基于大數據的智慧農業物聯網系統實現

徐建國 肖海峰

摘要：設計一套基于大數據的智能信息系統應用于現代化農業大棚生產及管理中，以模擬對大棚的管理和控制。系統采用Zigbee、WiFi等無線傳輸技術解決局域及遠距離數據實時有效傳輸問題，結合當前大數據和云計算等前沿技術進行數據存儲，充分利用多種傳感器實現對農業大棚生產過程中數據的實時采集、監測及有效控制，并通過開放的互聯網平臺實現在線遠程專家指導。測試結果表明，該系統具有較高的可靠性與高穩定性，運行平穩，有很強的實用性。

關鍵詞：大數據；智慧農業；物聯網；數據分析；遠程專家指導；人工智能

DOIDOI：10.11907/rjdk.181760

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2018）008-0129-04

英文摘要Abstract：We have designed an intelligent information system based on big data and applied it to the production and management of modern agricultural greenhouse to simulate the precision management and control of the greenhouse.An intelligent information system based on big data was designed for the production and management of modern agricultural greenhouses to simulate the precise management and control of greenhouses.The system uses the Internet of Things technology as a design platform.Zigbee，WiFi and other wireless transmission technologies are used to solve local and long-distance real-time effective data transmission problems.Current big data and cloud computing and other cutting-edge technologies are combined to establish data storage.A variety of sensors are used to achieve real-time data collection，monitoring and effective control of farming greenhouses，environment and production.Online remote expert guidance is realised through an open Internet platform.The test results show that the system has high reliability and stability，stable operation and good practicality.

英文關鍵詞Key Words：big data；smart agriculture；Internet of Things；data analysis；remote expert guidance；artificial intelligence

0 引言

農業信息化、自動化管理是時代發展的必然趨勢，也是傳統農業轉變為現代化農業的必經過程。中國是一個傳統農業大國，農業信息化對我國農業的發展具有重要意義。信息化以信息技術作為通道，連通現代化農業的各個環節。準確、及時、有效地獲取、傳播并應用信息，可大幅提高農業管理水平，從而促進農業經濟的高速發展。在大數據技術迅速發展的今天，各行業與大數據的關系變得更加密切，大數據技術的應用為傳統數據處理技術帶來了重大變革[1-2]。

孫忠富等[3]針對大數據在智慧農業中的應用，論述了大數據關鍵技術，以及推動農業大數據發展的對策；方雪嬌[4]詳細論述了大數據通過分析生物基因加速作物育種，以及大數據如何跟蹤作物生長全過程，以促進農業的精細化生產；盛平等[5]設計了高效的農業設施遠程精準測控系統，構建了遠程操控平臺；嚴璋鵬等[6]提出整合各個模塊、實現數據共享的觀點。然而，國內現有關于大數據在農業上的應用研究大多為技術介紹與應用前景綜述，提出的應用系統擴展性不強，穩定性有待提高。

本文結合大數據技術，設計一套智能大棚管理控制系統。系統主要分為4部分：信息采集、信息處理、管理控制、遠程幫助。相比于傳統農業控制系統，本系統加入了遠程專家指導模塊，構建了知識庫系統，且模塊之間相互獨立，擴展性與穩定性好，實用性強。

1 研究背景

1.1 農業大數據

隨著農業現代化程度的不斷提高，農業生產過程中會產生大量數據，而且數據涵蓋面廣、數據源復雜，一般都為非結構化數據。農業大數據的定義是指運用大數據的理念、技術和方法，解決農業或涉農業領域數據采集、存儲、計算與應用等一系列問題，是大數據技術在農業領域的應用發展[3，7-8]。本文將傳感器采集到的數據存儲到云平臺上并進行記錄，從而為后續查詢、數據分析提供依據。

1.2 智慧農業

智慧農業是指將現代計算機與信息技術應用于農業生產過程中的現代化農業生產模式，其是農業生產發展的高級階段。智慧農業可將互聯網、移動互聯網、云計算和物聯網技術相融合，依托部署在農業生產現場的各種傳感器（環境溫度傳感器、濕度傳感器、土壤水分傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器等）和無線通信網絡實現農業生產環境的感知、預警、決策、分析及專家在線指導，為農業生產提供可視化管理及智能化決策[9-11]。隨著人工智能技術的不斷發展，農業生產將更加智能化[12]。

2 系統方案設計

2.1 系統總體設計

第一層是應用層，包括智能手機、PC、便攜電腦等各種終端設備，能夠對系統進行遠程控制；第二層是智慧農業物聯網系統平臺，其中平臺應用系統將為應用終端和網關提供接口，同時提供基于物聯網的智能農業系統核心服務；第三層是網關，負責數據的整理、上傳，并實現對控制指令的下發；第四層是前端感知層和控制應用層，負責信息采集與對相關設備的控制[13]。

方案的功能設計考慮到實際應用的便捷性，提供數據采集、數據分析與查詢、農業設施（補光燈、風扇）智能控制、視頻監控與專家指導功能。

（1）數據采集：利用無線傳感器模塊、射頻接收模塊與A8網關，建立無線傳感網絡，對環境溫度、濕度、光照強度信息進行采集，當傳感器上報的采集數據超過預定閾值時，會發出報警信息。

（2）數據分析與查詢：用戶可通過客戶端隨時隨地查詢與分析各種數據，數據以表格等形式呈現。

（3）農業設施控制：可通過客戶端隨時隨地高效、精準地控制相應農業設施，如風扇、照明、遮光簾、電機等。

（4）視頻監控：可以實時進行遠程視頻監控，查看農作物長勢，得到農作物的第一手資料，同時也起到安防作用[14]。

（5）專家指導：建立專家庫，定期或不定期地錄入農作物種植方法及技巧等相關文章，指導農戶種植農作物。

2.2 相關技術應用

2.2.1 感知層

（1）無線傳感網絡。無線傳感器網絡（WSN）是由放置在監測區域內的大量微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集與處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者是無線傳感器網絡的3個要素[15-16]。

