農業物聯網管理系統的構建和應用

李智全，許 江，賈笑英，李建華，李曉波，王麗麗，辛 穎，張 俊2，

（1.海南省家墾科學院，海南 570206；2.北京家業信息技術研究中心，北京 100097；3.北京派得偉業科技發展有限公司，北京 100097）

引言

物聯網技術的興起，促進了現代農業轉型升級，改變了農業傳統的生產方式，加速信息技術在農業領域的科技融合。農業物聯網是通過農業信息感知設備對農業系統中生產環境要素、動植物生命體特征、農業生產工具等信息進行感知，并根據事先定義的協議進行信息交換和通訊，以實現對農業生產過程智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種信息化網絡[1]。物聯網技術應用于農業生產全過程中，可改變傳統農業粗放生產方式和弊端，優化作物生長環境參數，將各種農業資源有效利用，從而提高農產品質量和品質，真正實現農業現代化[2]。農業物聯網作為一項新型信息化集成技術，適用于農業產前、產中、產后的全產業鏈條，可以對農業生產、加工、物流、交易、消費各環節進行有效改造和提升，節約了現代農業的人力物力資源，是當代推動現代農業發展的最具影響力的信息技術手段[3-5]。海南省具有獨特的地理優勢，是我國唯一具有典型的熱帶亞熱帶氣候特征的省份，也是我國熱帶果蔬農產品的重要生產基地。2018年海南省全省蔬菜收獲面積394.64萬畝，蔬菜產量579.37萬噸；水果收獲面積260.43萬畝，水果產量410.14萬噸，比上年增長3.7%[6]。海南省農業物聯網雖然在一些農業企業和農業示范園區有應用，但是應用的層次還是比較低，應用范圍較窄[7]，由于其特殊的地理環境，海南熱帶農業面臨環境壓力、質量安全風險、勞動力成本上漲等難點，熱帶農業高溫高濕導致的病蟲害頻發的現狀，設計開發農業物聯網管理系統，有助于提升海南農業高新技術開發區入駐企業的農業生產管理水平和生產效益。

1 系統總體設計

為提高海南省農業生產管理水平，農業物聯網管理系統從農業生產、病蟲害防治、輔助決策等方面集成開發物聯網軟硬件設備，對園區不同設備的接口、數據進行集成管理，實現對種植環境的光、溫、水等環境信息的監測感知，實現歷史數據、實時數據的匯總和查詢，基于GIS地圖集中展示園區農業物聯網的應用分布、環境監測參數、生產監控，提供環境監測數據的多維度統計分析，為生產決策提供基礎數據，為海南熱帶農業的高質量發展提供技術支撐。農業物聯網管理系統包括首頁、氣象墑情、視頻監控、預警管理、統計分析、專家系統、系統管理等七大部分。

圖1 農業物聯網管理系統總體框架

2 系統搭建

2.1 開發環境

2.1.1 硬件平臺

主要為用戶提供應用程序服務，關系型數據庫的運行支撐環境。主要包括數據存儲、網站運行、數據填報、數據集成工具等應用。服務器的主要性能指標如下：

內存：＞8G

CPU：4CPU

硬盤：1T

2.1.2 軟件平臺

服務器操作系統：Windows server 2012 R2

數據庫：SQL Server2008

運行服務器：Tomcat

2.2 技術特點

系統基于J2EE研發，采用最新的技術框架，前臺使用Jquery及JavaScript技術，后臺采用Spring+SpringMvc+MyBatis框架。軟件主要分為數據層、服務層、業務層、通訊層、設備層和表現層。

數據層：以數據保存為核心，建立分類數據庫，實現信息資源的整合、共享和統一管理，需要統籌規劃、統一標準、分工協作，建設數據庫群，實現信息資源的整合和共享，避免重復建設和標準不統一造成的資源浪費。

