基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系建設與應用研究

鄧嘉明，羅細池，李江廣

(1.嘉應學院信息網(wǎng)絡中心，廣東梅州 514015；2.嘉應學院計算機學院，廣東梅州 514015；3.嘉應學院經(jīng)濟與管理學院，廣東梅州 514015)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是在搭建Nb-Iot、LoRa、4G、以太網(wǎng)等各種傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換傳輸，將農(nóng)業(yè)種植環(huán)境信息、作物生長信息、種植投入物信息等數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫中，并利用Web系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)前臺系統(tǒng)、移動應用綜合管理，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)相關(guān)對象感知與管理的農(nóng)業(yè)信息化管理系統(tǒng)[1]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展逐漸實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化管理，夯實了中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎，鞏固和提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，實現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)模化、專業(yè)化、區(qū)域化，推進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 當前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設現(xiàn)狀

當前，中國已經(jīng)進入運用現(xiàn)代信息技術(shù)促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、走中國特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)道路的關(guān)鍵時期。近年來，國家發(fā)布了《中共中央、國務院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》、《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018～2022年）》、和《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等相關(guān)文件，根據(jù)文件精神，立足新時代國情農(nóng)情，要將數(shù)字鄉(xiāng)村作為數(shù)字中國建設的重要方面，加快信息化發(fā)展，整體帶動和提升農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展。進一步解放和發(fā)展數(shù)字化生產(chǎn)力，注重構(gòu)建以知識更新、技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)據(jù)驅(qū)動為一體的鄉(xiāng)村經(jīng)濟發(fā)展政策體系，注重建立層級更高、結(jié)構(gòu)更優(yōu)、可持續(xù)性更好的鄉(xiāng)村現(xiàn)代化經(jīng)濟體系，注重建立靈敏高效的現(xiàn)代鄉(xiāng)村社會治理體系，開啟城鄉(xiāng)融合發(fā)展和現(xiàn)代化建設新局面。通過今年來的逐步發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中底層傳感器研發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設備研發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)研發(fā)都有了一定的進步，完成多代產(chǎn)品的迭代，開發(fā)了各類農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、配方施肥系統(tǒng)、監(jiān)測預警系統(tǒng)、質(zhì)量追溯系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)專用軟件平臺，形成較為完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系[2]。

在前期研究的基礎上，構(gòu)建了實現(xiàn)大數(shù)據(jù)和人工智能應用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要以當前的數(shù)據(jù)交換共享思想為主體架構(gòu)，架構(gòu)了以數(shù)據(jù)為核心的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)架構(gòu)包括了物理層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層。物理層包括各類物聯(lián)網(wǎng)傳感設備和服務器、存儲設備；網(wǎng)絡層的融合LoRa和以太網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)匯聚機制、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫；應用層包括管理應用和人工智能應用。

2 基于融合網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架設

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)架設中，國內(nèi)眾多高校、公司和研究機構(gòu)提出了多種基于Zigbee、NB-loT、BLE藍牙和WiFi的各類技術(shù)[3-5]，根據(jù)應用場景不同、建設成本不同，各種技術(shù)各有千秋。面向的是平地居多的農(nóng)業(yè)基地，在測試多種網(wǎng)絡后，選擇了長距離、低功耗、平面覆蓋效果較好的RoLa技術(shù)[6]。將RoLa網(wǎng)絡和以太網(wǎng)建立融合網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，充分發(fā)揮各種網(wǎng)絡的傳輸、造價優(yōu)勢[7]。

整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡架設中，骨干網(wǎng)絡利用以太網(wǎng)傳輸，傳感器連接利用LoRa網(wǎng)絡搭建，在辦公室建立物聯(lián)網(wǎng)機房機房，如圖1。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡利用防火墻、三層交換機、二層交換機搭建，防火墻對外連接運營商網(wǎng)絡至阿里云服務器，對內(nèi)連接三層服務器。三層交換機為整個網(wǎng)絡的核心交換機，發(fā)責管理不同功能區(qū)域的網(wǎng)絡，對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸劃分專門的VLAN管理。三層交換機利用光纖發(fā)射器下接二層交換機實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡延伸，并連接LoRa網(wǎng)關(guān)。根據(jù)種植區(qū)域，合理布設LoRa網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)LoRa網(wǎng)絡全覆蓋。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)園區(qū)網(wǎng)絡總體架構(gòu)示意圖

實現(xiàn)LoRa信號全覆蓋后，布設物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡。在農(nóng)田中，按照目前已分類種植的田地，按照灌溉系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等已有設備建設情況進行傳感器布置。每個LoRa傳輸終端下帶大氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤電導率、土肥率傳感器和控制電磁閥的繼電器，利用485線將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至LoRa傳輸終端，如圖2所示[8]。在水房中，還需要布置流量計，以實現(xiàn)水肥的精細化管理，如圖3所示。終端利用LoRa網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)。充分利用LoRa網(wǎng)絡覆蓋廣的特點，利用4～6個LoRa網(wǎng)關(guān)即可覆蓋近100畝的田地，每個LoRa網(wǎng)關(guān)可帶超過50個傳輸終端，大大節(jié)約了布線成本。

