江西省農業物聯網綜合服務平臺的設計與實現

鐘志宏，管幫富，姜振國，楊 眉，黃友土，熊倩華，蘭 峰，趙 華，時 黛，高 蕊

(1.江西省農業信息中心，江西 南昌 330046;2.江西省畜牧技術推廣站,江西 南昌 330046)

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江西省農業物聯網綜合服務平臺的設計與實現

鐘志宏1，管幫富1，姜振國1，楊 眉2*，黃友土1，熊倩華1，蘭 峰1，趙 華1，時 黛1，高 蕊1

(1.江西省農業信息中心，江西 南昌 330046;2.江西省畜牧技術推廣站,江西 南昌 330046)

以設施溫室環境為研究對象，基于設施溫室蔬菜對環境條件的不同需求，設計搭建物聯網農業綜合服務平臺。通過傳感器、攝像頭感知設施溫室內空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強度等環境因素以及生產實時畫面，實現對設施溫室環境的有效監測、監控。研究設施溫室的病蟲害測報防控系統能夠和溫室設備遠程自動化控制，實現對設施溫室環境的自動調節，有效減少病蟲害對生產作業的有害影響，搭建農業綜合服務平臺，提高對設施溫室環境的感知與病蟲害的預警和綜合診斷能力，為農業生產管理提供更為便捷的應用服務。農業綜合服務平臺可實現電腦PC端、手機客戶端2種方式登錄，使平臺的應用更加廣泛與便捷。

設施溫室;物聯網技術;環境監測;病蟲害預警

為加快現代農業強省建設，按照“互聯網+”思維，江西省農業廳率先運用PPP模式推進全省智慧農業建設。發展農業物聯網技術已成為江西由傳統農業大省向現代農業強省轉型升級的關鍵點。開發建設一套全省標準統一、互聯互通、數據共享的江西農業物聯網綜合服務平臺，并在全省“百縣百園”現代農業示范園區推廣應用，可以避免各地自建體系、自成標準，有助于形成全省農業大數據，為我省農業生產提供精準化種植、可視化遠程管理、智能化決策。

本文以設施溫室環境為研究對象，基于設施溫室蔬菜對環境條件的不同需求，研發多功能融合的新型集成化感知層產品、智能數據采集裝置和控制裝置，通過智能化操作終端可實現農作物種植產前、產中、產后的全過程監控、科學管理和即時服務，實現種植集約、高產、高效、優質、生態、安全和可追溯的目標，促進現代農業發展，形成基于物聯網的農業綜合服務平臺，提供各自所需的信息服務以實現信息共享和交換。

1 系統組織結構

1.1 基于物聯網的農業環境數據自動采集

針對目前種植環境指標監測困難、監測手段落后等缺點，將物聯網技術應用到農業領域，采用物聯網的三層體系結構進行設計，3個層次分別為感知層、網絡層、應用層。以終端模塊作為物聯網的感知層，采集設施溫室內空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強度，利用以太網、GPRS、4G等網絡技術作為物聯網的網絡層，實時將種植環境參數傳輸到以管理軟件平臺為核心的物聯網應用層，實現環境信息的實時監測，當監測到環境參數超標時，監測平臺提示警報或通過短信方式向種植戶報警，即使用戶身在外地也可以通過互聯網、手機實時查看溫室內農作物種植環境的狀態[1-3](圖1)。

圖1 基于物聯網的農業環境數據

在物聯網的感知層除了依賴各類環境數據傳感器，平臺利用安裝具有360°調節視角高清網絡球機，通過有線、無線局域網組建視頻監控網絡，對溫室內的農作物生長狀況進行全天候視頻監控，完善所需的農業環境數據的采集，便于監測與觀察。管理人員可以隨時隨地通過計算機或手機查看作物的生長情況及周邊環境情況，對作業人員進行農事指導，減少人工現場巡查次數，提高生產效率。

1.2 病蟲害測報與防控系統

病蟲害測報與防控系統將設施溫室監測影響農作物病蟲害發生的關鍵因子，平臺建立農業病蟲害發生模型，利用智能算法，實現對病蟲害發生的預測預報，并有針對性地進行防控指導。

通過在農作物種植園區設置多個重要節點，在每個節點布置若干個物聯網自動監測設備，通過設備自動采集園區有害生物信息，利用無線網絡，傳輸到數據中心，獲取園區某塊區域的有害生物種類、數量，通過與氣象數據的耦合，分析園區有害生物種類數量與環境條件變化的相關性，有害生物自動監測使農作物種植園區有害生物監測預警變得更加完善。

