農業物聯網工程技術智能管理系統

李娜 江鑫 陳永琪 陳奇 郭玉霖

(江蘇農林職業技術學院,江蘇 鎮江 212400)

引言

隨著計算機技術、物聯網技術和人工智能等新型信息技術的出現和發展，這些新型技術也逐漸應用于農業設施，使農業逐漸向智能農業方向發展，而智慧農業利用網絡、云計算，依托大量傳感器和網絡對種植地覆蓋，利用農業物聯網技術對相關作物的生長環境進行有效追蹤和管理。雖然物聯網技術與農業相結合的智慧農業能有效提高產能，避免資源浪費和環境污染，但是由于構建一整套的傳感器網絡成本極高，對于目前農村形勢來說是不可能大規模推廣的。而且物聯網目前是新型的信息技術，相對還不夠成熟，可能會出現高投入低收益的情況。為了解決此類問題，本文采用了物聯網技術中的嵌入式技術，利用嵌入式技術搭建平臺，極大地降低了構建平臺的成本。同時也使得對整套系統的控制變得簡單，讓各個硬件設施發揮出最高的性能，而不沖突。這種方式有效地優化了農業物聯網系統，使其可以更迅速、更準確地對相關農作物生長的環境做出有效追蹤和管理，并提出更充分、更有效的預判、分析和指導。

本文所設計的農業物聯網智能管理系統對傳感器的數據進行實時采集儲存和分析，并對這些數據進行周期性的整理，同步分析相關農作物的情況，進而給出精確定位的科學診斷以及相關的指導建議，大幅度提升生產力。整套系統以網絡技術實現連接，提高了整個系統的穩定性和可靠性，構建了一個高效的框架，使用成本和使用難度都大大下降。利用更低廉的生產投入實現更為理想的收入，同時避免了環境的破壞和資源的浪費，使土地實現最大的經濟以及環境收益。

1 系統構建

農業智能管理系統是以軟硬件相結合的方式構建的，硬件裝配相關芯片，能夠通過Wi-Fi無線通信技術，遠程遙感等相關技術實現控制各個傳感器，收集各個傳感器的采集數據，并將數據進行匯總，打包上傳到軟件終端，在系統內部對數據分析，并連接大數據找到相關的方案，為用戶提供智能的解決方案，及時糾正異常情況，實現收益最大化。

系統以典型的智慧溫室大棚、智慧生態畜禽養殖、智慧水產養殖作為虛擬對象，將生產場景與背景、農業物聯網設備、執行機構、種養殖簡單生長規律等虛擬，采用真實的工業通訊協議、真實的Web、App智慧農業管控編程體系與平臺，完全開放式地實現了農業物聯網工程虛擬預算、農業物聯網工程智慧控制、農業物聯網基礎設備虛擬安裝與調試、智能農業先進算法研究等實驗實訓功能，產品同時也能作為成熟的農業物聯網工程設備服務于現代農業。基礎架構如圖1所示。

2 系統架構

2.1 整體結構圖

智能溫室大棚的建設主要包括溫室大棚內的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度。根據農作物生長條件來改變溫室大棚內的環境使農作物能夠生長在適宜的環境當中，搭配各種外置傳感器，分別監測空氣溫度、空氣濕度、當前地點風速、當前地點的風向、CO2濃度、pH值、土壤溫度、土壤濕度和光照等環境參數，并且通過Wi-Fi無線傳感網絡技術進行實時上傳儲存，在數據儲存后進行整理分析。方便用戶遠程查看目標區域的各項信息。整體設計方案如圖2所示。

2.2 遠程控制

為了實現自動化處理，會在檢測地點安裝一系列儀器、設備進行調控，調控一般自動化，但是也有手動控制操作。其原理是通過使用物聯網技術實現對相關地點在同一局域網絡下所有設備的遠程操控的功能，最終效果為用戶可以在軟件端中實現對整個農業物聯網系統進行實時調控。

2.3 預警系統

針對不同農作物的所需環境，查找相關環境數據設立一個報警線，在數據進行傳輸分析時進行數據對比，一旦發現采集數據與系統設置報警線的數據嚴重不符時(即數據差別在預設誤差值以外)，會通過軟件端對用戶進行實時報警，以提醒用戶出現異常，方便用戶及時采取調整環境的措施，避免造成不必要的損失，使得農作物處于最佳的生長環境，能夠正常生長發育，保證了最大的經濟效益。

2.4 報表管理

通過網絡收集到的各個傳感器的數據，在農業物聯網智能管理系統軟件平臺中進行二次數據整理，整理后的數據儲存在表格中，繪制對應的圖像(所繪制的具體圖表看設定圖表格式)，可以實時調出查看，并進行疊加分析，找到規律性，便于后期的人為觀測分析，并能及時采取預防(或治理)措施。

2.5 視頻監控

目前市面上大量使用網絡監控系統，彌補了非數據錯誤的意外發現，如動物偷食、人為破壞等，實現了遠程網絡視頻服務，在檢測點設置視頻采集點(攝像頭)，每個攝像頭都將實時圖像傳輸到農業物聯網智能管理系統的軟件端，凡是在有網絡覆蓋下的攝像頭都可以通過軟件端進行觀看，通過關聯攝像頭可以更好地觀看農作物的現場狀況(攝像頭可以通過手動控制轉換監控方向)，達到實時觀察農作物長勢以及避免園區農作物丟失的目的。

