基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊洋 YANG Yang

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司信息中心，重慶 400067）

（Enterprise Information Center，China Merchants Chongqing Communications Research&Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400067，China）

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是近些年以來迅速發(fā)展起來的具有高集約化程度的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有超時(shí)令和反季節(jié)生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此，實(shí)施設(shè)施農(nóng)業(yè)不僅能夠有效的克服我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中資源環(huán)境瓶頸制約的問題，還能夠有效的轉(zhuǎn)變我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方式以及增強(qiáng)農(nóng)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，從而有效的提高了我國(guó)土地的產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

最初簡(jiǎn)單的塑料大棚和溫室就是設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境，目前隨著科技的發(fā)展正向著具有現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠發(fā)展。環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)解決的問題，這是因?yàn)樵谠O(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中都是通過構(gòu)建可控環(huán)境來保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的。傳統(tǒng)的控制基礎(chǔ)存在智能化程度不高的主要問題，而在提高設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為其提供了一種有效的手段[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)的介紹

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)信息系統(tǒng)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，其作為一個(gè)龐大的社會(huì)信息系統(tǒng)工程，更是一個(gè)涉及了國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)、社會(huì)和生活各個(gè)領(lǐng)域無所不包括的龐大產(chǎn)業(yè)鏈。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要包括三部分：第一，感知層，通過智能卡、識(shí)別碼、傳感器等采集信息；第二，網(wǎng)絡(luò)層，通過現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及廣電網(wǎng)絡(luò)用于傳輸信息；第三，應(yīng)用層，通過分析處理和決策信息實(shí)現(xiàn)或完成特定的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)物/物、人/物之間的識(shí)別與感知而充分發(fā)揮智能作用。

我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展急需要現(xiàn)代化的物質(zhì)條件進(jìn)行裝備，用現(xiàn)代經(jīng)營(yíng)形式去推進(jìn)，用現(xiàn)代發(fā)展理念去引領(lǐng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展將會(huì)為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展與世界同步提供一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的全新平臺(tái)，這也將極大的推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)[2-3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)

中國(guó)具有地域遼闊、自然災(zāi)害頻發(fā)以及氣候條件復(fù)雜多變的特點(diǎn)，中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)要想解決三農(nóng)問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為其提供了一個(gè)很好的發(fā)展基于。從目前中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求來看，如何對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和養(yǎng)殖業(yè)以及相應(yīng)病蟲害的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理是當(dāng)前急需解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域包括監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤氣候變更以及大面積的地表檢測(cè)、溫度、降雨量、土壤pH值、畜禽環(huán)境狀況以及大氣等。根據(jù)這些檢測(cè)信息進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)，除了能夠有效幫助農(nóng)業(yè)減災(zāi)抗災(zāi)外，還能通過幫助農(nóng)民進(jìn)行科學(xué)種植以有效提高農(nóng)業(yè)的綜合效益[4-5]?；谖锫?lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)是利用農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)控的系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。系統(tǒng)功能具體包括：農(nóng)作物以及環(huán)境信息采集、農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備遠(yuǎn)程控制、語音/視頻現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控與指導(dǎo)、專家遠(yuǎn)程診斷、一鍵預(yù)警、實(shí)時(shí)告警、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制、移動(dòng)終端監(jiān)控等。

2.1 體系架構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

感知層主要用于獲取各種傳感器數(shù)據(jù)，它是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但是其核心確實(shí)數(shù)據(jù)感知。感知層的各個(gè)節(jié)點(diǎn)作為只能傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)的接入點(diǎn)，然后通過網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)關(guān)將收集的感應(yīng)數(shù)據(jù)提交到應(yīng)用層進(jìn)行處理。感知層主要通過部署在農(nóng)場(chǎng)的各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)設(shè)施中的地表濕溫度、土壤溫度濕度、光線強(qiáng)度等，另外，通過農(nóng)業(yè)設(shè)施控制器還可以對(duì)風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)布、水簾以及灌溉設(shè)備等進(jìn)行控制。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層建立在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之上，主要傳輸設(shè)施農(nóng)業(yè)的在線管控系統(tǒng)，主要包括信息存儲(chǔ)查詢和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。通過互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層將接收到的感知層數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理中心，交到應(yīng)用層進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。應(yīng)用層作為設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)的上層系統(tǒng)，主要用于存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解傳感器數(shù)據(jù)。在應(yīng)用層中，最主要的一項(xiàng)技術(shù)就是云計(jì)算技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能 設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集 在農(nóng)場(chǎng)、大棚中布置若干傳感器，用于實(shí)時(shí)采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳、光照、土壤 PH 值、土壤 N（氮）、P（磷）、K（鉀）含量、風(fēng)力等參數(shù)。

2.2.2 農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備遠(yuǎn)程控制 通過無線控制器對(duì)設(shè)施設(shè)備遠(yuǎn)程控制，包括制風(fēng)機(jī)、天窗、遮陽(yáng)布、外遮陽(yáng)、水簾、灌溉設(shè)施等，真正實(shí)現(xiàn)無人智能化作業(yè)。

2.2.3 語音/視頻現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控與指導(dǎo) 通過農(nóng)場(chǎng)或者大棚內(nèi)的無線音視頻傳感器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)的監(jiān)控與作業(yè)指導(dǎo)。

2.2.4 專家遠(yuǎn)程診斷 對(duì)大棚或者露天農(nóng)場(chǎng)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、風(fēng)力、土壤PH值等參數(shù)進(jìn)行采集，并疊加到視頻圖像上，進(jìn)行上傳。農(nóng)業(yè)專家可通過視頻圖像判斷農(nóng)作物生長(zhǎng)情況、檢查是否有病蟲害、大棚的溫度濕度是否合適，并可以檢測(cè)土壤的PH值等信息，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

