基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺的研究與應用

平 陽 于金瑩

(北京市農林科學院農業信息與經濟研究所 北京 100097)

0 引 言

我國農業正處于從傳統農業向現代農業迅速推進的過程中，農業物聯網是我國農業現代化的重要技術支撐[1]。農業物聯網是指物聯網技術在農業領域的應用，將傳感器技術、計算機網絡技術與感知技術融合并應用于農業生產的各個環節，其實現過程主要包括傳感器信息采集、無線信號傳輸、標準化存儲、綜合統計分析、遠程實時監控等。通過農業物聯網可以實現對農業對象和過程智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理[2]。通過智能化控制終端實現農業環境的閉環控制[3]，從而實現農業生產的高度信息化、自動化及智能化。

農業物聯網技術的研究與應用在農業生產管理方面取得了一定成效。如：利用農業物聯網技術遠程實時監控草莓大棚內的環境參數，觀察大棚內草莓的生長情況[4]；通過物聯網技術實時監測玉米株高長勢、土壤養分及蟲災等信息，實現玉米長勢可視化遠距離診斷的全程管理[5]。但目前大多數農業物聯網系統研究僅重視搭建系統平臺對農業生產環境數據的監控與分析[6-8]，缺乏對農作物生產的標準化種植指導。在應對生產過程中可能發生的病蟲害，缺乏有針對性的技術解決方案，而且由于缺乏農作物生產的標準化知識庫，使得物聯網技術與農業生產技術的融合程度急需改善。

以農業物聯網技術為基礎，通過分析京津冀地區的主要溫室農作物在不同環境不同時段的種植要素的差異性特征，梳理并制定對應的標準化生產指導方案和病蟲害處理技術。應用數字化的技術手段使溫室農作物生產技術與物聯網技術高度融合，將任務化的生產過程管理手段及智能化的預警與知識服務全面植入構建的農業物聯網生產管理體系。最終設計并研發基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺。

1 分析與研究

1.1 設計目的

本文針對京津冀地區溫室農業生產技術及其管理方式兩個方面，以優化和改善我國傳統農業生產過程中的不足之處為主要目標，從農產品質量提升及規模化生產模式推廣的實際需求出發，主要解決如下3個方面的問題：

(1) 標準化生產流程制作 依托北京市農林科學院農業數字資源中心的專業技術資源，重點選取京津冀地區的主要溫室作物甘藍、西紅柿等作為研究對象，梳理其生產過程中的農事活動、生產要素、注意事項、技術解決方案等內容。以時間軸為主線進行生產工作分布和關聯，最終形成針對不同地域、不同品種、不同種植時段的個性化標準化生產管理流程。該流程的設計與應用可以為上述農作物的溫室種植過程提供標準化的作業管理及技術指導。

(2) 任務化管理模式設計 以標準化的生產流程信息為依據，將其按最小工作單元進行切分，并將最小工作單元作為任務進行管理。利用計算機數據庫管理技術完成任務信息的數字化編輯及存儲，以備系統功能調用。通過對生產流程中各個工作的任務劃分，建立標準化生產流程的任務化管理模式，進而可為實現智能化的人機交互提供數據支撐。

(3) 模塊化功能組件研發 為了保證平臺功能的可靠性、穩定性、兼容性、安全性及擴展性，其功能模塊將采用組件式的開發架構。功能組件的開發是以具體功能的業務邏輯劃分為前提的，意在加強功能組件的獨立性和適用性。此外，在設計功能組件時，應采用動態鏈接的形式進行封裝，并充分隱藏其內容實現細節，進而便于組件的載入或卸出。

1.2 設計工作流程

研究將按地域、品類、種植時段的標準化生產流程數據預先存儲在平臺的知識數據庫里。在實際生產中，平臺可有針對性的自動匹配，為不同的大棚生成適當的生產過程自動提醒或推送技術指導信息，或者能夠與傳感器數據動態比對進行預警預報等。任務化管理模塊的設置就相當于為每個大棚單獨配置了一個“生產管家”，在大棚內的作物生長到了一定階段，這個“生產管家”就會為生產者提供作業指導和病蟲害指導以及預警等服務。標準化生產的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