1.3 溫室設備遠程控制系統

在通過物聯網所建立農業環境數據自動采集系統的基礎上，結合所建立的病蟲害預警系統，建立農業生產設備的遠程控制系統，主要由測控模塊、配電控制柜及安裝附件組成，利用GPRS等無線通訊技術與管理監控中心連接，當環境采集系統監測到設施溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照等參數超標，以及通過監測實時視頻發現農作物生長狀況異常或發生病蟲害，農戶可及時通過計算機或手機遠程控制相應設備，包括控制溫室的卷簾機、風機和灌溉設備，改善作物的生長環境。通過設定環境因素閾值及系統邏輯運算和判斷控制相應溫室設備運作以調節溫室環境，促進蔬菜生長、保障農產品質量。通過溫室設備遠程控制系統所形成的設施溫室的環境自動控制系統如圖2所示。

圖2 環境自動控制系統

2 系統功能設計

基于物聯網所形成的農業綜合服務平臺是農業生產的高級階段，是集新興的互聯網、移動互聯網、云計算和物聯網技術為一體，依托部署在農業生產現場的各種傳感節點(環境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等)和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策，使用物聯網實現農業應用、網絡、感知的全面信息化[4-5]。基于物聯網的農業綜合服務平臺主要包括農業環境數據自動采集、生產視頻監控、農業病蟲害預警及溫室設備遠程控制4個功能設計模塊，其總體功能模塊設計見圖3。

圖3 系統總體功能模塊設計

3 系統實現與結果分析

3.1 環境指標自動采集系統

針對目前設施溫室種植環境指標監測困難、手段落后等缺點,將物聯網技術應用到農業領域，以終端模塊作為物聯網的感知層。采集室內空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照度，利用以太網、GPRS、4G等網絡技術作為物聯網的網絡層，實時將種植環境參數傳輸到以管理軟件平臺為核心的物聯網應用層，實現設施溫室內環境信息的實時監測，當監測到環境參數超標時，監測平臺提示警報或通過短信方式向種植戶報警，即使戶主身在外地也可以通過互聯網、手機實時查看設施溫室的狀態[6-8](圖4)。

圖4 通過電腦PC端實時查看設施溫室狀態系統

3.2 生產視頻監控系統

通過安裝在設施溫室內的高清網絡球機，360°調節視角，對設施溫室內蔬菜生長狀況進行全天候視頻監控，管理人員隨時隨地通過計算機或手機監控設施溫室的情況，對管理人員進行農事指導，減少人工現場巡查次數，提高生產效率。從科學種植、提高管理水平和實現現代化種植的角度來看，視頻監控是現代化農業發展的必然趨勢。

圖5 實時視頻監控

3.3 農業病蟲害自動預警

平臺根據作物特點、生長環境、氣象特征、病蟲害種類和爆發征兆等信息，為各類數據制定相應指標，并實現對各類指標體系的編輯、維護等操作。根據指標體系設立相應閾值(閾值可動態變化、可根據專家建議自行設定)，并劃分預警災害等級，當前端數據達到預設閾值時，系統可自動判斷災情等級及影響范圍。病蟲害測報預警模型：每類病蟲害爆發都有預兆或者引發條件,根據豐富的病害特征庫，結合現場采集數據匹配病蟲害指標體系，運用病蟲害測報預警模型對農作物的病蟲情信息進行識別與分析，并實時計量處理，當計算結果達到預警條件時，以圖表等方式進行動態展示，包括病蟲種類、發生密度、發生程度和預警等級[9-10]。如小麥銹病預警方式：在適合的溫度(條銹病1.4～15 ℃、葉銹病15～20 ℃、稈銹病3～18 ℃)、濕度>80%、積溫>150～160 ℃·d時，結合大田的風速風向，一旦爆發小麥銹病，可及時預測出傳播覆蓋范圍。

平臺采用計算機實測環境參數、狀態極限值反饋報警保護。根據作物的各項參數設定溫室環境的極限值和作物生長環境參數極限值報警保護系統，提高整個系統的安全性。具備短信報警、基地監控中心屏幕閃爍提示、遠程WEB頁面閃爍標注提醒等。

當病蟲害發生后，采用專家咨詢診斷的方式，本文系統專家咨詢診斷整體架構如圖6所示。

圖6 系統專家咨詢診斷整體架構圖

通過平臺客戶端能夠方便實現與遠程前端的對講，但前端不能輕易實現和監控中心的對講。針對本項目要求“系統實現雙向語音對講”的需求，本方案在前端采用告警開關量的輸入，使用報警聯動的方式來觸發。具體實現的方法就是通過網絡攝像機的報警接口接入一個緊急呼叫按鈕開關來觸發報警，報警信息會傳送至監控中心，監控中心通過告警信號建立一個通道與前端進行語音對講。向農戶提供在線指導和病蟲害遠程診斷服務，農戶也可以通過平臺進行在線咨詢[11]。其示意圖如圖7所示。

