8页 智慧农业数据集成平台设计方案

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第33 卷 第23 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.23
2017 年 12月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2017 211
基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发
王 新1，张圆圆 1，许 苗1，邢 博1,2，曾 浩1
（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中国汽车技术研究中心，北京 100070）
摘 要：针对中国当前农业无线监测中农业信息化标准尚未建立，监测终端各不相同，监测系统数据结构兼容性差的问
题，该文围绕异构数据规范化设计和管理，开发了面向差异化农业信息监测终端的一体化网络平台。根据异构网络数据
特点，将不同监测终端上传的数据格式标准化；基于 XML（extensible markup language）和 Visual Basic 6.0 开发了标准化
网管数据接口，将不同终端数据按照通讯协议的标准格式解析、存储数据；基于 PHP、MySQL 数据库和服务器及网站网
页技术设计并搭建了远程监测平台。利用开沟机监测终端进行田间试验，监测耕深和跟踪机具，试验表明：网管数据接
口能实时接收并正确解析终端数据；监测平台可实现远程数据的曲线显示、数据导出和控制终端的远程控制、轨迹绘制
的功能；通过导出数据的轨迹和平台显示轨迹对比，轨迹精确。该研究解决了监测系统异构数据及终端硬件差异问题，
把单机测控应用扩展至广域网，可应用于农机信息的远程实时监测和远程控制，对现代化农业信息化共享有着重要作用。
关键词：监测；互联网；信息技术；异构网络；数据共享；标准化数据管理接口；通讯协议
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027
中图分类号：S126 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2017)-23-0211-08
王 新，张圆圆，许 苗，邢 博，曾 浩. 基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发[J]. 农业工程学
报，2017，33(23)：211－218. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027 http://www.tcsae.org
Wang Xin, Zhang Yuanyuan, Xu Miao, Xing Bo, Zeng Hao. Development of integrated network platform for heterogeneous
agricultural information remote monitoring terminal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
(Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 211－218. (in Chinese with English abstract)
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.027 http://www.tcsae.org
0 引 言
近年来，受益于远程无线监测技术的发展，中国农
业信息化体系框架初步成型，各涉农职能部门在农业信
息资源的利用与整合方面开始积累一定经验，农业信息
服务也取得了一定成效[1-3]。
但现有远程无线监测系统大多只是有线监测系统，
并将其在距离和空间上进行延伸，将数据传输通道由电
缆突破到无线网络，其监测实质并没有发生变化。而各
高校和科研机构对现代化农业监测的研究多集中于监测
技术本身的优化、监测终端的布局组网和监测系统的实
现[4-12]。且每一种作物需要监测的参数均不相同，导致下
位机的开发千差百异。同时受制于摩尔定律的影响，硬
件飞速发展，以及农业信息化标准尚未建立[13-14]，各设
备无法兼容，各无线监测系统数据无法互通共享，进而
重复监测的现象极为普遍，监测数据大量浪费。
此外，现代农业无线监测系统中，网络仅作为数据
传输通道，不参与数据的处理和结果的分析，这无疑是
对于服务器及互联网资源的浪费。随着设施农业信息化
体系的建立，必须要打破各监测系统间的闭环监测壁垒，