2.2.5 一鍵預(yù)警 針對(duì)極端氣候，實(shí)現(xiàn)一鍵預(yù)警，即通過控制中心的一個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、天窗、遮陽(yáng)布、外遮陽(yáng)、水簾、灌溉設(shè)施等設(shè)施的全面控制。

2.2.6 實(shí)時(shí)告警與區(qū)域定位 通過設(shè)定溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的閾值，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控到農(nóng)場(chǎng)或者大棚中的相關(guān)環(huán)境參數(shù)超過預(yù)設(shè)的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向監(jiān)控中心以及用戶手機(jī)發(fā)送告警信號(hào)，監(jiān)控人員并可以迅速定位到告警區(qū)域。

2.2.7 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制 為了保證向消費(fèi)者提供的農(nóng)產(chǎn)品安全可靠且質(zhì)量高，應(yīng)當(dāng)將企業(yè)的農(nóng)產(chǎn)品安全提升到一個(gè)新的高度，這就需要對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全進(jìn)行全程監(jiān)控管理。具體為：為了實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸?shù)陌踩芾恚刹捎米钚碌募す?、紅外以及識(shí)別、定位和傳感器等高新技術(shù)；在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全進(jìn)行管理時(shí)，將農(nóng)業(yè)企業(yè)檔案數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，圍繞“生產(chǎn)、庫(kù)存、銷售”三條主線，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng)和銷售狀況實(shí)施電子化管理；結(jié)合目前先進(jìn)的條碼技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品流通進(jìn)行編碼，從而建立農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的追溯管理，從而讓消費(fèi)者充分了解農(nóng)產(chǎn)品的種源情況、生產(chǎn)基地環(huán)境質(zhì)量、用料用藥情況以及加工銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2.8 移動(dòng)終端監(jiān)控 系統(tǒng)支持基于Web的PC或者手機(jī)管理監(jiān)控。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件平臺(tái) 基于面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)思想、多線程以及基于云計(jì)算的分布式處理技術(shù)等是“基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)”軟件架構(gòu)的基本設(shè)計(jì)理念，如圖3所示。

數(shù)據(jù)過濾模塊和數(shù)據(jù)接受模塊處于最低層。根據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)置的過了配置采集用戶關(guān)系的原始數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)過濾模塊的功能，除了緩解服務(wù)器壓力外，還便于用戶分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接受模塊的功能主要是用于接受感知各傳感器層獲得的各種傳感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算處理后，并按照一定的存儲(chǔ)格式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。最頂層是設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的管控應(yīng)用，即應(yīng)用層。通過部署在農(nóng)場(chǎng)的各種傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施中的空氣溫度濕度、光線強(qiáng)度以及土壤的有效成分等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將關(guān)系化后的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的計(jì)算服務(wù)器對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，不僅為設(shè)施農(nóng)業(yè)管控應(yīng)用服務(wù)提供依據(jù)，更是設(shè)施農(nóng)業(yè)管控應(yīng)用的基礎(chǔ)。采用C/C++編程語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)過濾以及數(shù)據(jù)處理模塊，采用Java程序語言開發(fā)Web服務(wù)器程序。

圖3 軟件平臺(tái)

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于物聯(lián)網(wǎng)建立的，其中包括四部分，即農(nóng)業(yè)設(shè)施部分、網(wǎng)絡(luò)部分、應(yīng)用中心部分和客戶終端，如圖4所示。每個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)施可以根據(jù)需要部署各種不同累的傳感器，每個(gè)傳感器都帶有Zigbee無線通訊模塊,設(shè)施內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用自組網(wǎng)方式來構(gòu)建農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部網(wǎng)。在每個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)置一個(gè)控制中心，控制中心將匯總的各種傳感器數(shù)據(jù)通過Zigbee技術(shù)上傳到應(yīng)用服務(wù)中心?；谠朴?jì)算構(gòu)建的應(yīng)用服務(wù)中心，每個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)施都可以通過GPRS、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到統(tǒng)一應(yīng)用的服務(wù)中心。此中心通過采集、存儲(chǔ)、分析以及運(yùn)算傳感器的數(shù)據(jù)，并依靠中心平臺(tái)構(gòu)建各種類型的應(yīng)用服務(wù)分析處理數(shù)據(jù)，同時(shí)給出相應(yīng)的操作建議。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過互聯(lián)網(wǎng)以及3G等網(wǎng)絡(luò)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的管理人員和操作人員通過使用計(jì)算機(jī)終端或手機(jī)遠(yuǎn)程從云計(jì)算應(yīng)用中心獲取各種數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)，同時(shí)對(duì)各種智能控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和調(diào)整設(shè)施。為了提高農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量，必須確保農(nóng)作物具有一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，因此，根據(jù)參數(shù)的變化就可以調(diào)整和控制灌溉系統(tǒng)以及保溫系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施。

4 結(jié)束語

本文在分析物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時(shí)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三方面進(jìn)行，并提出了利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)在線管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集、農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備遠(yuǎn)程控制、語音/視頻現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控與指導(dǎo)、專家遠(yuǎn)程診斷、一鍵預(yù)警、實(shí)時(shí)告警與區(qū)域定位、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制、移動(dòng)終端監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息采集自動(dòng)部署、自組織傳輸和智能控制；為了降低設(shè)備成本，提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性；傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸向信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式過渡，為我國(guó)農(nóng)業(yè)從粗放型向精細(xì)化過渡有著重要的促進(jìn)作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于農(nóng)業(yè)應(yīng)用來說任重道遠(yuǎn)，是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇，物聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展必將深刻影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來。

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