太网将视频传输至信息中心，实现实时监视、视频数据存储，回放。并可远程控制摄像机视野，更加人性化。
2.3.5 监控界面：实时监测数据与视频在同一界面上显示，可以同屏监测多个农场视频和数据，也可以切换成单个农场的视频和数据显示。
图八 农业监控中心
2.3.6 多平台监控：既可以是固定场所台式工控机实时监控，也可以是通过平板电脑、手机等便携智能IT设备，随时随地、方便快捷的调控农场、大棚的现场数据、操作实时视频等内容。
图九 平板随时随地远程监控
2.3.7 权限管理：对不同的操作使用者授予不同的使用权限，实现多级管理与监控，避免信息泄密、控制混乱等情况。
2.3.8 开放：可以任意增加、减少所监控的农场数量。随着宏观调整，可以合理布局农场数量，在已建成的系统便捷的增删、修改。预留与其他系统的通讯接口，例如区域天气预报系统，将其中的天气数据与生态农场大棚信息化管理中心的参数进行对接，智能调整大棚现场参数，实现大棚无人值守。
图十 天气预报数据系统
3 信息化管理中心的特点
信息化管理中心的数据，通过广泛分布的地区进行集中化采集，必须通过公共网络，而如何实现不同地区的控制系统之间的数据安全传输，是本系统中十分重要的一个环节。
赛远工业远程安全通讯系统，完全是自主创新的通讯系统，不同于市面上的MODEM拨号、GPRS等低速连接系统，不同于现场需要电脑进行远程桌面的方式，不同于固定IP查找对方的方式，具有如下显著的特点：
· 工程师实时分钟级的响应，实时运行保障
· 两端均不需要固定IP，数据直接点对点连接，无需经过第三方服务器
· 全球internet覆盖支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式
· 支持各种工业以太网协议，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP
· 现场视频和工业数据一起传输
· PLC程序级控制，数据OPC采集
· 数据实时双向传输
· 架设和配置简单，高效
· 最新的赛远专利安全通讯技术，数据安全和稳定
· 一次性投入，无后续产品服务费用
· 支持数据双通道软硬件冗余
· 数据安全加密最高1536位S-Link加密
· 通信安全认证方式：支持指纹认证、短信认证、USB KEY认证、U-KEY认证；CA认证、国密办认证体系、动态令牌认证、X.509数字证书认证
· 密码保护措施：采用密码强度检测、周期性更换密码要求、防暴力破解策略、账号锁定解锁功能、管理员密码权限设置、软键盘、图形验证码等输入验证方式
· 支持Pad、智能手机、笔记本、上网本等等设备远程查看、修改等操作
4 结束语
基于传感器感知采集技术、PLC逻辑控制技术、串口无线通讯技术、视频传输技术、组态二次开发技术以及最新的Internet网络安全通讯技术搭建而成的生态农场大棚信息化管理中心网络系统，很好的满足了农场与大棚的整体监控和智能化的需求。赛远的具有最新专利工业安全通讯技术的工业远程系统，实现了智能大棚的远程采集与集中监控功能，大大降低了调控、维护、预警成本，并通过该系统建立了大棚作物的全生长周期管理系统，在21世纪，从过去的人工耕作温室大棚，转型为信息联网和集控智能化大棚，是信息化、智能化、网络化、云计算化高速稳定发展带来的巨大转变，目前该系统随着生态农场信息化大棚的配套，在国内外均运行效果良好。
参考文献
[1]孙柏林.自动化的十大趋势技术[J].自动化技术与应用，2011(3).
[2]王明生.基于3G的工业远程监视系统[J].新疆电力技术，2010.
[3]崔坚.Siemens Industrial Network Communications Guide (Ⅱ)[M].北京：中国机械出版社， 2005(6): 87-90.
[4]赛远，Remote Security Communication Module SY-RSCM Manuals，2010(3): 14-16.
[5]SIMATIC PROFINET System Manual, Siemens AG，2006(11): 46-48.
[6]乔晓琳.IPSEC的应用研究[J].计算机知识和技术， 2010(2): 1072-1074.
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