基于物聯(lián)網(wǎng)的趙縣農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺的設(shè)計與應(yīng)用

黃媛 楊英茹 高欣娜 李海杰 武猛 李瑜玲

摘? ? 要：本文對石家莊市趙縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與科研管理的實際需求進行了調(diào)查研究，為實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)信息化設(shè)備的集中管理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息的有效利用，方便駐園區(qū)科研單位之間的數(shù)據(jù)共享、科研協(xié)同，利用通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的趙縣農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺。平臺的建立實現(xiàn)趙縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)感知系統(tǒng)的升級完善，承擔(dān)了本園區(qū)農(nóng)業(yè)科研數(shù)據(jù)分析中心、多點培訓(xùn)和示范展示中心的功能，起到了本地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的試點示范作用，促進和帶動石家莊地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);科技協(xié)同創(chuàng)新;平臺建設(shè);河北省趙縣

中圖分類號： TP311.5? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.04.010

Abstract：? This paper investigated and studied the actual needs of agricultural production and scientific research management in Zhao county modern agricultural park in Shijiazhuang city. In order to realize centralized management of information equipment in modern agricultural park， effective utilization of agricultural basic information， and convenient scientific research collaboration among scientific research units in the park， Zhao county agricultural science and technology collaborative innovation platform based on internet of things is established by using communication technology， internet of things technology and computer technology. The establishment of the platform has realized the upgrading and perfection of the perception system of agricultural association in Zhao County's modern agricultural park. It has assumed the functions of the park's agricultural scientific research data analysis center， multi-point training and demonstration center， played a pilot demonstration role in modern agriculture in the region， and promoted and driven the upgrading and transformation of traditional agriculture to modern agriculture in Shijiazhuang region.

Key words： internet of things in agriculture; collaborative innovation of science and technology; platform construction; Zhao county of Hebei province

信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點，近年來國家不斷加大力度推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》提出推進農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，加強農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè);《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016—2020年）》和《“十三五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》也對全面推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化作出總體部署，到2020年，我國“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)要取得明顯成效[1-2]。

2018年4月石家莊市政府制定了《石家莊市科技創(chuàng)新三年行動計劃（2018—2020年）》，其中提到要加快建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，重點支持智慧農(nóng)機、農(nóng)產(chǎn)品精深加工、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)、生物肥料、生物農(nóng)獸藥、生物飼料等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，打造農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新平臺，然而石家莊地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍存在一些問題，主要體現(xiàn)在3個方面：一是河北省大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理粗放，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)單一，信息化設(shè)備不完善，管理技術(shù)水平落后;二是現(xiàn)有部分現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的監(jiān)測設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)傳輸故障多發(fā)，難以保障生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)、完整性;三是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體自身素質(zhì)不高，加之農(nóng)村信息化基礎(chǔ)條件較差，使普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體無法快速跟上信息化發(fā)展的步伐。因此，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石家莊地區(qū)建設(shè)一個集生產(chǎn)管理、科研協(xié)同、示范培訓(xùn)于一體的農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺將有效的推動和促進石家莊地區(qū)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展步伐[3-5]。

目前，各級農(nóng)業(yè)管理部門、科研院所及互聯(lián)網(wǎng)科技公司等積極開發(fā)各級各類農(nóng)業(yè)信息化平臺，服務(wù)對象不一而足，優(yōu)勢特點各有所長，例如江蘇省的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺是為適應(yīng)江蘇省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展需求，服務(wù)省內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的的綜合服務(wù)平臺;黑龍江墾區(qū)的七星農(nóng)場物聯(lián)網(wǎng)平臺為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶服務(wù)，改變了當(dāng)?shù)卮址诺慕?jīng)營管理方式;寧夏農(nóng)林科學(xué)院建立的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享及綜合應(yīng)用平臺面向涉農(nóng)企事業(yè)單位，實現(xiàn)了寧夏農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源的共享。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研活動中發(fā)揮越來越重要的作用，入駐趙縣園區(qū)的十幾家科研單位，例如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、國家農(nóng)業(yè)信息技術(shù)工程研究中心、河北省科學(xué)院、河北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等也紛紛開展了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)建設(shè)，但各單位所安裝設(shè)備各異、兼容性不高、數(shù)據(jù)利用率低，甚至功能重復(fù)，造成園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備重復(fù)建設(shè)，資源浪費情況突出。面對本園區(qū)實際問題，借鑒各地農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗，本著服務(wù)園區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與科研創(chuàng)新兩大目標(biāo)，石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院牽頭建立了趙縣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺。該平臺對園區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)感知設(shè)備進行整合升級，打造了農(nóng)業(yè)科研數(shù)據(jù)分析中心、遠程控制和視頻會商通道、多點培訓(xùn)和示范展示中心，實現(xiàn)了本地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息的有效利用，同時平臺作為本地農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺，為石家莊地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的試點示范工作起到了促進和帶動作用[6-7]。

1 建設(shè)思路及架構(gòu)

農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新協(xié)同平臺主要分為數(shù)據(jù)層、通訊層、設(shè)備層和應(yīng)用層。