（2）Zigbee網絡。Zigbee網絡采用低成本、低功耗、高集成度的工業級ZigBee芯片CC2530，具有超低電流消耗和高接收靈敏度等特點，可確保短距離通信信道的可靠性，且衰減較小。傳感器節點可根據設施農業的具體需求，搭載合適的傳感器，如空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器和CO2濃度傳感器等。利用ZigBee自組網的特性以及農業設施環境的不同需求，選擇適合的ZigBee無線傳感網絡。ZigBee節點可以組建Mesh網絡，設置一個ZigBee節點為網絡協調器，其它每個ZigBee節點都可當作路由節點使用，也可以設置為終端節點，但會失去路由功能[17-18]。

ZigBee終端節點程序依照每個節點需要實現的功能進行設計。例如當溫度采集終端節點接收到信息時，首先對信息進行解析與判斷，若判斷收到的命令為溫度數據，則調用相應程序采集數據，然后對采集的信息進行處理后發送給協調器，協調器再通過A8網關發送給服務器[19-21]。

（3）視頻監控。攝像機采用WiFi傳感網絡傳輸檢測到的圖像信息。

2.2.2 傳輸層

（1）網關：3G無線網關將Zigbee信號轉化為3G信號進行傳輸。

（2）路由器交換機：包括3G無線路由器、交換機，用于傳輸局域網和廣域網數據[8]。

2.2.3 網絡層

（1）終端服務器：采用電腦作為服務器終端。

（2）云服務平臺：采用云服務器對大量信息進行處理和保存。

（3）監控中心：采用球機型無線WiFi攝像機對溫室大棚情況進行采集。

2.2.4 應用層

（1）硬件部分：采用臺式電腦或筆記本電腦作為應用層終端，CPU為 Intel Core i5 2GHz，硬盤500G以上，內存4G以上。

（2）軟件部分：采用Microsoft Visual Studio 2010、MySQL5.6，操作系統為Windows 7 。

3 系統詳細設計

系統硬件部分由溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器、繼電器以及電動機驅動模塊、顯示器、蜂鳴器9大部分構成。對于溫度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器，通過協議讀取其狀態并進行數據采集。Zigbee傳感網絡采集傳感器數據，然后將采集的數據打包至網關，通過移動網絡或無線網絡發送至云服務平臺上[22]。管理人員通過移動端與瀏覽器端查看各傳感器采集的數據，并向傳感器手動發布指令，實現對系統的控制。系統軟件部分包括登錄注冊模塊、系統主模塊、歷史記錄模塊、配置模塊、控制模塊等。

3.1 系統功能設計

通過各種傳感器采集所需的信息，將數據存儲到數據庫中。系統主要模塊包括實時監控模塊、歷史記錄模塊、告警記錄模塊與配置模塊，通過其實現對系統的管理。實時監控模塊能夠根據傳感器采集的數據，將信息以可視化方式展現出來；歷史記錄模塊能夠按照選擇的時間將溫度、濕度信息用折線圖展現出來；告警記錄模塊能夠將所有異常數據記錄在數據庫中用于隨時查詢；配置模塊可顯示各種傳感器參數。歷史記錄界面如圖1所示。

3.2 模塊配置設計

感知層包括無線傳感器節點、控制節點與視頻監控模塊。傳感器分為溫濕度及光照傳感器兩類，主要通過接收網關下發的命令對風扇、電燈、開關進行控制，通過控制電動機驅動模塊控制電動機狀態。視頻監控模塊使用USB攝像頭（apache）服務器通過V4L2編程對溫室大棚進行遠程網絡視頻監控。模塊配置如圖2所示，其能夠對溫度、濕度、光照強度等參數進行配置。

3.3 智能控制

系統可以利用智能控制功能對光亮、通風等進行自動控制，例如：當光照強度低于用戶設定值時，打開LED燈以增加光照；當光照強度高于設定值時，可關閉遮光簾以減少光照（見圖3）；當數據出現異常時，發出報警信息。即系統可通過自定義規則使溫室環境隨著設備設定好的參數變化而變化。

管理員可對用戶權限及應用的一些基礎功能進行設置，以方便用戶獲得更好的體驗，用戶可使用訪問賬號查詢數據，但僅能查看實時數據，無法執行其它操作[23]。

3.4 PC端設計

上位機系統是智慧農業物聯網系統的核心部分，在Microsoft Visual Studio 2010環境下采用.NET編寫，數據庫使用MySQL以及第三方試驗箱公司提供的SDK包。軟件操作簡單、界面清晰，管理員登錄后可隨時查看系統環境參數及設備運行情況，并進行參數設置。

3.4.1 視頻監控

系統中添加了視頻模塊，采用視頻方式將農業生產情況實時告知管理員，可實現錄像、拍照、回放等功能。

3.4.2 專家指導

在農業生產管理中遇到植物病蟲害時，管理員可根據害蟲或疾病名稱查詢解決方案[24]，如圖4所示。

3.5 系統關鍵代碼

3.5.1 告警記錄查詢

4 總結與展望

本文將物聯網技術運用于農業生產中，構建基于云平臺的智慧物聯網系統，可模擬對農業大棚的精準化管理與控制。系統運行穩定可靠，界面友好，操作便捷；引入遠程專家控制模塊，能夠解決實際生產中的疑難問題；用戶無需架設專門的網絡系統，節省投資且維護簡便。隨著大數據、人工智能技術的發展，未來的農業生產必將更加智能化與精細化。

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（責任編輯：黃 健）