圖7 系統專家咨詢通信示意圖

3.4 溫室設備遠程控制

遠程控制系統由測控模塊、配電控制柜及安裝附件組成，利用GPRS等無線通訊技術與管理監控中心連接，當環境采集系統監測到設施溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照等參數超標時，戶主可通過計算機或手機遠程控制相應設備，例如控制溫室的卷簾機、風機和灌溉設備，使設施溫室內部達到適宜作物生長的環境，從而促進蔬菜生長、保障農產品質量(圖8)。

圖8 溫室設備遠程控制終端

依據預先設置的控制閾值，自動控制或按照短信提醒手動控制設施內的卷簾、風機、水簾、灌溉等執行設備，以調節設施內部小氣候。用戶可根據專家建議自行設置控制閾值。

系統實現自動控制，通過各種傳感器接收各類環境因素信息，通過邏輯運算和判斷控制相應溫室設備運作以調節溫室環境。調節環境溫度、濕度。CO2發生裝置按需比例調節環境CO2濃度，夏季室外屋頂噴淋，在保證室內光照強度的前提下，組合調節環境溫度與通風，達到強制降低環境溫度的效果。通過計算機對溫室各電動執行器進行整體調節，自動調控到作物生長所需求的溫、濕、光、水、氣等條件[12-13]。舉例如：設施溫室黃瓜對溫度、濕度要求較嚴，一般黃瓜葉面不能結露(如結露時間不能超過2 h)，因此要及時放風排出濕氣。生長前期早上放風1 h，上午閉棚，溫度升至28～32 ℃且不超過35 ℃，空氣相對濕度保持在80%～90%。中午放風3 h，溫度降至20～25 ℃，空氣濕度保持在70%～85%為宜；傍晚閉棚，如夜間室外溫度達到13 ℃，可整夜放風。

設施溫室環境智能控制單元由測控模塊、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過無

線網絡與管理監控中心連接。根據溫室設施溫室內空氣溫濕度、土壤溫度水分、光照強度及CO2濃度等參數，對環境調節設備進行控制，包括內遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、灌溉電磁閥、CO2氣肥機等設備。

3.5 手機客戶端

本文系統不僅適用于電腦PC端，而且開發了手機客戶端，支持Android 2.0、IOS 4.0及其以上版本的操作系統。戶主可以通過手機終端實時監測數據，為及時做出相關種農技調整和制定新的規劃方案提供數據支持，主要有以下功能：(1)提供每個監測點的實時環境參數，包括：空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳和光照強度；(2)提供數據查詢，支持過去某一時段的數據查詢，對一些突發事件提供數據依據；(3)提供歷史曲線查看，通過對過去某一時段變化趨勢的觀察，可以總結出相應的變化規律，從中可以總結出一些寶貴經驗；(4)提供實時報警功能，當監測到的任一個參數達到報警條件時，監測平臺會提示數值閃爍報警和短信提醒，為相關管理人員提供報警提示；(5)根據監測結果，可遠程控制相應設備，實現健康種植、節能降耗的目的；(6)監測應用平臺使用簡單，參數設置人性化，不需要復雜設置，不要需要專業知識，易于推廣與普及。

系統開發了方便用戶隨時查看、管理、控制農業生產的手機軟件。用戶通過安裝在手機上的客戶端軟件實時掌握農業生產信息。主要包括以下模塊：(1)綜合應用模塊：實現手機客戶端登陸用戶密碼管理、報警信息設置、基地基本信息管理等；(2)手機客戶端遠程采集模塊：通過該模塊可以實現實時采集顯示農業生產的各項環境參數及其他信息，使用戶實時了解農作物生長環境；(3)手機客戶端遠程控制模塊：通過該模塊，用戶可以隨時使用手機遠程控制相應的農業生產執行設備的開啟和關閉，通過手機掌控農業生產；(4)手機客戶端視頻接入模塊：實現視頻圖像接入手機客戶端，用戶可以通過客戶端軟件實時查看生產基地的視頻圖像信息，了解農作物生長狀態及基地狀態，查看各種執行設備執行狀態；(5)與平臺接口模塊：實現與平臺及數據交換的接口，通過該接口模塊，向平臺及數據庫發送請求，并反饋平臺及數據庫返回的信息，達到手機客戶端與平臺及數據庫數據同步的目的；(6)手機客戶端自動更新服務模塊：實現手機客戶端軟件版本的遠程自動更新，保障用數據傳輸規范及要求。