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層立足石家莊趙縣省級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)現(xiàn)有科研種植面積和用地需求，集中規(guī)劃趙縣園區(qū)物聯(lián)感知設(shè)備，園區(qū)主要科研、種植區(qū)域安有視頻監(jiān)控設(shè)備30余個，小麥種植區(qū)域設(shè)置了田間氣象站1座，可實現(xiàn)空氣溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向、降雨量，不同深度土壤溫度、濕度的數(shù)據(jù)采集，同時設(shè)有遠程灌溉系統(tǒng)，園區(qū)現(xiàn)有溫室中安裝有設(shè)施環(huán)境采集設(shè)備，共約40組傳感器，可將園區(qū)大田氣象數(shù)據(jù)、設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)分類建庫。

1.2 通訊層

通過建設(shè)趙縣園區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)園區(qū)Wi-Fi覆蓋，同時保留數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的多樣性，數(shù)據(jù)采集設(shè)備保留COM、GPRS、3G、Wi-Fi、Internet等多協(xié)議接口，為安全的數(shù)據(jù)通道提供保障。

1.3 設(shè)備層

新建趙縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)110 m2物聯(lián)展廳，建設(shè)了4 m×3 m的55寸大屏幕液晶拼接顯示系統(tǒng)，配備五聯(lián)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了操作窗口任意切換，可同時滿足展示、監(jiān)測、控制的操作需求。還配備了電子沙盤、大手機等互動展示設(shè)備，以及農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺中的園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和視頻會商系統(tǒng)。

1.4 應(yīng)用層

平臺支持農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和管理，實現(xiàn)示范園區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)遠程控制、視頻會商和遠程培訓(xùn)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平、科研協(xié)同能力和服務(wù)培訓(xùn)水平。

2 模塊功能設(shè)計

2.1 采集系統(tǒng)

平臺采集系統(tǒng)解決了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)環(huán)境信息獲取時效性差、成本高等問題，通過集成無線移動通信網(wǎng)絡(luò)模塊、環(huán)境溫濕度、風(fēng)向風(fēng)力等氣象傳感器模塊、土壤溫濕度等土壤墑情傳感器模塊，形成了低成本、便攜式設(shè)施蔬菜協(xié)同感知無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 可實現(xiàn)多傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的協(xié)同感知[8]。

終端設(shè)計以嵌入式微處理器MSP430為核心，外圍集成供電單元、數(shù)據(jù)存儲單元、無線收發(fā)模塊、數(shù)字傳感器接口與高精度ADC、信號適配調(diào)理電路及傳感器組。由微處理器單元控制其他各個單元模塊的供電和工作：控制環(huán)境數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報警和遠程傳輸;對采集的傳感器數(shù)據(jù)進行基本的數(shù)據(jù)處理，通過無線收發(fā)模塊連接至遠端服務(wù)器，發(fā)送命令、上報數(shù)據(jù)以及接收設(shè)備配置指令;通過信號適配調(diào)理電路，連接多種傳感器，實現(xiàn)不同類型環(huán)境參數(shù)的協(xié)同感知[9]。

設(shè)備可支持多類型、多參數(shù)傳感器協(xié)同感知，按輸出類型分有模擬傳感器、數(shù)字傳感器;按參數(shù)分有：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤溫度、土壤水分、光照、土壤酸堿度、土壤養(yǎng)分等，通過適配調(diào)理電路的適配連接，數(shù)字接口電路和高精度ADC的采樣轉(zhuǎn)換，最終由微處理器進行數(shù)據(jù)的匯集處理。

2.2 智能控制系統(tǒng)

平臺智能控制系統(tǒng)采用了低功耗直流灌溉控制器、無線灌溉閥門、執(zhí)行機構(gòu)控制器（RTU）、設(shè)施蔬菜溫室智能控制柜。控制器具有4路閥門控制、4路開關(guān)信號采集、4路模擬信號采集功能，并具有定時、定量等灌溉控制功能和水量記錄功能，采用低功耗設(shè)計，支持對包括LCD、數(shù)據(jù)存儲、傳感器電源、閥門驅(qū)動等功率消耗器件的電源管理功能;無線電磁閥采用分體結(jié)構(gòu)，可以直接安裝在電磁閥體上，內(nèi)置大容量鋰電池，電池設(shè)計使用壽命大于3年，并易于更換，同時可支持太陽能充電。無線電磁閥可以控制2路直流電磁閥，并能夠采集2路水表信號;研制了設(shè)施蔬菜溫室智能控制柜裝備，突破了多設(shè)備控制接口復(fù)用技術(shù)，提出一種基于控制流程的模塊間接口受控獨占機制，保證當(dāng)前受控單元模塊對控制接口的獨占性，同時采用不同的通信碼率進行復(fù)用通信，進一步避免可能產(chǎn)生的競爭冒險，提高了系統(tǒng)魯棒性的同時也降低控制裝備的系統(tǒng)復(fù)雜度與成本[10]。

