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太阳能虫情测报灯的监测预警系统设计与应用

来源: 更新时间:2012-12-30 阅览3911次

太阳能虫情测报灯的监测预警系统可以通过对各采集点虫情信息的采集、传输、收集及处理,建立省、地州、县、村四级虫情测报预警系统,大大提高各种农作物虫情测报的科学性、准确性、时效性,对农业作物虫情灾变、防控起到积极作用。
1系统组成
太阳能虫情测报灯的系统是由以下几部分组成:
(1)采集站;(2)中继站;(3)各级监测站;(4)移动手持机;四部分组成。(详见图表)系统由硬件和软件两部分组成,硬件包括传感器、采集器、通讯接口、系统电源、计算机等,系统软件有采集监测四级软件。为了实现组网和远程监测。
1.1监测站:省级一级监测站:汇集处理来自若干地工作站的报表数据,它享有最高权限,能够访问其他地、县市、乡镇工作站及任一采集器数据。地州二级监测站:汇集处理各地管辖的县市工作站的数据报表,能够访问地管辖的县市、乡镇监测站的数据及各地管辖的乡镇内任一采集器数据。县、市三级监测站:汇集处理各县市管辖的地州工作站的数据报表,能够访问地管辖的乡镇工作站的数据及县市管辖的任一采集器数据。乡镇村四级监测站:汇集处理各乡镇管辖的采集器数据,能够访问各乡镇工作站管辖的任一采集器数据。
1.2中继站:手机信号没有覆盖地区,将采集器(一个或若干个)发送的无线信号传送至中继站,传输距离不小于10公里,然后中继站通过GPRS将数据集中传送至前置监测站(PC)。
1.3采集器:数据采集器是本系统的核心,其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输,数据采集器拥有10个模拟单端通道(或5个差分模拟通道),5个数字通道,3个计数器通道,+5V和+6.8V供电输出,和1个RS232通讯口及存储卡插件。并配有1块28个通道防雷板(CAWS-FL01),所有外部接线(除电源)均通过此板接入采集器。采集器通讯方式有三种:(1)有线方式:标准RS232或RS485通讯接口;(2)移动公网:GSM/GPRS通讯方式;3)无线方式:通讯距离≥10km。当采集器所安装位置有手机信号时可通过移动公网与后台管理系统直接通讯,而如果没有手机信号或手机信号较弱时采集器可通过无线方式与后台通讯,当距离较远无线通讯达不到时可通过中继站接力与后台建立通讯。(详见采集器结构图1)
1.4手持机:为手持便携式设备,通过无线的方式采集周围采集器的虫情信息,使得在现场抄录数据更加快捷简单。
2太阳能虫情测报灯的系统设计基本要求
系统采集到数据可以通过两种方式传输:一种是通过GPRS信道以UDP或TCP数据包形式送到。另一种是通过GSM信道以短信数据包形式送到。
2.1采集模块功能
(1)高精度的模拟量采集:通过采用24位∑-△A/D转换器能对24位模拟量进行数据采集,且有10个模拟量输入通道;(2)拥有USB大容量存储接口:通过大容量USB存储设备,和辅助相关的掉电保护电路,使本模块具有256M字节的数据外部存储空间,能够保证在外界断电的情况下,存储器保存的数据永不丢失。其主要用于存储采集到的模拟量和开关量数据按照采集器的当前时间进行存储,在GPRS通讯不正常的情况下保证数据的完整性和连续性;(3)模块具有8路开关量输入和4路开关量输出功能:通过该功能用户可以对现场的开关状态进行采集;以及可以控制现场的某些设备进行开启与停止,方便用户进行远程开关量的采集和控制;(4)本模块具有通过移动电话(手机)短信下载通信参数功能,例如通信中用到的IP地址,心跳时长等等;(5)本模块具有透明数据传输功能:用户通过远程服务器传输一条协议给模块,模块会不加解释地将协议传给它本身的485口或232口,这样挂接在模块的485口或232口的仪器给据用户的协议会返回相应的数据,无线模块会将仪器返回的数据通过无线网络返回给远程服务器;(6)本模块具有上电上电自动重新连接功能适合远距离无人值守环境。
