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林副特产监测站系统设计研究

 论文栏目:林副特产论文     更新时间:2018/6/7 11:00:43   

摘要:为提高林副特产原料生产管理水平,针对林副特产原料生产与环境密切相关及生产实践管理需要,提出通过林业物联网技术,设计实现完整的林副特产原料生产环境因子监测站系统。获取原料生产地的大气温度、大气湿度、大气压力、光照度、风速和风向等环境因子信息,使用GPS技术获得流动监测的定位信息。监测站终端将环境因子数据通过GSM数字通讯传输至应用服务器。上位机软件平台处理、收集、展示、分析、统计和存储所获取到的信息,生产管理人员根据环境因素,适时调整生产作业时间。结果表明,林副特产原料生产环境因子监测站系统的应用,提高了生产作业效率和管理水平,更好的实现了林业管理的信息化、精细化的特点。

关键词:林副特产;环境因子;林业物联网;监测站系

引言

近年来,随着人们保健意识的增强,对林副特产产品需求呈爆发性发展。但是,由于林副特产原料生产环境的影响导致产品质量良莠不齐,有必要通过林业物联网技术,建立一种林副特产原料生产环境因子监测应用系统。以蜂产品为例,蜂产品在原料阶段,无论是蜜蜂的生产繁殖还是蜂蜜、花粉、蜂胶和蜂王浆等原料的采集,都会受到蜂场环境变化的影响[1-3]。尤其在蜜蜂的采蜜期、繁殖期以及幼蜂的生长期,光照度、温湿度、通风性等环境因素极其微小变化都会影响最终生产的蜂产品原料质量。因此需要借助林业物联网技术对蜂场环境进行实时的监测,以便蜂农根据环境信息及时改善和调整蜂场环境,提高蜂蜜产量和质量。

1系统设计

林副特产原料生产环境因子监测站系统包括硬件终端和上位机软件管理平台两个部分。林业物联网技术日益成熟,传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用,为科学管理提供数据支持[4-7]。硬件终端通过传感器获取温度、湿度、大气压力、光照度、风速和风向等环境等信息,通过GPS模块获取经度、纬度、方位角、速度、卫星数和时间等定位信息,这些数据经过中央控制器处理后会显示在液晶屏幕上,并通过GSM模块上传至服务器[8-11],如图1所示。整体包括环境监测传感器、控制器等电路模块、固定式三角支架、太阳能电池板、防水设备箱外壳等。考虑到冬季严寒和霜冻对系统的影响和损坏,在主设备箱中增加了伴热带,提高系统的耐低温性能。终端使用220V交流电源供电,也可使用太阳能电池板供电模块。

2硬件监测终端设计

硬件终端包括太阳能供电模块、中央控制单元、传感器采集单元、数据通讯和GPS单元、人机交互单元等,如图2所示。太阳能供电模块由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成,其主要作用是使用太阳能给系统供电并给蓄电池充电,以保证在220V交流电意外断电时系统能正常工作。太阳能电池板采用30W的单晶硅太阳能板,在光照充足时对蓄电池进行充电,保证夜间设备正常工作;太阳能控制器采用带记忆功能和过载保护的光伏发电系统控制器,其充电模式为串联式PWM充电,能有效的降低充电回路的电压损失,提高充电效率并延长用电时间。太阳能蓄电池电压12V,容量20AH,与太阳能电池板和太阳能控制器配套使用,满足系统供电要求。中央控制单元作为系统的核心控制器,采用了STM32F103VCT6作为MCU。STM32F103VCT6是基于ARMCortex-M3的32位处理器芯片,内部具有256KBFLASH和48KBRAM,信息处理速度快效率高,满足本研究应用要求。MCU的主要作用是将外部采集到的数据进行运算和处理,然后通过液晶显示屏显示出来,并控制各种接口的转换和数据的交互通讯传输。传感器采集单元是硬件监测终端最主要的组成部分,主要负责与多种环境传感器进行通讯,从而获取环境数据。硬件终端共设计10个传感器通道,均采用4~20mA电流采样模式。根据应用需要,可灵活的配置为采集温度、湿度、光照度、大气压、风速、风向、土壤温度、土壤湿度和二氧化碳浓度等环境信息,通过传感器和信号调理电路转换成MCU可以识别和处理的数字信号。环境传感器的性能直接影响测量精度和设备可靠性,温湿度传感器采用SHT10,灵敏度高防水性好,能检测到温湿度极其微小的变化,SHT10测量相对湿度的量程范围为0~100%RH,精度是±4.5%RH;测量温度的量程范围为-40~128℃,精度是±0.5℃;光照传感器采用高灵敏度硅兰光伏探测器作为敏感元件,测量范围广、线性度好、可靠性高,其量程范围为0~20万Lux,测量精度±5%;大气压力传感器量程范围为0~110KPa,精度是±1%;风速传感器量程范围为0~30m/s,精度是±0.2m/s。风向传感器测量范围16个方向。土壤温湿度传感器可测量温度范围-30~80℃,精度是±0.5℃,湿度测量范围为0~100%RH,精度是±2.5%RH。二氧化碳传感器测量范围0~5000PPM,用于评估小区域局部的二氧化碳浓度情况。传感器均采用4~20mA电流模式,除了温湿度传感器输出的是数字信号之外,其余的传感器均输出模拟信号,因此需要增加模数转换过程,通过模数转换将模拟信号转换成数字信号传输至MCU。通讯模块负责将监测到的蜂场基础环境信息和GPS定位信息通过GSM网络上传至公网服务器。GSM模块通过UART串行口与MCU通信,可通过短信配置参数,操作简单性能稳定[12-15]。GPS模块主要包括用于接收卫星信号的有源天线和GPS定位模块,数据包括时间、经度、纬度、方位角、速度和卫星数等。GPS模块通过串行口直接与MCU通讯,并将采集到的定位信息发送至MCU,经过处理后显示在液晶屏上,同时经过GSM模块上传至服务器的通讯网关[16-17]。人机交互单元采用DC80480B070_05TW可触控液晶屏,支持多种组态控件的显示和多种格式图片的下载,并自带1Gbit内存。在本研究中,总共设置了三个界面,包括启动时的欢迎界面、环境基础参数显示界面和参数设置界面。液晶屏为电容性,支持手动触控模式。界面增加了节能按钮,当光照不足时设定节能模式可以通过降低屏幕亮度等措施降低功耗节约电能。硬件终端结构如图3所示,现场应用如图4所示。

