基于物聯網及云計算的智慧農業生產管理系統研究

摘 要：隨著物聯網及云計算技術的發展，其在智慧農業中的應用日益廣泛。本文設計實現了基于物聯網及云計算平臺的智慧農業生產管理系統。該系統包括環境監測子系統、智能控制子系統、視頻監控子系統和信息化管理子系統，實現了對農業生產管理過程中關鍵環境參數數據的采集、存儲、分析、控制等，有效提高了農業生產管理效率。

關鍵詞：物聯網;云計算;傳感器;智慧農業

智慧農業已成為我國農業的發展趨勢。在智慧農業的發展過程中，通過現代信息技術的應用，對農業的生產、經營、管理和服務4個方面進行改造升級，從而實現農業的精準生產和科學管理[1]。智慧農業以物聯網為依托，結合移動互聯網及云計算技術，通過精準把控風險、監管過程、產品溯源等來實現智慧農業的平臺化發展戰略。

本文針對智慧農業生產管理中的實際問題進行研究，設計了基于物聯網及云計算技術的智慧農業生產管理系統，并且實現了對各個監控點的數據采集、管理控制和云數據分析等功能。

一、智慧農業生產管理系統設計

智慧農業生產管理系統包括以下4個子系統：環境監測子系統、智能控制子系統、視頻監控子系統、信息化管理子系統。如圖1所示，前端主要進行作物生長環境監測，基于物聯網及云計算的信息化平臺面向用戶提供數據分析、查詢、數據報表等服務，用戶可通過平臺進行環境參數控制的遠程操作。

（一）環境監測子系統

環境監測子系統主要監測環境溫度、環境濕度、光照度、二氧化碳濃度、水體pH值、土壤溫度和土壤濕度等參數，通過LORA組成一個無線傳感網，多個大棚或大田將各自環境參數實時上傳給云端服務器。

（二）智能控制子系統

根據監測到的環境參數數據，與各類作物生長所適宜的環境參數進行比較，監測值超過一定閾值時將驅動各類設備如濕簾降溫系統、通風系統等進行工作，對環境參數進行控制。

（三）視頻監控子系統

提供對大棚或大田的遠程視頻實時查看和視頻錄像，用戶隨時可以通過電腦或手機查看監控點的各個場景。視頻通過有線網絡傳輸至流媒體服務器，通過OCX（Object Linking and Embedding Control Extension）接口協議被云數據中心調用。

（四）信息化管理子系統

通過實時監測各樣本點，存儲各種前端設備回傳的數據信息，并進行歸類、匯總、數據綜合分析，用于環境實時監測與控制、作物生長過程管理和綜合分析預警等，可提供各種數據報表、數據查詢等服務，并可作為多功能信息發布平臺和用戶的信息溝通交流平臺。

二、智慧農業生產管理系統組成

本系統能夠集成各種不同的農業環境傳感器，使用采集控制器對空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳含量、光照度、水體pH值和降雨量等數據進行采集，實現農業生產的小環境監測。采集控制器采用LORA無線通信技術與傳輸網關實現通信，通過傳輸網關把數據傳輸到云平臺，采用大數據云平臺管理系統對數據進行存儲、統計和分析，建立數據庫，形成數據報表，與事先設置好的參數閾值進行比較，如果超過了閾值范圍，云平臺將向用戶手機發送短信提醒，用戶可以通過手機APP或電腦客戶端軟件向云平臺發送控制指令，云平臺再將控制指令傳送給采集控制器，實現無人在現場的情況下遠程操控溫室大棚設備，如控制排風扇、水簾、噴淋設備等調控溫室環境;對于大田種植的作物，可以形成預警信息或生產指導數據，為當年或來年的生產種植提供參考數據。系統組成如圖2所示。

（一）采集控制器

本系統的采集控制器基于LORA通信技術，具備超長通信距離，空曠實測通信距離超過1.5 km，特別適合于戶外通信場景。采集控制器的結構框圖如圖3所示，主要包括ARM 32-bit Cortex?-M3 CPU工業級高性能嵌入式處理器和LoRa無線傳輸模塊，通過RS-485、I2C等接口可以連接多種傳感器，具有與傳輸網關自動組網、即插即用、免維護的特點。采用超低功耗設計、終端休眠功耗低至2 μA;基于TDMA（時分復用）通信技術，網絡內所有終端通信無碰撞，最大化利用帶寬，沒有重傳延時，提高了網絡整體的QoS，降低了網絡整體功耗。采集控制器通過傳輸網關與云平臺進行數據通信，所有的采集控制器均需系統綜合管理平臺進行接入管理，包括注冊、激活、接收平臺各種下發信息等。