用戶通過瀏覽器，下載安裝手機客戶端，注冊登錄系統，即可使用短信對溫室設施溫室各項采集數據的查詢及各類系統設置，并可以通過手機客戶端隨時隨地監測基地的情況，還能控制球機的轉動，全面監控基地。該客戶端操作方便、實用，并提供客戶端自動升級服務，為用戶提供更優質的產品[14-15]。

在手機客戶端上可以添加任何想要查看的監控點信息。添加完成后即可在設備列表里查看到。通過設備列表可以打開該監控點的實時圖像監控。查看實時監控圖像。打開客戶端，進入手機客戶端主界面(圖9)。

圖9 手機客戶端主界面

4 結論與討論

本文以設施溫室環境為研究對象，基于設施溫室蔬菜種植對環境條件的不同需求，進行了基于物聯網的農業綜合服務平臺設計與實現研究。通過“統一設計架構、統一開發標準、統一數據格式”軟件工程設計思路，打造一個開放互聯、匯聚全省現代農業數據的省級物聯網綜合服務平臺，突出平臺的開放性和可定制性，著力打造為廣大農民朋友提供公共服務的新型物聯網平臺，推廣覆蓋到更多農業生產一線和實體。

2015年該物聯網平臺已部署在江西省鳳凰溝、青原區、贛縣、豐城市、永修縣等5個現代農業示范園內，為推廣農業物聯網技術提供范本承擔應用與推廣功能。2016年在另外5個現代農業示范園開始建設，未來實現物聯網平臺全省農業生產的覆蓋。

物聯網平臺通過傳感器、攝像頭感知設施溫室內空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強度等環境因素以及生產實時畫面，實現對設施溫室環境的有效監測、監控。利用以太網、GPRS、4G等網絡技術，實現信息傳輸，與設施溫室內布設的生產實時視頻監控網絡，實現對設施溫室環境的有效感知監控，在此基礎上，研究設施溫室的病蟲害預警與防控方法、溫室設備的遠程及自動化控制，實現對設施溫室環境的自動調節，有效減少病蟲害對作物的影響，集合形成農業綜合服務平臺，提高對設施溫室環境的感知、病蟲災害的預警和綜合診斷能力，為農業生產管理提供更為便捷的應用服務，并依此開發出農業綜合服務平臺系統的電腦PC端和手機客戶端2種系統實現平臺，使系統的應用更廣泛與便捷，并對系統的各項功能模塊進行驗證檢測，增加了系統實施可靠性。

下一階段工作將重點深入以下方面的研究：(1)對平臺中的設施溫室環境監測體系進行計算模擬與評估中，對系統進一步優化研究，以提高環境因素監測的準確度。(2)提高平臺的適用性，完善系統數據庫中種植各類作物環境因素指數與閥值，并以此提高對卷簾機、通風機等設施溫室設備的有效精確控制，加強設施溫室的環境調節能力。(3)進一步研究設施溫室農業病蟲害預警與防治方法，加強設施溫室對于病蟲害的抵御能力，并提供更多的應用來完善系統的各模塊功能，提高系統實用性。

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(責任編輯：曾小軍)

Design and Implementation of Jiangxi Agricultural IOT Integrated Service System

ZHONG Zhi-hong1, GUAN Bang-fu1, JIANG Zhen-guo1, YANG Mei2*, HUANG You-tu1,XIONG Qian-hua1, LAN Feng1, ZHAO Hua1, SHI Dai1, GAO Rui1

(1. Agricultural Information Center of Jiangxi Province, Nanchang 330046, China;2. Animal Husbandry Technology Popularization Station of Jiangxi Province, Nanchang 330046, China)

In this paper, the greenhouse environment is taken as the research object, and an agricultural IOT (Internet of Things) integrated service system is designed and constructed based on the various environmental condition demands of vegetable crops in the greenhouse. Through sensor and camera, this system can automatically collect the real-time images of vegetable production, and can effectively monitor the air temperature, air humidity, soil temperature, soil humidity, carbon dioxide concentration, illumination intensity and other environmental factors in the greenhouse. The designed greenhouse disease and insect pest forecasting and control system with remote-control equipments can realize the automatic control of greenhouse environment, and effectively reduce the occurrence rate of diseases and insect pests. The constructed agricultural IOT integrated service system can improve the sensibility to greenhouse environment, and enhance the ability of early warning and comprehensive diagnosis of diseases and insect pests. This system can be logined by PC or mobile client, which makes its utilization more extensive and convenient.

Greenhouse; IOT technology; Environmental monitoring; Early warning of disease and insect pest

2016-08-02

國家級星火計劃項目(2015GA730006)。

鐘志宏，女，江西贛州人，農藝師，從事農業信息化研究。*通訊作者：楊眉。

S625.5

A

1001-8581(2016)11-0075-05