農情綜合信息智能監控體系的開發及應用*

孟祥寶，謝秋波，彭 賓，黃家懌，郭佩佩

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東廣州 510630；2.廣州市健坤網絡科技發展有限公司，廣東廣州 510630）

0 引言

農業具有地域分散、對象復雜多樣、環境因子不確定等特點，也是受環境影響最明顯的領域[1]。農情信息可分為地理環境、土壤環境、小氣候、水環境、作物生長狀況信息以及管理信息六大要素，具有信息量大、形式多樣、動態變化快、不確定性、不完整性、稀疏性、時空變異性強等特點[2-4]。如何實時獲取農業生產環境信息并對其進行精確控制顯得十分重要。農業環境相對惡劣，干擾源多，傳統單功能傳感器不能獲得全面、豐富的現場信息，也不具備對現場環境調控設備進行精準控制的功能[5]。隨著信息技術在農業的廣泛應用，各種面向復雜應用背景的農業信息管理系統大量涌現，信息資源豐富，表現形式多樣，信息容量和處理要求已大大超出傳統處理方法的能力。此外，如何有效采集、篩選和利用這些信息資源，充分體現農業信息的時效性和綜合性，也是農業信息化亟待解決的問題之一[6-8]。

針對上述問題，本文擬研制一套成本低、運行穩定、支持多通道數據采集的農情信息監控終端，在快速獲取農作物種植現場溫度、濕度、酸堿度（pH值）、二氧化碳（CO2）濃度、光照度、圖像等信息的同時，提供直觀的圖表和智能分析功能，并根據環境檢測結果和作物生長需要，自動控制和調節溫控系統、調濕系統、噴淋系統、澆灌系統、遮陽及補光系統等設備。同時開發配套的后臺通信、信息管理、發布和查詢服務平臺，實現農業生產過程的遠程在線監控，并通過建設數據溝通通道，實現不同平臺間功能和信息的互建互通。

1 農情信息監控終端

自制多種環境檢測傳感器，組成傳感器組，并綜合應用嵌入式技術、GPS定位技術、3G通信技術、多傳感器多通道數據融合技術以及工控組態技術，開發集在線檢測和實時調控功能于一體的多功能農情信息監控終端。終端主要包括兩部分，一是負責多種農情信息采集的一體化硬件設備，二是負責控制檢測傳感器、環境調控設備、數據管理、通信服務等應用的軟件系統。所建的智能化作物培育系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 智能化作物培育系統拓撲圖

1.1 終端硬件功能與結構

終端的硬件核心部分包括數據采集和遠程視頻監控兩部分。數據采集部分利用傳感器組獲取多種環境指標，并以直觀的圖表或曲線方式呈現給用戶，主要實現以下六類環境數據的綜合采集：①土壤成分/養分信息；②土壤特征信息；③作物生長小氣候信息；④人工采集的作物信息（作物種類、生長狀態等）和病蟲害信息；⑤地理空間定位信息；⑥圖像信息。同時，終端設備提供一定的設備開關控制輸出功能。遠程視頻監控部分針對農業生產場地偏遠、地域分散等特點，在生產現場的關鍵位置安裝攝像槍，通過無線遠程技術對農田、溫室等各類農業現場情況和作物生長發育狀況進行圖像采集，并通過網絡實現前端生產情況的遠程、實時監控。

根據儀器儀表顯示的檢測結果，結合作物生長狀態和實際需求進行智能分析，與系統預設值進行比較，進而向控制柜發出適配指令，對排風扇、噴淋、遮光簾等生產環境調控設備進行精準控制，保證農作物有良好、適宜的生長環境。

監控終端內部主板卡的設計采用性能優越的基于ARM9低功耗CPU、具有MinilSA總線擴展功能的工控核心板，集成一系列硬件擴展模塊（主要包括：數據采集模塊、3G通信模塊，GPS定位模塊、Zigbee通信模塊、工控組態模塊等）。外殼采用高密封防水材料制作，所有對外接口線路采用防水套件加固，保證系統防水性能、同時提高設備野外的抗干擾能力。人機交互界面選取較大尺寸（10＂）的VGA觸摸屏，保證產品的操作性能。選擇大容量可充電蓄電池為內部設備和外圍設備供電，并采用太陽能供電設備提供電源補充。

1.2 終端軟件設計

監控終端軟件組成與功能模塊設計如圖2所示。在Linux操作系統的基礎上，采用C++編程語言及EMACS編輯器、GDB調試器和GCC編譯器等編程工具開發軟件。考慮到設備的野外強光操作環境，界面采用高對比背景與高亮度前景顯示設計。監控終端軟件主界面如圖3所示。

2 信息管理服務平臺

2.1 平臺功能設計

圖2 農情信息監控終端的軟件功能模塊結構示意圖

圖3 農情信息監控終端顯示界面原型圖

信息管理服務平臺具有與終端設備保持實時通信、信息入庫、信息統計分析與空間分布展示、發布和備份等功能，其軟件組成和主要功能模塊如圖4所示。平臺在設計上采用面向對象分析和組件式開發方法，平臺架構由基礎設施層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層和表現層五個結構層面組成，各層面功能詳見圖5。通信服務程序開發采用Window系統Service程序開發技術，選擇C++語言開發，開發工具為VC++.net。Web服務程序采用B/S(Brower/Server）結構，Java語言開發；系統的技術架構采用基于J2EE組件技術的多層應用體系結構，支持Internet，通過XML技術提供可跨平臺交換和移植的業務數據；數據按照需求采取遠程單位分散、逐級集中的管理模式。

