上海数字农业系统集成平台.doc

上海数字农业系统集成平台曹华盖 陆贤（上海齐维信息科技有限公司，上海200030）摘 要：通过开发农业监测设备和环境调控机电设备通信协议服务器，解决应用软件与不同厂家设备的数据采集和过程控制通信协议不一致的难点，实现农业监控现场总线等异构网与以太网的集成。集成平台采用了Web GIS与组态动画嵌入技术，将数字农业各项技术系统成果集成为一体，实现了对各子系统统一监测、控制和跨子系统的联动，为用户提供了空间可视化、管理智能化和资源共享、远程管理的网络平台。关 键 词：数字农业；智能监控；集成技术 中图分类号：S518 文 献 标 识 码：AThe integrated platform of Shanghai digital agriculture systemCAO Hua-gai,LU Xian(Shanghai Changewell Information Technology Co.Ltd. Shanghai 200030,China)Abstract：The integration of the Ethernet with the isomeric network such as on-site monitoring bus of agriculture was realized through developing communication protocol servers of agricultural monitoring equipment and environment-controlling electromechanical device to overcome difficulties in communication protocol inconsistency of data acquisition and process control between application software and devices by different producers.The integrated platform applied Web GIS technology to animation and configuration integrated the results achieved in various subsystems of digital agriculture and realized uniform monitoring and control of all the subsystems and linkage of multi-subsystem,thus offering users a network one of spatial visualization administrative intellectualization, resource sharing and telemanagement. Key words: Digital agriculture；Intelligence monitoring；Integrated technology. 1引言数字农业系统集成平台是上海市农科院主持的863数字农业7设施农业数字化技术应用研究与开发中的一个子项目。子课题目标：组装Web GIS技术、可视化技术和自动控制技术，实现温室生物信息和环境信息采集的时空、组态动画表达；温室自动控制设备的时空、组态动画表达，在示范基地和辐射基地建立设施精准农业监控网络和系统集成平台，把分散在4个示范基地的数字农业系统集成为一个统一平台，成为上海数字农业开发应用总体集成平台的重要组成部分。系统设计以上海农科院信息中心网络为基础，加载上海数字农业服务器（WWW服务器、数据库服务器、GIS服务器、应用服务器），构建数字农业系统集成平台，基于这个平台实现了孙桥现代农业园区、星辉农场、农工商现代农业园区、山东烟台青叶农业园等示范温室大棚远程实时监测数据完全共享和管理。数字农业作为当代最先进的农业技术，十五、十一五期间上海已研究开发出一批实用的数字农业技术成果和产品，包括数字化栽培、养殖技术、规程，农业专家系统，病虫远程诊断系统，设施数字农业监控平台，资源与环境，大田精准农业与设备等。因此充分利用现代信息技术建立上海数字农业技术成果应用的集成平台，通过辅导培训和示范应用，逐步使数字农业技术成果应用成为生产者的主动行为，使上海数字农业技术成果得到有效的转化仍然是今后的一项重要课题。2系统架构和关键技术2.1 系统架构收稿日期：20080514初稿；2009年3月30日二改稿基金项目：国家863计划项目：2003AA209070设施农业数字化技术应用研究与开发资助作者简介：曹华盖（1953），男，大普 气象高级工程师，从事3S技术应用开发，系统平台采用面向空间、面向对象、面向用户的组件设计思想，以空间可视化、管理智能化为目标，在统一的信息网络平台上，既能提供综合性数据和多媒体信息服务，又能集中显示分控的专业技术服务平台，同时也是一个相关信息通畅的管理平台；既能集中监控管理，又能按各研究开发基地监控、管理需求服务于各角色和分散维护检测。