2.2中继站单元
中继站是系统广域网的节点,处于四级体系省、地州(市)、县团、连村、中的最低层。对采集器汇集若干个采集点所采集信息接受、发射,并通过现场显示器将传输来的数据进行解码、纠错和合理性检测后存入存储器,通过GPRS网络将信号传送至监测站,还可现场显示采集的数据,供相关人员查询、统计、显示和打印,完成虫情测报预案。
2.3系统软件设计
各级监测软件:主要用于接收、分析田间各采集器发回的虫情数据,实时监测田间虫情状况。可实现人工数据倒入、定时自动轮询数据、更新数据浏览、历史数据浏览、特征参数趋势图显示、特征参数越限告警、重要状态变位告警、运行报表测览及打印输出。中心站具有网络功能,可随时随地通过网络查询各采集点数据。软件系统具有扩展性可以增减采集器安装点(每台计算机及软件最多可管理256个采集器)。软件构成综合考虑各级软件的需求和软件的可靠行、可扩展性、实用性,提出以数据库为核心的遥测信息平台解决方案。(总体结构图如下图2所示)虫情监测信息平台软件由模块化可以配置的通信值守和监控、远程管理和固态取数、数据库维护和文件传输、信息查询服务四个模块组成。(1)通信值守和监控进行数据通信和数据入库:通过数字专线或GSM/GPRS兼容模块,实时接收测站的虫情数据对信息进行解码并进行合理性检查、分门别类将各种数据入库,根据采集器采集设备工作状况及数据,分析采集器的工作状况,对系统运行状况进行监测。(2)远程管理和固态取数完成远程读取和设置终端参数、远程提取固态存储数据远程向采集器下发指令,命令中继站批量上传固态存储数据或修改中继站参数将采集器传来的固态存储数据处理成相应的数据格式,形成文本文件终端信息管理将本地存储的实时虫情数据整理为固态存储数据文件形式。(3)数据库维护和文件传输完成本地数据库的维护和数据文本文件的远程传输提供(4)信息查询修改服务:提供本地查询和统计管理功能,包括实时数据、整点数据、虫情加报、测站工作状况、通信畅通率,提供中继站属性、参数管理功能,站点增减等功能。
通过本软件不但实现了田间作物生长环境参数数据的自动采集、远程传输、处理如库,满足虫情应急的要求;而且在此基础上实现了远程修改测站运行参数和通讯参数;保证所有采集站数据虫情信息10分钟收集到县级监测站,15分钟汇集传输到省级监测总站。
2.4系统硬件设计
多路采集器是以高性能微控制器为核心,具有众多传感器I/O接口和多个通信接口,集数据采集、显示、存储和转发等功能于一体的高性能遥测数字终端设备。JRL-YC-06采集器可以通过有线(PSTN、专线等)、无线(短波、超短波、微波)、GPRS/GSM移动通信网及卫星通信等通信组网方式,实现高效可靠的数据传输,完成数据采集、处理、存储以及传输等任务,并可实现系统的远程管理。硬件具备特点:三个RS-232C通讯口、具有主备信道自动切换机制、固态存储器远程、本地提取可以发送人工观测数据、预留智能接口,可接入智能标准传感器等特点。
2.5通信设施
GPRS是移动通信网中的一种新技术,完成了无线Inter-net接入,这种技术在数据传输时,将数据进行分组(TCP/IP)传送,并提供透明通道。网络容量仅在需要时才分配,一旦分组完成发送任务,信道容量立即释放,所以提供了即时连接和高效传输,实现了实时在线的功能。因此,它是一种经济高效的分组数据技术。