圖4 信息管理服務平臺軟件功能模塊結構示意圖

圖5 信息管理服務平臺架構示意圖

2.2 平臺界面設計

為了使平臺更符合農業生產實際的需要，將二維GIS空間插值分析和展現技術應用到農情數據分析中，使得監控數據的分析結果能得到更為直觀的展示。以土壤濕度分析為例，圖6給出了廣東省不同城市土壤濕度的二維空間插值模擬分析結果。此外，平臺還提供了多種數據顯示和查詢方式，用戶可隨時隨地了解當前和歷史農情綜合信息（見圖7），操作簡單，結果直觀，適于不同用戶群使用。

圖6 廣東省不同區域土壤濕度插值分析模擬界面

圖7 歷史檢測數據查詢與多元素分析圖

3 示范及推廣應用

為了驗證研制的硬件設備及開發的軟件平臺的實際應用效果，研究組在廣州市農業機械總公司的現代農業裝備示范基地進行了安裝和使用，現場監控情況如圖8所示。此外，研究組還在該示范基地成功建立了智能化監控系統、智能化培育系統、漁塘水質環境監測系統和農產品質量溯源系統。

圖8 現代農業裝備示范基地智能培育及監控系統

采用了J2EE架構的農情信息管理服務平臺，是一種能提供可創建廣泛兼容的企業解決方案而無需進行復雜編程的平臺。因此，通過建立與其他應用系統的數據溝通通道，并結合自動分類、智能化文本挖掘和中文信息處理等技術，便可簡單、方便擴充平臺功能和容量，將不同功能的應用系統進行整合和統一，還可集成企業OA系統、郵件系統、視頻會商系統等第三方應用軟件，建成“一站式”綜合農業信息管理平臺。該平臺可提供用戶管理、日志審計、搜索引擎、報警機制、報表引擎等功能，方便用戶對整個平臺進行系統、全面的管理，達到為不同目標用戶提供統一、個性化界面和應用的目的。

目前，研究組已在本農情信息監控系統的基礎上，集成了“農產品質量安全檢測系統”、“農業信息采集與處理發布系統”、“農業技術推廣獎一站式審批管理信息平臺”、“農機安全監理信息管理系統”、“農業機械購置補貼一站式審批管理系統”、“農機數據統計信息管理系統”、“農機培訓機構管理信息系統”、“農村能源建設管理信息系統”、“畜牧飼料行政管理信息系統”、“農村遠程教育與培訓系統”、“農村沼氣建設管理信息系統”等10多個農業應用系統，成功為全國不同領域的農業工作者提供專業化的農業信息管理服務。例如，為廣東省農業廳農業機械化管理辦公室建設了農機信息管理平臺，以廣東省農機購置補貼完成情況分析為例，平臺根據農業機械購置補貼工作流程管理規范的要求，對采集到并經過加工處理后的數據進行統計分析，再以直方圖及餅圖的形式直觀地呈現給用戶。又如以面向種子檢測的全國種子檢測實驗室管理信息系統為例，平臺可根據檢測項目需要和使用人員習慣，生成相應的種子檢測記錄表，支持PDF格式導出，并能實現打印、查詢等功能。此外，研究組還在廣東省動物防疫監督總所、廣東省獸藥與飼料監察總所、山東省飼料監察所、河南省種子管理站等單位進行了推廣應用，不僅產生了較好的經濟收入，同時也為各農業管理部門和廣大農民提供了及時信息服務，進一步推動了我國農業信息化進程。

4 結語

針對我國發展現代精準農業的客觀要求，構建了集信息采集與信息管理服務于一體的農情綜合信息智能監控體系。研制的農情信息監控設備具有成本低、性能好、運行可靠、支持多元素信息采集和環境控制等優點，能滿足精細農業定位、快速、精確、連續測量和實時調控的需要。配套開發的后臺通信服務、信息管理和信息發布平臺，能有效提高農情信息監控效率，降低成本，對促進我國農業的持續健康發展有重要意義。

［1］王麗芬，馬明濤.基于ARM的農業環境因子監測系統的設計的探析［J］.中國農機化學報，2013，34（4）： 231-233，256.

［2］ 于涌鯤，繆小燕，高飛.中外農業信息管理現狀研究［J］.情報科學，2004，22（9）： 1149-1151.

［3］李其才，馬興倫，張曉輝，等.農業信息管理研究［J］.科學管理研究，1998，16（2）：49-53.

［4］張芳，王玨.基于Web的農業信息管理系統建設研究［J］.農業網絡信息，2013（7）：20-21，37.

［5］劉紅剛.現代農業生產環境監測組態與融合技術的研究與示范應用［D］.廣州：華南理工大學，2011.

［6］張玉香.關于加強我國農業信息體系建設的對策研究［EB/OL］. （2002-10-25）［2013-11-06］.http：//www.ycqny.net/html/main/nyplView/2006031329942.html.

［7］徐東升，袁飛云，陳軍.基于P2P網絡的農業信息管理系統［J］.農機化研究，2006，（10）：89-91.

［8］石元春.我國農業信息化發展戰略［J］.科技導報，2003，（8）： 3-6.