2.3 展示系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺采用了基于國產(chǎn)紅旗Linux操作系統(tǒng)、KingbaseES 數(shù)據(jù)庫、中創(chuàng)InforSuite AS中間件、Ultra-IAM統(tǒng)一身份及訪問安全中間件等國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品，針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息化應(yīng)用需求，通過新增軟件工具、改進軟件服務(wù)性能、增加第三方外設(shè)驅(qū)動等形式，提升了國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品在技術(shù)穩(wěn)定性、功能實用性、人機界面友好性、服務(wù)高效性等方面性能，保證示范園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示等應(yīng)用軟件及農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺的科學(xué)部署、安全運行和穩(wěn)定服務(wù)，并通過資源層對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)綜合數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)科技服務(wù)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)抓取數(shù)據(jù)、其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源進行異構(gòu)融合和需求化定制[11]。基礎(chǔ)支撐平臺技術(shù)架構(gòu)見圖1。

3 平臺功能展示

3.1 視頻會商系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺建有遠程視頻會商系統(tǒng)，通過4 m×3 m的55寸大屏幕液晶拼接顯示系統(tǒng)，搭建基于IP網(wǎng)絡(luò)的高清視頻會商平臺，可實現(xiàn)點對點、一點對多點、多點對多點的實時遠程高清視頻會商、園區(qū)展示、遠程培訓(xùn)，滿足趙縣農(nóng)業(yè)現(xiàn)代園區(qū)不同地域、不同區(qū)域的各級機構(gòu)、各合作單位之間高效率低成本的召開遠程培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流、科研協(xié)同等活動。

3.2 園區(qū)物聯(lián)感知、遠程控制系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)科研協(xié)同創(chuàng)新平臺重點包括園區(qū)航拍實景圖、遠程控制（圖2）、園區(qū)動態(tài)、課題管理、合作平臺等欄目。可實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)實時感知，數(shù)據(jù)在線統(tǒng)計、分析等，使生產(chǎn)與科研人員能夠通過廣泛的數(shù)據(jù)實時動態(tài)監(jiān)測與分析來解決科學(xué)問題，通過科研數(shù)據(jù)交換、融合、挖掘利用實現(xiàn)跨學(xué)科交叉創(chuàng)新，實現(xiàn)智慧化科研生產(chǎn)監(jiān)控、遠程化會商決策、協(xié)同化科研創(chuàng)新，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和科技創(chuàng)新提供新方法、新思路。

3.3 番茄病毒病預(yù)警系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺根據(jù)園區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)科研的實際需求出發(fā)，對設(shè)施蔬菜病害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)。目前已通過采集設(shè)施番茄病害發(fā)生的環(huán)境信息，建立了番茄病害數(shù)據(jù)庫，并運用大數(shù)據(jù)存儲、處理和分析方法，基于深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)與病毒病的發(fā)生進行關(guān)聯(lián)分析，構(gòu)建了番茄病毒病預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)，可實現(xiàn)設(shè)施番茄病毒病自動預(yù)警，突破傳統(tǒng)平臺閾值預(yù)警模式，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)連續(xù)積累的自定義預(yù)警。

設(shè)施番茄病毒病預(yù)警平臺第一部分對番茄病毒病進行介紹，包含典型癥狀，發(fā)病原因和防治措施;第二部分為預(yù)警信息，基于設(shè)施內(nèi)全天候?qū)崟r視頻與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，以日歷上出現(xiàn)紅色警鈴的方式進行病毒病預(yù)警提示（圖3）;第三部分主要進行藥品推薦，針對番茄病毒病的防治，以及防治措施的建議和藥品推薦。

4 結(jié)論與展望

目前，農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺不僅整合了園區(qū)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，建立了各駐園單位的視頻會商渠道，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合共享，并首次高效地利用傳感器設(shè)備收集的種植環(huán)境信息，構(gòu)建了設(shè)施番茄病毒病預(yù)警模型及預(yù)警平臺，有效地促進了趙縣現(xiàn)代園區(qū)向著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)以及科研協(xié)同的目標(biāo)靠近。趙縣農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺建立以來本地區(qū)的內(nèi)化政策利好導(dǎo)向明顯、資源要素聚集效應(yīng)增強、農(nóng)業(yè)科技成果產(chǎn)出與轉(zhuǎn)化能力逐步提升、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式升級步伐加快[12]。

在平臺投入運行中，新的需求不斷涌現(xiàn)，今后將通過孢子捕捉儀、蟲情燈、圖像識別系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷加入，繼續(xù)豐富和構(gòu)建更多的番茄常見病預(yù)警模型，進一步完善和豐富設(shè)施蔬菜病蟲害預(yù)警系統(tǒng)。同時繼續(xù)開發(fā)低功耗、高兼容性的大田氣象站，結(jié)合地理信息技術(shù)、多光譜技術(shù)，深入挖掘大田作物生長數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建小麥、玉米等大田作物產(chǎn)量預(yù)測模型、病蟲害預(yù)警模型，進一步豐富趙縣農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺服務(wù)生產(chǎn)和科研的能力，繼續(xù)發(fā)揮農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新助力本地區(qū)農(nóng)業(yè)實現(xiàn)智慧化跨越的功能。

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