(1) 標準化流程：以溫室農作物種植生產全周期為管理對象，針對不同的作物分別制作與之相符的標準化生產管理規則。主要涵蓋生產環境、生產任務、病蟲害防治、技術指導等方面的數據資源。

(2) 標準化流程制作與存儲：將標準化生產流程進行梳理，并建立邏輯關系，最終存儲在系統數據庫中。

(3) 選擇溫室種植類型(種植地域、種植品類、種植時段)：根據溫室所在地區及種植品種的不同，選擇符合實際情況的溫室種植關鍵信息。這是標準化生產流程應用與服務實際生產過程的關鍵環節。

(4) 生成流程(任務)模板：根據選擇的溫室種植關鍵信息，系統會在數據庫中自動匹配與之對應的標準化流程，并依據此流程生產任務化模塊，用于指導生產。

(5) 任務提醒與記錄：依據已生成的任務化模板，系統會提前發送任務提醒，通知生產者或管理者在特點時間執行特定任務，并將任務執行過程中的關鍵信息采集至系統數據庫中。

(6) 生產環境動態監控：以標準化模板中的生產環境數據為基礎，依托物聯網實時監測數據，進行動態比對。在實際生產環境超出閾值范圍時，對自動觸發工控設備，進行生產環境的調節。

(7) 病蟲害技術推送：為了提升溫室種植的產品質量和工作效率，系統會在特定時段提供當前溫室農作物可能發生的病蟲害預警及防治措施指導，以避免或減少因病蟲害造成的損失。

(8) 智能預警推送：根據生產環境監測的結果，對在超出正常范圍時，通過系統信息推送、移動端通知提醒及手機短信等形式向管理者發出預警信息，便于管理者及時發現問題。

2 平臺設計

基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺的設計，是以物聯網設備自動感知、標準化生產活動定時提醒、動態識別智能預警以及生產技術主動指導等為業務核心要素，采用先進的架構設計思想，合理搭配其功能結構，并充分考慮易用性、友好性等方面，力求在滿足業務需求的同時，提升用戶的人機交互體驗。

平臺的設計將從框架設計、功能設計、界面設計三個層面進行描述。基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺的功能結構和數據流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺的 功能結構圖

圖3 基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺的 數據流程圖

2.1 框架設計

平臺采用MVC的設計模式，將其分為模型層、視圖層和控制層。每個層各司其職互不干涉，有利于提升平臺的健壯性和穩定性，且分層后更有利于組件的創建與復用。

平臺的框架設計需從硬件和軟件兩個方面著手。硬件層面主要包括物聯網傳感設備的選型、物聯網傳輸方式的設計、控制設備的接入等。其中，平臺采用的傳感設備需基于RS485的行業通用標準，網絡傳輸采用Wi-Fi+AP的傳輸模式，控制設備需支持邏輯開關。

軟件層面主要包括物聯網傳感數據監測、生產任務管理、智能預警、主動技術指導、自動控制、統計分析及相關參數設置和數據管理等功能。其中：數據監測可實時反映生產環境指標；生產任務可定時提醒；智能預警可根據動態量化指標進行比對；技術指導可根據不同品種的不同生產時段有針對性地推送技術解決方案；自動控制可根據閾值標準量進行自動觸發；統計分析可提供多維度的數據匯總；參數設置可用于設備接入和設備控制等。

2.2 功能設計

由于平臺的組成涉及硬件和軟件兩個組成部分，故其功能也將從硬件和軟件兩個角度分別說明。

2.2.1 硬件設計

平臺硬件主要包括傳感設備、無線網絡和控制設備。

1) 傳感設備 針對溫室種植對環境的需求，平臺預置的傳感器主要包括：空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器和CO2濃度傳感器。此外，還需為每組傳感器配套合適的數據采集器，用于傳感信號的采集。