3上位机管理软件平台设计

环境数据由监测站终端到上位机管理软件平台的过程,是精确控制、可靠传输的,如图5所示。监测站终端通过传感器获取环境数据并对数据进行滤波处理,使数据平滑稳定;将处理后的多种数据按照特定结构组装成数据包用于传输,数据包具有包头、包尾和数据校验等结构和功能,实现稳定可靠的数据传输;数据包通过GSM数字通讯模块传输至服务器的数据网关,监测站终端可设置以5min或10min为间隔,24h自动上报数据;上位机数据网关接收到数据包后,验证数据包的正确性,并进行解码处理;解码获取的多种数据存储数据表中,提供给上位机软件前台进行分析和调用。上位机平台实时显示、收集、分析、统计和存储所收集到的信息[18-19],如图6所示。管理人员可以根据液晶屏显示信息及时调整蜂场基础环境,根据服务器终端的数据统计和处理结果,调整蜂蜜收购时间、原料库存管理以及生产和运输管理等。包含数据有终端ID、终端名称、终端状态、最后更新时间、定位状态、位置信息、方位角、速度、风速、风向、大气温度、大气湿度、大气压力、光照度等信息,通过B/S技术展示到浏览器和手持终端,为生产作业提供数据指导,如图7所示。

4监测站系统数据结果

在现场监测过程中,监测数据结果直接影响系统的整体适用性,选取两个时段将设备测量值与人工测量进行对比,通常传感器精度会优于人工测量精度,现场测量数据见表1。根据测量结果可以看出,在实际的生产实践中,人工管理主要依靠温度计、湿度计、气压表和风速表等仪器来进行环境测量工作,这些仪器需要人工经常性反复测量以获取连续数据,仪器精度对测量值也有影响,如光照度、大气压力等测量项,人工管理仅依靠经验系数,难以量化;监测站系统通过传感器获取环境的有效信息,进行自动测量,无需人工干预,测量值连续稳定,生产管理人员直接查看数据,操作方便快捷。

5结论

本研究为提高林副特产原料生产管理水平,通过林业物联网技术实现了完整的林副特产原料生产环境因子监测站系统,具有精度高、适应性好、鲁棒性强、可移动使用、实时上报数据的特点。系统传感器采用4~20mA电流型,数据精确度高抗干扰能力强;终端设备箱中增加了伴热带装置避免液晶屏、蓄电池等对温度敏感的器件在低温条件下性能变差或损坏,在-30℃的环境下正常工作;考虑到生产现场用电困难、供电不稳定的情况,增加了太阳能供电模块,保证系统在意外断电时继续工作;人机交互采用触摸式液晶屏,界面设计美观简洁操作方便。本系统相比农业中应用的同类环境监测站服务侧重点有所区别,更注重如样地、大棚、生产基地等定点小区域的环境测量,结构更加灵活,做到广泛多点布设基站,统一进行数据管理,其主要目的是对林业产品生产过程进行环境记录,为生产过程管理和产品溯源管理提供更加完善的数据支持。经测试,林副特产原料生产环境因子监测站系统平台的应用,管理人员可以根据环境影响因素和管理需要,调整生产、收储、运输、作业的时间,提高了生产作业效率和管理水平,更好的实现了林业管理的信息化、精细化的特点,为林副特产生产作业服务。

作者:丛喜东 赵邵松 刘学 翟洪丽 田松岩 单位:黑龙江省森林工程与环境研究所

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