圖2 農(nóng)田LoRa網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

圖3 水房LoRa網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

3 基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理體系建設

3.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)標準建立

在建立了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡后，必須對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行標準化管理。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，其具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、產(chǎn)生速度快、數(shù)據(jù)價值密度低等特征，建立農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)標準適于用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等方法處理和分析的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)標準基礎數(shù)據(jù)元和基礎狀態(tài)數(shù)據(jù)元，數(shù)據(jù)基礎數(shù)據(jù)元包括區(qū)域、地塊、動植物等類別，基礎狀態(tài)數(shù)據(jù)元包括大氣狀態(tài)、土壤狀態(tài)、灌溉過程狀態(tài)、施肥過程狀態(tài)和種植過程狀態(tài)等[9]。

3.2 基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理數(shù)據(jù)匯聚機制建立

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用數(shù)據(jù)標準建立的基礎上，從數(shù)據(jù)產(chǎn)出、數(shù)據(jù)聚合角度建立數(shù)字匯聚機制。數(shù)字匯聚機制包括數(shù)據(jù)采集、設備對接、數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)爬蟲和外部數(shù)據(jù)接口等方式[10]。數(shù)據(jù)采集是指建立數(shù)據(jù)交換方式，根據(jù)農(nóng)業(yè)種植計劃利用輪詢計劃對各傳感器數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)傳感器、LoRa傳輸終端、LoRa網(wǎng)關(guān)和云服務器的數(shù)據(jù)采集與傳輸過程，數(shù)據(jù)模型如圖4所示，其中傳感器至傳輸終端利用Modbus協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸[11]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，傳輸終端、網(wǎng)關(guān)和服務器之間用mqtt協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸[12]；設備對接是指現(xiàn)有監(jiān)控設備和物聯(lián)網(wǎng)設備主控系統(tǒng)與交換節(jié)點對接；數(shù)據(jù)導入是指現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過導出功能，將數(shù)據(jù)導出到EXCEL表或其他數(shù)據(jù)文件形式，再在數(shù)據(jù)交換節(jié)點指定頁面進行導入；數(shù)據(jù)爬蟲是通過建立網(wǎng)絡爬蟲對指定數(shù)據(jù)進行自動采集；外部數(shù)據(jù)接口是指通過購買外部服務接口進行數(shù)據(jù)對接。所有數(shù)據(jù)匯聚之后存入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中。

圖4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理數(shù)據(jù)庫表模型

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理數(shù)據(jù)倉庫建立

通過數(shù)據(jù)匯聚機制實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)的匯聚，匯聚到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，建立不同數(shù)據(jù)維度的主題倉庫。對已匯總到數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)進行預處理進行元數(shù)據(jù)分類，從中提取出關(guān)系和實體，經(jīng)過關(guān)聯(lián)和聚合，采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)來存儲這些數(shù)據(jù)。通過逐漸增加數(shù)據(jù)粒度，建立實際有效的數(shù)據(jù)倉庫分類主題，并建立數(shù)據(jù)接口，為上層的應用軟件提供數(shù)據(jù)支撐。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理體系建設與人工智能應用研究

4.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理體系建立

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理體系是指運用對農(nóng)田進行實時監(jiān)測，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，調(diào)用數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接、傳感器系統(tǒng)采集和爬蟲數(shù)據(jù)填補等多種手段結(jié)合的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集方式，對光照、CO2、土壤溫濕度、土壤PH值以及大田氣候等環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，進行數(shù)據(jù)分析并進行聯(lián)動灌溉系統(tǒng)，并且完成聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)、溯源系統(tǒng)、電子商務系統(tǒng)，實現(xiàn)全流程數(shù)字化管理。

4.2 大數(shù)據(jù)與人工智能應用研究

要建立實用的人工智能應用數(shù)據(jù)光靠種植數(shù)據(jù)是不夠的，這就需要利用數(shù)據(jù)爬蟲和外部數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)補充，補充宏觀層面和微觀層面的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。宏觀層面是指氣候變化、國家/全球經(jīng)濟指標、全國供需求信息和物流交通運輸信息等宏觀數(shù)據(jù)，微觀層面是指對接生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、人居環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植的反映本地農(nóng)產(chǎn)品種植的微觀數(shù)據(jù)，兩者結(jié)合進行更加有效的農(nóng)產(chǎn)品價格監(jiān)控分析與預測推演，對已分類的數(shù)據(jù)倉庫進行深度學習，尋找數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。利用實時數(shù)據(jù)和推演結(jié)果，驅(qū)動各類物聯(lián)網(wǎng)設備進行聯(lián)動，實現(xiàn)基于人工智能的自動化種植[13-15]。例如加入天氣預報數(shù)據(jù)加入判斷是否需要澆水，利用前期種植過程數(shù)據(jù)計算種植成本，并加入未來價格預測判斷種植某種植物是否可以盈利，加入天氣預報預測種植風險等。

5 結(jié)語

為了建立確實可用的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，建立便捷實用的物聯(lián)網(wǎng)管理與人工智能應用。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用人工智能充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析決策能力，將有力地促進農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，科學的提高農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，不斷提高農(nóng)業(yè)安全質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益，促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收。