服務層：平臺服務層是平臺的技術支撐層，包含統計分析引擎、報表服務、數據倉庫組件等各種服務引擎和服務策略。

業務層：通過用戶接口為不同的用戶提供信息查詢和交互服務，并通過信息采集傳輸網絡實現檔案數據采集和各個環節數據傳輸與共享。

通訊層：通訊層支持多種數據傳輸方式，提供高效的、安全的數據交互通道。

設備層：軟件能夠掛接多種終端設備，自動完成各種格式的數據轉換和交互。

表現層：軟件支持各種數據展現和交互方式，實現了門戶網站的服務與交互。友好的用戶界面為用戶提供完善的查詢服務，方便生產者管理農業生產。

2.3 系統平臺構建

農業物聯網管理系統采用當前主流的B/S架構，基于SOA架構，以JAVA技術為基礎，遵循J2EE標準，采用基于XML與Web Services組件化開發模式，實現了業務模塊/組件的松耦合，易于擴充升級、易與其他系統集成、易應用維護。軟件開發平臺具有先進性、穩定性，中間件、開發工具采用的是國際業界主流產品。

項目軟件體系結構采用模塊化和分層的設計思想，將系統架設在應用層、服務層、數據層等多個層次上，數據服務器專門存放數據，應用服務器提供各類服務組件來訪問數據服務器和響應客戶端的請求，瀏覽器端只顯示結果和發出請求。這種模式的系統安裝、維護較為簡單，系統的修改和升級后只需在應用服務器端進行即可，用戶操作起來比較容易上手。軟件功能模塊的疊加和擴充非常方便，整個系統的開發實施和完善可以分步進行，可以方便地擴充，能夠滿足目前系統業務的發展需要。

項目軟件提供標準的數據采集接口、基礎數據接口，定義數據結構、數據類型及通信規則，與數據采集設備進行數據交互。提供標準硬件設備管理功能的接口，與基于物聯網傳感器、視頻監控等硬件設備進行數據對接和交互。提供平臺系統與門戶網站接口，實現數據對接和交互。

3 系統主要功能模塊

3.1 氣象墑情模塊

氣象墑情模塊包括遠程監測空氣溫度、空氣濕度、風速、風向、降雨量、太陽輻射等環境信息，為作物生長提供實時環境監測手段，為惡劣環境下采取應急措施提供必要數據支撐。監測數據通過GPRS/3G/4G網絡上傳至指定云端服務器，用戶可通過客戶端軟件、手機APP或者WEB服務等應用系統查看實時監測數據及調用歷史數據，同時實現數據的下載及導出。

圖2 氣象墑情實時數據及24小時數據查詢

3.2 視頻監控模塊

視頻監控模塊由攝像機、無線網橋、網絡硬盤錄像機、硬盤、交換機等組成，通過實時畫面，實時監測到作物的生長情況、病蟲害狀況、工作人員的作業過程等信息，作為數據信息的有效補充，有助于管理人員對基地作物生長關鍵環節進行追蹤，及時發現各種不良狀況，保障基地的生產活動與設施設備的正常運轉。用戶可以進入實時視頻查看界面，可進行1X1、2X2、3X3 視頻墻查看，同時根據右側的視頻導航欄，實現攝像頭的控制，包括方向控制、鏡頭拉縮、光圈調整、圖像抓拍、視頻錄像以及預置位的切換等操作，對于已抓拍的圖像、視頻可以進行批量管理。

3.3 預警管理模塊

依據不同作物品種對生長環境的要求，充分結合空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量、二氧化碳濃度及光照強度等環境監測數據，針對作物生長環境信息進行監測預警，當大田環境監測值超過閾值時，進行報警提示，提醒操作人員及時采取相應的生產管理措施，為作物長勢、災害預測和防治提供科學、合理的輔助決策支持。同時發布的極端氣象災害天氣的預警，指導用戶及時做好相關生產的防護措施。

3.4 統計分析模塊

利用統計組件對基地環境監測指標（風速/風向、降水量、空氣溫濕度、太陽輻射強度、土壤含水量、土壤溫度）進行可視化分析。按照時間維度分析日均溫度/濕度、月均溫濕度、年均溫濕度、24小時降雨量、月累計降雨量、年累計降雨量、日均風速、月均風速、年均風速等指標的變化情況。

3.5 專家系統模塊

專家系統模塊整合科研、教學、推廣、生產、服務、使用等各方面的社會資源，以農業專家和農業知識為核心，建設一個全面、專業、快捷、方便的診斷與服務功能于一體的專家服務系統，為農業生產應用提供實時、動態和準確的作物病蟲害診斷與處理信息。輔助用戶根據作物根部、莖部、葉部和花果等特征，通過建立病蟲害氣象條件預警模型與病蟲害分析模型，進行病害或蟲害診斷，達到“早發現、早預防、早治理”的目的。用戶可以選擇觀察到的根部、莖部、葉部和花果發病特征，系統將根據規則判斷出可能發生的病害或蟲害，根據診斷的病害/蟲害，用戶可通過防治方法查看該疾病的防治措施，為基地主要農作物生產、管理、病蟲害診斷防治提供良好的技術服務。