(1) 空氣溫濕度傳感器：一般安裝在溫室地表垂直上方的中高位，用于測量溫室內空氣溫度與濕度的數值。空氣溫度感應是通過熱敏電阻的半導體材料在受到外界溫度變化時，引起其阻值的改變來進行溫度測量。空氣濕度感應是通過濕敏元件上覆蓋的高分子材料的感濕薄膜，在吸附水蒸氣時使，引發其介電常數發生變化來進行濕度測量，最終均以電信號的形式產生測量結果。其中：空氣溫度測量范圍為-30至70 ℃，精度為±0.2 ℃；空氣濕度測量范圍為0～100%，精度為±3%。

(2) 土壤溫濕度傳感器：一般安裝在溫室地表垂直下方1 m左右且水平放置，用于測量溫室土壤的溫度與濕度的數值。土壤溫度感應是應用鉑熱電阻在土壤溫度變化時，發生阻值變化來進行溫度測量。土壤濕度感應是應用三極管電路特性，在土壤水分含量不同時導致其電阻值及導通電流變化來進行測量。其中：土壤溫度測量范圍為-40～120 ℃，精度為±0.2 ℃；土壤濕度測量范圍為0～100%，精度為±3%。

(3) 光照強度傳感器：一般安裝在溫室接近棚頂的位置，用于測量溫室光照強度的數值。光照強度感應是利用半導體PN結的光伏效應，即在熱平衡下的PN結變化情況，進行光照強度測量。其光照強度測量范圍為0～200 000 Lux，精度為±7%。

(4) CO2濃度傳感器：一般與空氣溫度傳感器安裝在同一區域，用于測量空氣中CO2濃度的數值。CO2濃度感應是利用不同氣體對紅外輻射的光譜吸收強度的不同來進行測量的。其CO2濃度測量范圍為0～5 000 ppm，精度為±30 ppm。

(5) 數據采集器：一般與電源裝置一并集成安裝在控制箱內，掛于溫室側壁。用于連接所有傳感器，并與之通信，其可按所需的頻度對所有感應信號進行采集。

2) 無線網絡 為了提升物聯網搭建的便捷性和適用性，平臺將采用Wi-Fi傳輸作為數據通信方式，并提供AP設備，用于增加Wi-Fi的覆蓋范圍，進而保證網絡的穩定性。

(1) Wi-Fi傳輸模塊：該模塊與數據采集器連接并通過Wi-Fi，將數據采集器的數據包發送至目標服務器。

(2) AP設備：AP設備屬于選用設備，需根據農業園區的具體網絡條件進行安裝和部署，可用于較大規模園區的Wi-Fi信號覆蓋，為物聯網數據傳輸提供穩定的網絡支撐。

3) 控制設備 為了提升生產管理的自動化水平，降低其人工成本，平臺采用自動化控制設備，主要包括滴灌、風機、卷簾和日光燈。此外，還需為每組控制設備配套邏輯控制器，用于設備的自動控制。

(1) 滴灌：一種節工、節水的土壤補水裝置，用于土壤濕度的補償。

(2) 風機：一種通風裝置，用于溫室內空氣的流通。

(3) 卷簾：一種控制遮光板的設備，用于帶動遮光板為溫室遮光。

(4) 日光燈：一種照明設備，用于為溫室補光。

(5) 邏輯控制器：可連接不同的控制設備，并通過數模轉換電路、邏輯電路與繼電器等組件，實現對設備的邏輯控制。

2.2.2 軟件設計

平臺軟件主要包括PC端管理平臺及移動端工作軟件。

1) PC端管理平臺 PC端管理平臺主要面向農業園區的管理者，為其提供溫室環境遠程監測、溫室生產任務管理、溫室環境智能預警、溫室設備遠程控制或自動控制、標準化流程管理、環境數據統計分析、系統參數配置等方面的管理手段。該管理平臺的功能板塊主要包括：監控中心、任務中心、數據中心、管理中心等。

(1) 監控中心：主要提供溫室環境監測、遠程設備控制和智能預警3項功能。其中：溫室環境監測功能可對其空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度等環境因子進行實時獲取和展示；遠程設備控制功能可對溫室控制設備進行遠程操作，并支持手動模式和自動模式的切換；智能預警功能是根據標準化生產流程中的閾值曲線區間與環境因子的實時數據進行動態判定，在超出閾值曲線區間時，會自動觸發網頁、移動端及短信等形式的預警信息提醒。當管理平臺的設備控制功能處于自動模式的狀態時，則可在發送預警提醒的同時，自動啟動或關閉控制設備進行溫室環境調節。