3 農業物聯網技術應用

在作物生長范圍內安裝傳感設備，并覆蓋網絡，通過約定的協議可以將農業環境與網絡相連接。基于Wi-Fi無線網絡技術、RFID技術和傳感網絡技術的發展，對傳感器采集的各種信息進行數據分析、整理，發布在軟件端，并給予相關解決措施，讓用戶及時做出調試，智能控制農作物生長的最優環境，以達到最適合農作物生長的條件。

3.1 技術解析

Wi-Fi技術的使用，把各種傳感器設備與局域網相連，實現數據的無線網絡傳輸。

RDID技術對于整個系統中通過接收頻率信號實現數據分析處理，并把數據傳輸到云端，實現對數據信息的控制。

傳感網是物聯網的核心技術，主要是用于信息交換和傳輸，同時具有數據儲存的功能。

3.2 經濟社會效益

3.2.1 節省人員投入

通過該農業物聯網智能管理系統，利用物聯網技術能夠基本實現范圍區內的自動化控制，大大減少了農業作業人員投入，降低了勞動強度。

3.2.2 節省資源投入

通過大量的傳感器對目標區域的環境進行監測，能夠相對準確地掌握農作物生長的基本情況，并進行科學的施肥、灌溉、除蟲等操作，大大減少了化肥、灌溉用水和農藥的使用。

3.2.3 保護環境

對于目標區域的智能監測，減少了大量不必要的物資投入，降低了肥力過剩、土地鹽堿化等環境問題，保持了良好的土地肥力，延長使用時限，保護了環境。

3.2.4 增加產量，提升品質

通過農業物聯網智能管理系統對農作物的環境分析和調整，使得農作物處于最優的生長條件，極大地提高了種子的存活率，大大縮短了育種和成熟的周期，因為精確的施肥灌溉，農作物的品質也大幅度提高。

4 農業物聯網智能管理系統

本系統利用物聯網技術，選取不同類型的外置傳感器，收集檢測區域內的環境數據和視頻數據，通過通訊技術將數據進行整理，并上傳至農業物聯網智能管理系統的軟件平臺，平臺對于這些數據進行二次整理，對相應程序進行數據分析、處理。農業物聯網智能管理系統平臺是整個物聯網系統的核心和大腦，承擔著數據儲存、分析、報警、制表等功能，是串聯起所有儀器設備的關鍵節點。系統展示如圖3所示。

農業物聯網智能管理系統的主要功能為實時監控、數據分析、預警信息、報表管理以及系統管理。其中，監控數據顯示以及預警包括目標區域農作物生長環境數據信息、農作物個體生長狀況信息等實時數據展示、預警，前端高清視頻的查看和回放。數據統計分析和決策指導，即系統根據實時數據制作表格并繪制各種圖表，如農作物生長于環境對比圖，并對這些圖表進行疊加分析展示，進行關聯性分析，并對問題進行相關的大數據搜索，指導用戶進行優化。策略編輯界面如圖4所示。

遠程操控功能指，用戶可以通過軟件端(手機App或者PC端)進行遠程手動控制設備，如查看到相關作物有缺水的情況，用戶可以手動開啟灌溉設備，也可以通過設定進行自動灌溉操作。

當前中國農業的生產方式依然以傳統生產模式為主，對于農作物生長環境的管控仍停留在依靠經驗上。以當前情況來說，種植環境監測困難，技術十分落后。系統將現在新興的信息工程技術(物聯網技術)應用在傳統農業的生產當中，建立起一個集環境監測、遠程控制、情況預警、生長狀況分析于一體的綜合性農業物聯網智能管理系統，實現了遠程實時監控(環境監控和視頻監控)等多項便利功能。只要有網絡，管理人員和用戶都可以通過軟件端登錄到該系統的平臺上，查看各種環境參數、歷史曲線、視頻監控等信息。由于采用了新興的連接技術，操作極其簡單，只需專業人士定期對該系統各組件進行檢查和調試，極大地方便了用戶，且便于用戶能夠隨時隨地對目標區域進行監控和管理，讓農作物處于最優的生長環境，創造更大的經濟利益。

5 結束語

隨著國民經濟水平的快速增長，現代農業產業得到長足發展，現代化設施農業的技術研究和應用推廣越來越受到社會重視，傳統的農業形勢紛紛進行現代化改造，這對于促進我國的經濟發展有著重要的影響。通過物聯網技術加強農作物種植地的自動化管理，注重農作物在種植過程中各種物聯網應用技術的合理運用，對生長空間的優化、改革產生了巨大的幫助，通過科學有效的方法擴大產能、提升品質。滿足當下人們對生活物質需求的同時，為現代農業的改革做出新的嘗試，增強農產品的營養價值、產量、質量，提高農業的自動化、機械化與智能化。利用和發展智慧農業是我國“四化同步”的國家戰略，是加快轉變農業現代化建設的迫切需求，有助于促進信息化與農業現代化深度融合，推動農業全產業鏈的改造升級。

隨著智慧農業的不斷發展，其會形成一個行政引領、社會保障、市場促進、民眾支持的良性循環模式，體現了長遠發展的潛力和可能性，對于社會生產的發展發揮巨大的價值。