傳感器采用超低功耗設計，太陽能供電的方式可以滿足大部分設備的需要。根據實際數據采集的要求，傳感器的量程及分辨率見表1。

（二）傳輸網關

傳輸網關為多功能一體化設備，是整個前端系統的核心。所有的數據包括環境監測、報警數據、自動控制指令、與后端系統管理平臺的數據通信等，均需要通過傳輸網關來完成。本系統的傳輸網關內嵌LoRa和4G通信模塊，利用LoRa低功耗網絡+4G移動數據網絡，為客戶終端設備和數據服務中心（大數據云平臺）搭建一條高效、實時、健壯、便捷的無線通信鏈路，實現用戶設備到數據服務中心的遠程透明數據通信，用戶設備即插即用，安裝簡單，使用方便。

傳輸網關結構框圖如圖4所示，采用美國ST公司工業級32位ARM-Cortex高性能嵌入式處理器，帶有20K SRAM數據存儲器，可以高速處理各種協議數據轉換，緩存客戶發送數據，同時接收超大數據包，不會造成數據丟失。LoRa和4G模塊帶有屏蔽罩，抗干擾強，傳輸距離遠、傳輸穩定。如圖4所示，采集控制器數據通過LoRa傳輸至傳輸網關，網關內置的4G通信模塊通過運營商網絡將數據傳輸至云計算平臺。

（三）云平臺監控管理軟件

本系統軟件開發采用面向服務的層次體系架構（SOA），搭建云服務分布式框架，基于Web服務實現數據共享應用。系統使用B/S和M/S 2種模式進行開發，其中B/S模式主要實現基于PC端的業務應用功能，M/S模式主要實現移動端的業務應用功能;服務器端分布式部署，前端采用HTML+JavaScript，后臺采用RESTful Web Services。

該軟件在集成的數據中心和共享服務平臺的基礎上，以接收傳輸網關的數據為基礎，滿足農業行業對環境關鍵參數數據監控、分析和控制的需要，主要的監控參數有大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、氣壓、光照、風向、pH值、雨量和二氧化碳含量等。通過實時傳輸技術，將數據匯集至云平臺上，并進行分析和使用。同時具有報警設置與推送、控制指令的設置與發送等功能。目前，該軟件已經在江蘇省銅山智能農業物聯網數據中心進行了一年多的試點應用。

軟件主要包含系統登錄管理、首頁監測信息綜合展示、地圖管理、數據采集分析、設施管理、字典維護、系統設置和報警設置等功能模塊。其中，首頁監測信息綜合展示如圖5所示，主要展示登錄人員所管理監測點的實時生產數據情況、當日天氣、日歷等。地圖管理主要實現監測點地圖位置的標注和對應二維碼信息的顯示。數據采集分析模塊可以對采集控制器采集的數據進行展示、查詢、錄入、編輯、導出和刪除等操作?？梢浴疤臁被颉皶r”為單位進行監測分析，根據設置的指標、時間段等查詢條件進行數據分析，默認生成24 h曲線分析圖和對應的數據明細表格。報警模塊可以先對需要告警通知的手機號碼進行錄入，對報警指標的最高、最低限值和開始時間、結束時間等告警條件信息進行設置，報警短信發送頻率可以選擇1～60 min發送一次，報警日志可以對報警記錄進行存儲、查詢。同時也可以使用手機APP進行數據察看和操作，如圖6所示。

三、結語

本文基于物聯網、傳感器、云計算平臺等技術，設計實現了智慧農業生產管理系統。基于云計算及物聯網的服務平臺為智慧農業生產管理提供了定制化服務能力，同時降低了系統建設的平均成本，提高了各項農業數據的存儲和挖掘能力。根據農業部構建天空地一體化的農業物聯網測控體系要求[2]，在有著精細化、智慧化需求的各個農業領域有著極高的應用價值。

參考文獻：

[1]韓秀艷，孫濤.我國智慧農業發展路徑設計及其優化策略研究[J].陜西農業科學，2016（12）：98-101.

[2]中華人民共和國農業部.農業部辦公廳關于開展農業特色互聯網小鎮建設試點的指導意見[EB/OL].（2017-10-13）[2018-10-09].http：//jiuban.moa.gov.cn/zwllm/zcfg/nybgz/201710/t20171016_5840580.htm.