系统采用三层架构1：用户服务层、业务服务层、数据服务层，三层之间的功能相对独立，使得系统可方便的进行扩展。系统提供了开放接口，通过系统后台设置，可以将任何数字农业基地监控主机接入本系统，通过互联网实现远程管理。2.2 系统集成关键技术（如下表1）表1 系统集成关键技术Table 1 key technologies of system integration功能层面关键技术应用系统集成平台基于Web GIS、组态动画嵌入空间可视化管理智能化；网络集成各基地设施监控现场总线节点监控主机通信协议服务器ADSL 动态IP解析；系统体系结构与架构B/S体系结构数据服务、业务服务、用户服务三层架构；服务器GIS 服务器、数据库服务器、通信协议服务器、应用程序服务器；数据采集节点监控主机服务器中间数据库客户机；控制远程客户端自控设置/手动控制指令OPC（(OLE for Process Control)服务器/动态域名解析现场监控主机（动态域名）节点执行器；基础数据库地理背景数据属性数据拓扑关系；实时监测数据库格式检查预处理自动入库；人工观测数据库客户端模板 递交自动入库；用户应用层登陆地图导航管理层；系统管理系统设置权限设置后台管理；3 系统集成平台结构和基本功能数字农业系统集成平台，采用了Web GIS与组态动画嵌入技术，将数字农业各项技术成果集成为一体，实现空间可视化和管理智能化。包括数字农业在线数据采集、控制、监测、报警；大田精准农业、设施数字化生产专家系统、数字模型、标准化安全生产规程；设施蔬菜病虫远程诊断专家系统；设施土壤养分管理GIS；设施档案农业；农场资源管理等。为用户提供了资源共享、远程管理的网络平台。3.1 数字农业监控网络结构图1 数字农业网络结构图Fig.1 Digital network structure of agriculture 数字农业监控网集成通过开发基于农业监测仪器通信协议服务器、环境调控机电设备驱动程序OPC（(OLE for Process Control)、ADSL动态IP解析等实现了示范基地农业现场监控总线、无线通信等异构网与以太网的集成2；解决不同厂家设备的数据采集、过程控制通信协议不一致的难点，实现上海市农科院信息中心服务器与各示范基地监控异构网络的远程连接。包括：上海孙桥现代园区荷兰温室西红柿、甜瓜环境监测系统、视频监控系统；上海农工商现代园区仙客来、根限葡萄大棚监控系统、视频监控系统、大田精准农业在线作业GPRS无线接入；上海星辉示范基地管棚监控系统；山东烟台青叶园区紫苏大棚监控系统接入。网络结构如图1. 3.2集成平台基本功能3.2.1 对各子系统进行统一的监测、控制和管理系统集成将分散的、相互独立的子系统，用相同的环境，相同的软件界面进行集中管理。这种监控功能是方便的，可以以生动的图形方式和方便的人机界面展示希望得到的各种信息。3.2.2 跨子系统的联动，提高整个系统工程的功能水平系统实现集成以后，原本各自独立的子系统在集成平台的角度来看，就如同一个系统一样，无论信息点和受控点是否在一个子系统内都可以建立联动关系。这种跨系统的控制流程，大大提高了系统的自动化水平。3.2.3 提供开放的数据结构，共享信息资源系统建立一个基于Internet/Intranet开放的工作平台，采集、转译各子系统的数据，建立对应系统的服务程序，接受网上所有授权用户的服务请求，实现了数据共享。这种网络环境下的B/S体系结构使集成信息系统充分发挥其强大的功能。3.2.4 提供一个数字农业技术共享平台在用户服务层实现了GIS基本功能与设备监控、实时环境、生物要素组态动画的有机结合，体现了空间可视化、智能化和总控管理自动化的技术水平。用户服务层提供了地图空间导航、放缩漫游、空间与属性数据相互查询、监测报警与视频联动、报警事件统计分析、大棚自控与手控设置、注册和权限管理等远程服务等基本功能。包括资源管理、实时监控与报警、设施数字化生产、大田精准农业、设施病虫远程诊断、设施土壤养分、设施档案农业、观测报表网上递交、综合查询、系统维护与设置。4 中间数据库图2 中间数据库数据交换关系Fig.2 Date exchange relation between intermediate database and databases of information center and stations上海数字农业数据库包括各示范基地地理背景数据库、分布式实时监控数据库、各应用系统数据库。为了保证各基地监控系统的独立性和稳定性，在服务器端设置一个中间数据库，客户机与监控主机通过中间数据库进行数据交换3，中间数据库数据交换关系如图2。 5 应用系统集成图3 上海农工商现代园区监控主页Fig.3 Monitoring homepage of the Modern Agricultural Park of Shanghai Agro-Indusltcial and commercial complex 应用系统集成包括公众浏览和农业数字化生产专业管理两部分。 