基于物聯網的設施農業在線管控系統設計

楊洋 YANG Yang

（招商局重慶交通科研設計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

設施農業作為現代農業的重要組成部分，設施農業作為現代農業的重要組成部分，是近些年以來迅速發展起來的具有高集約化程度的新型農業生產技術。由于設施農業生產具有超時令和反季節生產的特點，因此，實施設施農業不僅能夠有效的克服我國農業發展過程中資源環境瓶頸制約的問題，還能夠有效的轉變我國農業發展的方式以及增強農業的競爭力，從而有效的提高了我國土地的產出率、資源利用率和勞動生產率。

最初簡單的塑料大棚和溫室就是設施農業的環境，目前隨著科技的發展正向著具有現代化大型溫室和植物工廠發展。環境監測和控制是設施農業生產中應當重點解決的問題，這是因為在設施農業的生產過程中都是通過構建可控環境來保護農業生產的。傳統的控制基礎存在智能化程度不高的主要問題，而在提高設施農業自動化程度上，物聯網技術為其提供了一種有效的手段[1]。

1 物聯網的介紹

物聯網作為一個信息系統，主要由感知層、網絡層和應用層構成，其作為一個龐大的社會信息系統工程，更是一個涉及了國民經濟各行各業、社會和生活各個領域無所不包括的龐大產業鏈。物聯網的結構主要包括三部分：第一，感知層，通過智能卡、識別碼、傳感器等采集信息；第二，網絡層，通過現有的通信網絡、互聯網以及廣電網絡用于傳輸信息；第三，應用層，通過分析處理和決策信息實現或完成特定的智能化應用和服務任務，從而實現物/物、人/物之間的識別與感知而充分發揮智能作用。

我國農業的發展急需要現代化的物質條件進行裝備，用現代經營形式去推進，用現代發展理念去引領。因此，物聯網的快速發展將會為我國農業發展與世界同步提供一個國際領先的全新平臺，這也將極大的推動傳統產業的改造升級[2-3]。

2 物聯網設施農業在線管控系統

中國具有地域遼闊、自然災害頻發以及氣候條件復雜多變的特點，中國作為一個農業大國要想解決三農問題，物聯網技術為其提供了一個很好的發展基于。從目前中國現代農業發展的實際需求來看，如何對農業現場和養殖業以及相應病蟲害的各種信息進行實時采集和處理是當前急需解決的問題。物聯網在現代農業領域包括監視農作物灌溉情況、土壤氣候變更以及大面積的地表檢測、溫度、降雨量、土壤pH值、畜禽環境狀況以及大氣等。根據這些檢測信息進行科學的預測，除了能夠有效幫助農業減災抗災外，還能通過幫助農民進行科學種植以有效提高農業的綜合效益[4-5]。基于物聯網的設施農業在線管控系統是利用農業設施設備結合物聯網先進技術實現農業生產管理、農產品質量安全監控的系統，通過此系統實現農業現代化。系統功能具體包括：農作物以及環境信息采集、農業設施設備遠程控制、語音/視頻現場作業監控與指導、專家遠程診斷、一鍵預警、實時告警、農產品質量安全控制、移動終端監控等。

2.1 體系架構 物聯網設施農業在線管控系統體系結構，如圖1所示。

感知層主要用于獲取各種傳感器數據，它是物聯網設施農業在線管控系統的基礎，但是其核心確實數據感知。感知層的各個節點作為只能傳感器節點，能夠自行組網傳遞到上層網關的接入點，然后通過網絡層，網關將收集的感應數據提交到應用層進行處理。感知層主要通過部署在農場的各種傳感器實時監測農業設施中的地表濕溫度、土壤溫度濕度、光線強度等，另外，通過農業設施控制器還可以對風機、遮陽布、水簾以及灌溉設備等進行控制。

圖1 物聯網設施農業管控系統體系結構

網絡層建立在移動網絡和互聯網之上，主要傳輸設施農業的在線管控系統，主要包括信息存儲查詢和網絡管理等功能。通過互聯網和無線網絡，網絡層將接收到的感知層數據傳輸到對應的數據處理中心，交到應用層進行對應的處理。應用層作為設施農業在線管控系統的上層系統，主要用于存儲、查詢、分析、挖掘、理解傳感器數據。在應用層中，最主要的一項技術就是云計算技術。

2.2 系統功能 設施農業在線管控系統主要功能模塊如圖2所示。

圖2 系統功能模塊

2.2.1 農業生產信息采集 在農場、大棚中布置若干傳感器，用于實時采集空氣溫度、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、風力等參數。