将无线监测的通信数据进行整合，纳入各系统监测终端，
收稿日期：2017-06-07 修订日期：2017-09-06
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51405492）；国家重点研发计划“智
能农机装备”重点专项（2017YFD0700603）
作者简介：王 新，副教授，博士生导师，主要从事农业装备智能测控研究，
Email：wangxin117@cau.edu.cn
并统一数据通信协议，推动监测系统融入互联网，形成
现代化农业信息化共享平台[15-19]。
本文针对目前农业信息监测平台众多、数据统一管
理机制薄弱的问题，研究了一种异构数据规范化设计与
管理方法，首先规范各系统感知层终端的采集信息，并
将标准格式化数据利用远程网络上传到远程服务器，利
用标准化数据管理接口实现异构数据通过统一的格式转
换载入到互联网监测系统的数据库内，实现多种异构网
络接口统一配置以及各监测终端数据解析、数据存储、
数据显示功能。
1 系统方案
现代农业信息监测系统主要由信息监测终端、网管
数据接口和网络平台 3部分组成，聚焦实现多种农业信
息监测网络群组及通信方式的异构网络数据的统一化管
理，并赋予农业信息监测的可视化功能。
农业信息监测网络平台系统架构设计如图 1所示，
信息监测终端主要实现各种农业设施传感器信息的采集
和初步处理，例如滤波除噪等；网管数据接口包含数据
通信和数据处理 2部分，前者负责将信息监测终端采集
的信息进行远程传输至应用程序服务器，后者在接收传
输数据之后，根据统一的数据格式及配置将数据进行处
理并存储，供网络平台使用；网络平台利用网站网页编
程技术，将农业信息数据进行展示，完成农业信息的远
程网络化监测。同时，基于监测系统的数据传输通道，
开发的监测系统连接服务器数据库与底层终端的中间
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2017 年
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件[20-24]即网管数据接口，实现了异构网络数据统一化管
理，和由网络监测平台向监测终端的控制功能。
图1 现代农业信息监测网络平台系统架构
Fig.1 System architecture of network monitoring platform for
modern agricultural information
综上所述，系统通过监测终端、网管数据接口和网
络平台可完成数据采集、远程通讯、远程控制并提供 Web
服务，客户端可通过网络平台查看监测信息、读取历史
记录、管理监测设备等（如图 2所示）。
图2 系统软件结构
Fig.2 System software architecture
2 网管数据接口软件设计
网管数据接口是监测系统数据集中处理和异构网络
数据交互的核心，其硬件直接依托服务器自身硬件，将
网管数据接口搭建在通信程序服务器上，无需独立设计
硬件电路，使用服务器处理器及外设接口，具有处理速
度快、兼容多种接口、充分利用硬件资源等优势。其软
件部分运行于服务器系统上，以 Visual Basic 6.0 为编程
语言，采用 MySQL 数据库[25-26]。其实现的主要功能有：
统一数据格式、通信数据接收读取、采集数据解析和数
据库管理。
2.1 数据格式标准化
通信数据的结构和格式是网管数据接口可以准确识
别监测终端通信数据的依据，其包括了数据格式标准化
模块、传感器标定模块和监测对象测控信息模块，用来
判断数据包的完整性和解析各通道采集数据数值位置，
直接决定上传数据能否被解析。该协议固化在程序内部，
不可更改。在现实作业中，控制部分的通信数据可设置
监测终端相关参数，用来定义终端采集频率、采集点等。
传感器标定模块用来定义通信数据各通道工程数与采集
数对应关系，可由网络平台管理员进行更改，定义用户
层网络平台的显示数据。而监测对象的数据类型与结构
十分灵活，用来定义监测终端及监测对象名称、通道含
义等，与底层监测相互分离，可由网络平台进行更改，
有助于提升监测系统的人性化和友好度。
本网络监测平台的通讯数据格式由程序定义，包含
起止符、终端唯一标识号和通道数据流 3部分。其结构
如图 3所示，起止符判定数据是否完整，唯一标识号定
义数据流的从属，数据流包含通道采集数据。本设计中，
数据本身没有任何意义，仅代表传感器电压或电流数值，
其含义及转换关系均可由传感器标定模块和监测对象的
数据结构进行定义。由此，既保证了下位机远程监控终
端的灵活性，由充分利用上位机服务器的数据处理能力
进行数据解析、显示与存储，实现了资源的优化配置。
注：“*”代表数值
Note: “*” represents numbers.