(2) 任務中心：主要提供溫室種植過程的生產任務及進展情況的管理功能。在為溫室配置標準化生產流程后，會自動生成該溫室農作物的生產任務的時間表和進度條，并可對生產任務的完成情況進行跟蹤。依據生產任務的不同狀態，可分為待接收、進行中、延遲中、待審核、已駁回、已終止、已審核等。

(3) 數據中心：主要提供溫室環境信息、觸發預警信息、生產任務信息等業務數據的統計與分析功能。通過曲線圖、餅狀圖、柱狀圖及數據表格等形式，為管理者提供直觀的生產歷史數據分析，為后續的生產管理工作提供量化依據。

(4) 管理中心：主要提供技術資源數據、平臺用戶及權限信息、平臺參數配置信息和平臺運行日志等方面的管理功能。其中：技術資源是指標準化生產流程和知識庫，可為生產者提供任務提醒和知識推送服務；平臺的用戶、權限、參數和日志等信息，可為平臺功能的正常運行提供基礎保障。

2) 移動端工作軟件 移動端工作軟件主要面向農業園區的生產者，為其提供溫室環境遠程監測、溫室生產任務上報、溫室環境智能預警、溫室設備遠程控制、專業技術指導等方面的生產服務。該工作軟件的功能模塊主要包括：環境監控、任務上報、智能預警、技術推送等。

(1) 環境監控：可提供溫室環境的實時監測和控制設備的遠程操作功能，便于生產者了解溫室環境狀態。

(2) 任務上報：可接收標準化生產流程設定的生產任務，并可通過記錄工作情況和現場照片的形式，完成任務的上報。

(3) 智能預警：可接收管理平臺發送的預警信息，用于提醒生產者及時采取對應措施。

(4) 技術推送：可接收標準化生產流程設定的病蟲害防治技術和處理方法，用于解決生產過程中的技術問題，并提升其科學性和有效性。

2.3 界面設計

平臺界面設計主要針對軟件的交互管理界面，使其具備清晰的交互邏輯、友好的操作方式和簡潔的呈現效果，從而提升其良好的用戶體驗。

圖4、圖5為以甘藍為例展示基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺監控中心和任務中心的界面情況。

圖4 管理平臺監控中心界面圖

圖5 管理平臺任務中心界面圖

3 結 語

本文通過研究和分析京津冀地區適合溫室種植的主要農作物的生產要素，梳理形成了針對不同農作物的生產標準化流程及常見病蟲害的解決方案。并使之與農業物聯網技術進行有機融合，設計并研發了基于物聯網的農業智能標準化生產管理平臺。平臺不僅實現了對溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度等環境因子的實時監測和對滴灌、風機、卷簾、日光燈等設備的遠程控制，還實現了農作物生產過程的標準化任務管理及智能化預警與技術指導。

其優點主要體現在如下幾個方面：

(1) 研究適用于京津冀產區的溫室農作物標準化種植流程，并植入平臺知識庫中。

(2) 可根據標準化流程中的種植條件的差異，實現預警閾值的智能化自主適配。

(3) 可根據標準化流程中的不同階段，自動推送相關的病蟲害防治的解決辦法。

通過在京津冀的農業示范園區的示范與應用，初步實現了標準化生產作業的管理要求，驗證了標準化種植管理方法的可靠性。該平臺應對規模化的溫室種植生產管理需求，具有較高的實踐價值，有著良好的應用前景及提升空間。

針對本平臺在應用過程中出現的問題，仍需進行改進與升級。后續工作將主要集中在如下3個方面：(1) 繼續研究其他溫室農作物的標準化生產流程，不斷豐富知識庫的技術資源，進而擴大平臺的推廣及應用范圍；(2) 提升平臺對于物聯網傳感設備及自動化工控設備的靈活性和適用性，通過對業界主流的標準化接口參數進行管理，改善硬件設備集成方式的友好性，便于平臺的推廣及已有硬件設備的復用；(3) 充分利用專業技術資源，擴展生產數據的應用場景，提升數據的潛在價值。