数字化生产管理系统包括资源管理、实时监控、设施生产、大田生产、病虫诊断、土壤养分、档案农业、综合查询、报表递交、系统维护等栏目。其中资源管理、设施生产、大田生产、病虫诊断、土壤养分、档案农业统一采用B/S体系结构，由集成平台分别链接各个子系统，而各子系统所需的实时监测数据可通过数据库接口获取，以下不再对所链接的系统进行描述。5.1 实时监控系统5.1.1 地图导航用户通过系统提供各地示范地基总地图导航（如图3），可以方便进入自己所管理的层面。如基地大棚空间分布、每个大棚栽培地块分布、各类传感器位置分布、动力设备、环境温度、湿度调控设备位置分布以及相应的空间属性包括大棚型号、面积；环境监测、生物监测项目；设备名称；当前栽培作物等。 5.1.2 监测报警监测报警以基地为单位进行，分为报警和报警阈值设定两部分。报警包括环境报警联动视频监控。报警阈值设置可以针对不同大棚的不同作物不同生长发育期对环境要求在线设置报警值上下限。系统将报警设置为优先级。当监测系统发生报警时，系统自动进入监测报警栏目发出报警音响，弹出报警点位图像、大棚编号、栽培作物、当前发育期、报警类型、报警事件处理预案等属性，提示值班员处理。5.1.3 温室大棚实时环境、生物监测实时采集和传送环境数据包括室外温度、湿度、辐照度、风速、风向和雨量，室内温度、湿度、二氧化碳浓度和水温，灌溉量、回流量、灌溉营养液pH、EC等，生物数据包括叶面温度、植株水势图4：温室大棚实时环境、生物监测页面、果实膨大等。当用户进入某地温室大棚监控系统，系统提供包括当前大棚内外各种环境、生物要素在线监测值显示，前一天要素日平均、最高、最低值；24小时各种要素变化曲线图；生物、环境要素值采用直观的动画显示移动刻度标尺（如图4）。图4 温室大棚实时环境、生物监测Fig. 4 Real-time biological and environmental monitoring of greenhouse5.1.4 温室大棚环境调节设备监控图5 温室大棚环境调控机电设备监控Fig.5 Monitoring of electromechanical devices controlling greenhouse environment设备包括自动控制设置，手动控制两大部分。在线监控通过中间库与示范基地温室大棚监控主机闭环控制系统进行数据交换，基地监控主机的控制系统作为一个相对独立的系统运行。远程监控以状态监视报警为主，并实现组态动画显示设备运行状态、行程状态、开关状态和参数，如顶窗开闭、内外遮阳、保温网开闭行程状态；环流风机、增降温设施、补光照明、CO2释放、灌溉水泵等在线运行状态、参数进行监视（如图5）。5.1.5 视频监控图6 基于Web视频监控Fig.6 Web-based video surveillance授权用户登录系统后通过地图导航，可快速进入任一基地摄像监控界面，在基地地图上标有摄像头的位置。用户只要点击地图上任一摄像头，系统将会弹出该摄像头的实时视频监视图像窗口。系统可以同时打开4路视频窗口，每个窗口带有云台、变焦控制按钮（如图6）。用户可以实现在线远程视频监控。系统提供初始设置，将视频监视区域与环境要素、设备故障报警信号关联，并可设置报警事件发生时保存的图像 帧数。当发生报警时，系统将自动创建媒体窗口，把相应报警区域的实时摄像图像切换到集成系统监控主屏幕，并可控制云台和变焦。5.1.6 大田精准作业在线监测大田精准作业在线监测测产、变量施肥作业实时发送的数据，包括精准作业机械的空间移动位置（经度、纬度、海拔高度、航向、速度）、作业地块对象计量等数据4。系统以作业田块地图为背景，提供实时作业机械移动轨迹，作业最小地块动态显示和历史回放显示，可以查询任一作业最小地块对象计量数据（如图7）。5.1.7 综合查询 图7 大田精准作业在线监视Fig.7 On-line surveillance of accurate field operations提供各基地大棚外气象、大棚内环境、生物在线监测数据、统计报表查询；大棚农作物生长发育、病虫害观测报表查询；人工分析测试、档案记载报表查询。主要包括：（1）大棚外气象监测包括：平均、最高、最低气温、相对湿度；风向、风速降水量的逐日、逐旬、逐月报表；5活动积温、10活动积温、15活动积温及初终界日。（2）大棚内气象、土壤、生物在线监测要素的逐时、逐日、月统计报表；10活动积温、15活动积温查询。（3） 大棚人工观测、分析测试、档案记载报表查询。5.1.8 人工观测报表递交图8 人工观测报表在线递交模版Fig.8 A online template for reporting artificially-observed data系统为各基地提供网上在线观测记载报表递交模板，实现人工观测数据共享，包括：作物生长发育观测报表、作物病虫害观测报表、设施蔬菜档案农业记载报表、大棚土壤理化测试记载表。在线递交模版如图8。5.2 系统设置5.2.1 监控对象属性设置系统提供监控对象的基本属性在