组网方面主站和从站设备均可使用动态IP和固定IP两种工作方式,当组成小规模监测网时,主站和从站均采用动态IP方式,用动态域名解析使用公网,可节省费用(不用专门租用DDN等专线);组成大网时,主机可采用固定IP,并用专网,以提高系统的效率,但在条件不具备时仍可使用动态IP和公网,此时效率仅比固定IP低0.2%。GPRS/GSM通信终端嵌入了TCP/IP协议,与采集器接口采用RS-232C标准接口,与采集器的通信协议采用AT指令,不但可以很方便地在GPRS和GSM信道上进行转换,而且测试简单方便,性能稳定,利于维护。
2.6供电设备
田间采集系统供电设备由太阳能电池板、蓄电池、太阳能充电保护器三大部分组成。中继站大多地处边远山区,由于农网电压不稳定,而且得不到连续供电的保证,因此不宜使用交流供电方式。
为了保证遥测设备供电正常,所有采集器推荐采用太阳能电池板浮充免维护蓄电池供电的方式,足够保证中继站设备正常工作。
综合考虑采集器平均日照、功耗、太阳能电池充电电流、负载相关系数以及电池充电安全系数,遥测系统供电设备将系统中继站太阳能电池板功率配置为20W,蓄电池容量配置为24AH,通过太阳能充电保护器的控制,无论是哪种综合中继站,均可保证5天内将蓄电池充满,亦可保证阴雨30~50天情况下,中继站设备运行正常。
3太阳能病虫测报灯的监测系统设计的易用性
3.1高可靠性设计
通过农田环境采集可靠性设计、应用软件自身可靠性设计
、数据可靠性、固态存储数据的可靠性等综合考虑保证了系统整体运行的高度可靠性。其中环境可靠性设计运用了软硬件的容余设计,环境防毒、防攻击设计;应用软件自身可靠性设计应用了软件本身的错误处理机制和监控运行机制;固态存储数据的可靠性运用了数据补发保证、本地远程数据互备份机制;
3.2动态链接库、多线程和线程同步、内存共享技术动态链接库应用方便代码的复用、方便通信模块的修改和升级;多线程和线程同步的应用保证了复杂的通讯过程的实现;内存共享技术的应用实现了大数据短时间的同步交互。
3.3从投资成本上来看
GPRS/GSM通信技术传输数据,由于电信部门的网络相对虫情监测系统是透明的,所以监测系统的网络结构就变得简单,这样就便于自动测报网络投入使用后的维护和维修工作,节约维护和维修成本以及网络的运营成本。通信费用低廉。虽然利用GPRS/GSM通信技术来实现遥测系统的数据传输有需要收取通信费用的缺点,但相对来说,它的通信费用是相当低廉的。
综合考虑整个项目的投入,用GPRS/GSM通信技术来实现数据传输的方式将能从工程的建设、维护、维修等各个方面节约很多成本。
3.4提高系统的稳定性、灵活性、可移植性、可靠性稳定性:对于遥测系统中的自动化通信设备来说,由于其所处的地理环境,防雷一直是一个十分头痛的问题,即使增加了许多防雷设备和器件,这些设备还是经常遭雷击。使用GPRS/GSM通信网络及GPRS/GSM通信技术来实现虫情灾变数据遥测可以省去了一些常用的通信设备,所以防雷问题也就不会那么突出。
可靠性:采用GPRS/GSM通信技术来进行传输后,通信信道的信噪比、误码率等通信的性能指标都可以由GPRS/GSM网络的性能指标和通信协议得到保证,可以免去很多数据传输过程中的数据校验、检错、纠错工作,数据通信的可靠性可以得到提高。
可移植性:除了应用于固定中继站的虫情遥测信息传输外,GPRS/GSM通信技术作为移动通信网络的通信业务之一,更能应用于迅测等流动中继站的信息传输,而这一切的实现不需要增加任何通信设备。
4结束语
综合上述分析,以GPRS/GSM通信系统的传输中继站与终端采集站之间的测量数据,无论在系统的稳定性、灵活性、可移植性、可靠性,还是在网络运行成本上都比现在应用的测报通信系统有更大的优势,因而具有很广泛的应用推广价值。
除此以外,在虫情灾变应急预案中,监测站还可以以手机短信形式农户发布灾变预警信息,同时为有关各级植保决策和指导施药提供可靠的依据,避免虫情灾害所造成的损失。
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