图3 通信数据格式
Fig.3 Data communication protocol
传感器标定模块用来定义结果数值和监测原始数值
之间的关系，由网络平台进行定义，由网管数据接口进
行解析。XML 被设计用来传输和存储数据，由于其具有
跨平台的数据表述能力，支持多种数据解析工具，多用
于实现数据的结构化描述[27-30]。借助已有的类文件提供
的接口，Visual Basic 6.0 语言可对 XML 文件进行解析操
作，且服务器端编程语言（例如，php、java）均可操纵
XML 文档，故XML 文档可实现传感器标定数据的封装。
其协议结构如图 4所示，编号标识监测终端，与其唯一
标识号相对应，通道元素对应上传数据监测通道，各通
道属性值 value 表示其传感器标定公式。
监测对象数据结构工作于网络平台上，主要依赖于
数据库，在数据库中对各监测对象加以定义，由网络监
测平台进行解析显示。
2.2 数据传输及解析
监测终端与网管数据接口通过 TCP/IP 协议栈进行通
信，服务器端采用固定 ip，监测终端将监测数据发送至
服务器端口。服务器端通过 Visual Basic 6.0 程序 comm
控件实现与串口通信数据的交互，如图 5所示。首先，
对网络进行基本配置，包括通道的连接属性及通信波特
率等信息。程序运行过程中对网络进行实时监听，当接
收到数据时，取出数据流，根据通信数据协议进行解析，
识别起止符；当数据完整时，对数据分通道进行解析。
第23 期 王 新等：基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发
213
然后，读取传感器协议 XML 配置文件，根据通信数据的
唯一识别号查询该终端各通道的传感器标定公式，通过
其对应传感器公式将其公式中的自变量 x用对应的通信
数据进行替换，并利用 js 空间将该公式作为计算式进行
计算转换，得到该监测终端各通道的最终数值。其中 XML
读取及字符串作为计算式计算的部分程序如图 6所示。
图4 传感器协议 XML 封装树状图
Fig.4 Tree view of XML encapsulation in sensors protocol
图5 异构网络数据解析
Fig.5 Data analysis of heterogeneous network
a. 传感器协议 XML 文件读取
a. Sensor protocol XML file read
b. 读取公式
b. Reading formula
c. 公式计算
c. Calculation with formula
图6 调用公式处理数据程序
Fig.6 Procedure to process data by formula
配置 XML 文件解析功能通过使用 Visual Basic 6.0 软
件和 dmXML.cls 类文件进行实现。根据配置文件位置，
读取配置文件，借助元素值及属性名称可轻易地读取该
元素对应属性值。本设计中将公式赋值给元素值，再读
取对应公式进行下一步运算。读取 XML 文件对应程序，
如图 6所示，所有具体程序全部封装在类文件中，主程
序仅需调取相应函数属性即可运行。获取通信数据，调
取对应的公式，使用 Replace 函数实现通信数据对公式未
知数的替代，得到计算数据的字符串，然后利用 JavaScript
插件编写 Eval 函数将字符串转换为计算公式，得到计算
结果。
2.3 数据通信控制
网管数据接口是监测平台服务器与底层监测硬件终
端的桥梁，不仅负担底层硬件向上位机通信传输数据的
解析和存储，还承担着服务器端数据向下的传输，以实
现监测服务器端对监测终端的控制。出于网络安全考虑，
服务器控制数据写入数据库的过程中，服务器须与应用
程序进行一定的隔离，故数据库无法直接调用网管数据
接口程序，需要网管数据接口循查 MySQL 数据库。所以
控制命令的下发分为两部分：用户通过网页设置控制命
令后，监测服务器连接数据库，将控制命令写入，同时
写入控制标识，如图 7a 所示；网管数据接口定时循查数
据库，当发现控制命令标识时，读取控制命令内容，将
其通过串口通信和 TCP/IP 协议向下传输至监测终端，如
图7b 所示。
图7 控制命令下发流程
Fig.7 Sending flowchart of control command
2.4 数据库架构设计
本设计采用 MySQL 数据库，网管数据接口端通过
Visual Basic 6.0 语言利用 OBDC 数据源与 MySQL 数据库
进行连接。通过 SQL 语句对数据库进行读写管理。网管
数据接口接收到数据并进行数据格式匹配、数据计算之
后，会根据匹配结果判定发送数据的智能终端唯一标识
号，然后连接数据库将数据写入数据库。同时，网管数
据接口循查数据库，发现控制标识时，读取控制命令内
容，向下传输。
摘要：

第33卷第23期农业工程学报Vol.33No.232017年12月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringDec.2017211基于异构数据集成技术的农业信息综合管理网络平台开发王新1，张圆圆1，许苗1，邢博1,2，曾浩1（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.中国汽车技术研究中心，北京100070）摘要：针对中国当前农业无线监测中农业信息化标准尚未建立，监测终端各不相同，监测系统数据结构兼容性差的问题，该文围绕异构数据规范化设计和管理，开发了面向差异化农业信息监测终端的一体化网络平台。根据异构网络数据特点，将不同...

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