3.6 系統管理模塊

系統管理模塊主要實現基地信息、作物管理、地塊管理、設備接口管理、環境預警設置、病蟲害診斷管理等管理內容。

基地信息、作物管理、地塊管理都是對基地的基礎信息內容進行管理，是保障一個基地信息化工作順利進行的基礎。包括基地名稱、占地面積、地理坐標、位置、主要作物、簡介等基地基本信息，作物分類、種植品種、地塊名稱、地塊位置、主要種植作物、種植面積等基地種植詳細信息。

圖3 病蟲害診斷界面

設備接口管理、環境預警設置、病蟲害診斷管理是對基地設備進行控制管理，是實現農業物聯網管理系統自動化管控的必要條件。設備接口管理實現基地氣象墑情站、視頻監控站等設備的添加、基本參數的配置等管理。環境預警設置實現不同作物最佳生長環境范圍的設定，當實際生產環境超過這個理論范圍時，則進行生長環境異常的提醒。病蟲害診斷管理主要是病蟲害診斷知識規則的管理與添加。

4 系統應用成效

本系統已在海南省桂林洋國家熱帶農業公園新果園橋南基地、桂林洋國家熱帶農業公園新果園橋北基地、昌江縣農墾科學院昌江基地、桂林洋高新產業園區農民作物種植基地等多個示范基地開展了技術推廣及應用示范，推廣面積達15 000畝以上。

桂林洋國家熱帶農業公園新果園橋南基地利用農業物聯網管理系統開展綠色生態化種植管理應用技術推廣，總結示范基地多果樹品種、防風林建設、活體覆蓋等多種作物種植營造的生態環境優化對矮種椰子、太平洋橄欖生長的良性影響，及運用氣象墑情監測，環境預警管控，運用綠色防控技術等達到降本增效、保護生態環境等效果；桂林洋國家熱帶農業公園新果園橋北基地和昌江縣農墾科學院昌江基地開展預警管理模塊應用技術推廣，觀察作物生長物候、病蟲情，氣候、土壤墑情、物候、病蟲情發生結合發布病蟲情預報及指導病蟲防控，定期發布病蟲害預警簡報；桂林洋高新產業園區農民作物種植基地根據具體作物品種制定方案，開展病情、蟲情調查，建立生產檔案，開展農產品質量檢測，結合信息技術融合與農業綜合生產應用，實現對農業基地生產各方面信息的統一管理、集中分析、分布決策和有效控制，為相應的管理決策提供技術與設備支撐。

農業物聯網管理系統的應用推廣有效地提升了海南省桂林洋國家熱帶農業公園新果園橋南基地等示范基地的信息化管理水平，提高海南熱帶農業生產效率，降低生產投入，減少熱帶作物的病蟲害危害，從生產效率、工作效率、農民增收節支、農產品質量安全和農業生態環境的改善等方面帶來巨大的經濟效益，同時有助于加快農業的現代化步伐，推動海南農業向智慧化、精準化、信息化方向發展。

5 結語

農業物聯網管理系統充分將物聯網技術應用到現代農業發展中，通過對示范基地種植環境的空氣溫濕度、風速風向、降雨量、太陽輻射等環境信息的監測感知，實現環境與視頻數據采集、傳輸、遠程監控等功能，提供實時數據的展示查詢與歷史數據的統計追溯，結合行業標準和特定作物品種對環境條件需求，設置環境監測閾值，針對作物生長環境信息進行監測預警，以輔助決策和指導生產，從而實現現場無人值守情況下農戶對作物生長狀況的遠程在線監控，為農業生產、品種選育、精準灌溉施肥、病蟲害控制等提供支撐與服務，有效提高了農業生產管理水平和生產效率。物聯網技術在農業領域中的應用處于快速發展階段，是現代農業發展的必然趨勢和未來農業發展的主要方向，為現代化的智慧農業發展打下堅實的基礎[8]。