2.2.2 農業設施設備遠程控制 通過無線控制器對設施設備遠程控制，包括制風機、天窗、遮陽布、外遮陽、水簾、灌溉設施等，真正實現無人智能化作業。

2.2.3 語音/視頻現場作業監控與指導 通過農場或者大棚內的無線音視頻傳感器，對現場信息實時的監控與作業指導。

2.2.4 專家遠程診斷 對大棚或者露天農場的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、風力、土壤PH值等參數進行采集，并疊加到視頻圖像上，進行上傳。農業專家可通過視頻圖像判斷農作物生長情況、檢查是否有病蟲害、大棚的溫度濕度是否合適，并可以檢測土壤的PH值等信息，為現場工作人員提供相應的指導。

2.2.5 一鍵預警 針對極端氣候，實現一鍵預警，即通過控制中心的一個按鍵，實現對風機、天窗、遮陽布、外遮陽、水簾、灌溉設施等設施的全面控制。

2.2.6 實時告警與區域定位 通過設定溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環境參數的閾值，當系統監控到農場或者大棚中的相關環境參數超過預設的數值時，系統自動向監控中心以及用戶手機發送告警信號，監控人員并可以迅速定位到告警區域。

2.2.7 農產品質量安全控制 為了保證向消費者提供的農產品安全可靠且質量高，應當將企業的農產品安全提升到一個新的高度，這就需要對農產品安全進行全程監控管理。具體為：為了實現物流運輸的安全管理，可采用最新的激光、紅外以及識別、定位和傳感器等高新技術；在對農產品的質量和安全進行管理時，將農業企業檔案數據作為基礎，圍繞“生產、庫存、銷售”三條主線，對農產品的生產環境、生產活動和銷售狀況實施電子化管理；結合目前先進的條碼技術對農產品流通進行編碼，從而建立農產品生產全過程的追溯管理，從而讓消費者充分了解農產品的種源情況、生產基地環境質量、用料用藥情況以及加工銷售等各個環節。

2.2.8 移動終端監控 系統支持基于Web的PC或者手機管理監控。

3 系統實現

3.1 軟件平臺 基于面向對象的模塊化設計思想、多線程以及基于云計算的分布式處理技術等是“基于物聯網的設施農業在線管控系統”軟件架構的基本設計理念，如圖3所示。

數據過濾模塊和數據接受模塊處于最低層。根據實現設置的過了配置采集用戶關系的原始數據是數據過濾模塊的功能，除了緩解服務器壓力外，還便于用戶分析數據。數據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據。數據處理模塊將系統采集到的數據計算處理后，并按照一定的存儲格式將數據存儲到關系數據庫。最頂層是設施農業系統的管控應用，即應用層。通過部署在農場的各種傳感器對農業設施中的空氣溫度濕度、光線強度以及土壤的有效成分等進行實時監測，同時將關系化后的檢測數據通過網絡上傳到應用服務平臺，應用服務平臺的計算服務器對監控數據進行實時分析，不僅為設施農業管控應用服務提供依據，更是設施農業管控應用的基礎。采用C/C++編程語言開發數據采集、數據過濾以及數據處理模塊，采用Java程序語言開發Web服務器程序。

圖3 軟件平臺

3.2 網絡架構 設施農業在線管控系統網絡架構是基于物聯網建立的，其中包括四部分，即農業設施部分、網絡部分、應用中心部分和客戶終端，如圖4所示。每個農業設施可以根據需要部署各種不同累的傳感器，每個傳感器都帶有Zigbee無線通訊模塊,設施內的傳感器節點采用自組網方式來構建農業設施內部網。在每個農業設施設置一個控制中心，控制中心將匯總的各種傳感器數據通過Zigbee技術上傳到應用服務中心。基于云計算構建的應用服務中心，每個農業設施都可以通過GPRS、互聯網技術連接到統一應用的服務中心。此中心通過采集、存儲、分析以及運算傳感器的數據，并依靠中心平臺構建各種類型的應用服務分析處理數據，同時給出相應的操作建議。

圖4 物聯網設施農業在線管控系統網絡架構

通過互聯網以及3G等網絡，設施農業的管理人員和操作人員通過使用計算機終端或手機遠程從云計算應用中心獲取各種數據和應用服務，同時對各種智能控制系統遠程控制和調整設施。為了提高農業的產量和質量，必須確保農作物具有一個良好的生長環境，因此，根據參數的變化就可以調整和控制灌溉系統以及保溫系統等基礎設施。

4 結束語

本文在分析物聯網在設施農業中的應用時，從感知層、網絡層和應用層三方面進行，并提出了利用物聯網設施農業在線管控系統，實現農業生產信息采集、農業設施設備遠程控制、語音/視頻現場作業監控與指導、專家遠程診斷、一鍵預警、實時告警與區域定位、農產品質量安全控制、移動終端監控，實現農業信息采集自動部署、自組織傳輸和智能控制；為了降低設備成本，提高農業集約化生產程度的同時還應當簡化系統的復雜性；傳統農業逐漸向信息和軟件為中心的生產模式過渡，為我國農業從粗放型向精細化過渡有著重要的促進作用。物聯網技術對于農業應用來說任重道遠，是挑戰，更是機遇，物聯網科技的發展必將深刻影響現代農業的未來。

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