九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王聰 徐勇 張晨 王東印

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

引言

黨的十九大提出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，開(kāi)啟了加快我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的新征程。《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》建立了鄉(xiāng)村振興指標(biāo)體系，提出了推動(dòng)城鄉(xiāng)融合發(fā)展、加快城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通等政策舉措[1]。近年來(lái)，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的加速涌現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)已完全開(kāi)放，進(jìn)入了世界經(jīng)濟(jì)循環(huán)，我國(guó)要發(fā)展農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，才能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力和競(jìng)爭(zhēng)力。隨著數(shù)字與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)飛速發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展也面臨著全新的技術(shù)變革，數(shù)字技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的運(yùn)用，不僅極大地改變了我國(guó)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，更能切實(shí)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)[2]。

隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，智慧農(nóng)業(yè)也在不斷的改進(jìn)并趨于成熟，智慧農(nóng)業(yè)是運(yùn)用傳感器和軟件通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)或者電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與控制，是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改變[3]。應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)可視化等先進(jìn)的技術(shù)和方法，建設(shè)九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)，將九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)打造成為現(xiàn)代化新型農(nóng)場(chǎng)，本文對(duì)九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)簡(jiǎn)介

永吉縣九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)成立于2013年，坐落在吉林省永吉縣一拉溪鎮(zhèn)，該農(nóng)場(chǎng)擁有現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)備60多臺(tái)套，耕地300余hm2(含流轉(zhuǎn))，現(xiàn)代化育苗大棚60棟(共2.8hm2)，1座20t智能水稻催芽車(chē)間，1座25萬(wàn)kg種子糧食保鮮庫(kù)，2座220t自然風(fēng)烘干塔，建有工人食堂、宿舍、學(xué)習(xí)培訓(xùn)與辦公于一體的綜合樓，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場(chǎng)與農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝、農(nóng)技相結(jié)合，以規(guī)模化生產(chǎn)、集約化經(jīng)營(yíng)、產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)家庭農(nóng)場(chǎng)。項(xiàng)目組和九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)合作建設(shè)了九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)。

2 九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文依托科技項(xiàng)目，利用九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)的現(xiàn)有資源，在項(xiàng)目組專(zhuān)家的指導(dǎo)下，在同九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)長(zhǎng)期合作的科技企業(yè)配合下，共同為九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)建設(shè)了九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)。九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)包含水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)、育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)。九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)適用于普遍的種植業(yè)，該平臺(tái)涉及生產(chǎn)、管理、組織等多個(gè)方面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)的應(yīng)用，在育苗、播種、種植、管理、收獲等多個(gè)環(huán)節(jié)都做到了智能化，解放了大量勞動(dòng)力的同時(shí)，能夠更精準(zhǔn)地計(jì)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間和比重。在農(nóng)作物種植和培育階段能夠更及時(shí)進(jìn)行施肥、除草、灌溉等養(yǎng)護(hù)程序，種植更科學(xué)、更專(zhuān)業(yè)。在農(nóng)業(yè)管理方面，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，分析土壤水肥情況，準(zhǔn)確給予補(bǔ)充，更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)良種植[4]。精準(zhǔn)施肥，精準(zhǔn)噴藥除草、殺蟲(chóng)，能有效減少化學(xué)制劑對(duì)土地的損害。

2.1 服務(wù)器方案設(shè)計(jì)

根據(jù)九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及視頻流媒體情況，服務(wù)器方案設(shè)計(jì)：為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)接收和指令發(fā)送的通信服務(wù)器；面向用戶(hù)對(duì)象服務(wù)器(包含Web服務(wù)、移動(dòng)端服務(wù))；處理流媒體視頻服務(wù)的RTMP服務(wù)器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備通信服務(wù)器與九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)感知層通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送設(shè)備控制指令。總控制器和節(jié)點(diǎn)控制器時(shí)間對(duì)齊，控制傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)間同步，以水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)為例，其傳感器數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫(kù)信息表，如表1～4所示。

表1 傳感器數(shù)據(jù)采集信息

表2 傳感器數(shù)據(jù)采集信息

每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)控制器管理、控制，下設(shè)3個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)土壤深度分為10cm、20cm、30cm、40cm，4個(gè)深度采集土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

表3 傳感器數(shù)據(jù)采集信息

RTMP服務(wù)器通過(guò)RTMP協(xié)議搭建流媒體服務(wù)器。RTMP是Real Time Messaging Protocol的簡(jiǎn)寫(xiě)。RTMP是應(yīng)用層協(xié)議，其是基于TCP實(shí)現(xiàn)的。消息(Message)是 RTMP 協(xié)議的基本單元。當(dāng)建立連接后，服務(wù)器與客戶(hù)機(jī)之間通過(guò)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RTMP服務(wù)器應(yīng)用RTMP協(xié)議能有效解決多媒體數(shù)據(jù)傳輸流的多路復(fù)用(Multiplexing)和分包(packetizing)的問(wèn)題[5]。

表4 傳感器數(shù)據(jù)采集信息

面向用戶(hù)對(duì)象服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)能通過(guò)大屏幕、計(jì)算機(jī)以及移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、平板電腦等)通過(guò)數(shù)據(jù)可視化的方式獲取數(shù)據(jù)信息，并向控制器發(fā)送操作指令。面向用戶(hù)對(duì)象服務(wù)器采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，MVC模式，包含View用戶(hù)界面、Model業(yè)務(wù)模型、Controller控制器3層。具體程序設(shè)計(jì)本文不做詳細(xì)描述，用戶(hù)界面見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

圖3 水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

2.2 水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)擁有數(shù)千畝良田，如何管理、如何掌握農(nóng)田的狀態(tài)、了解水稻的長(zhǎng)勢(shì)，靠人工成本太高，浪費(fèi)了人力、物力、資金和時(shí)間，許多情況也得不到及時(shí)、詳細(xì)的反饋。應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在300hm2水田中建設(shè)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)基站，分區(qū)設(shè)置多組攝像頭對(duì)農(nóng)情進(jìn)行視頻監(jiān)測(cè)解決了這一問(wèn)題，讓管理更加科學(xué)，大大減少了人力、物力、資金和時(shí)間的浪費(fèi)。

水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)架構(gòu)是按照物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)設(shè)計(jì)的，分為3個(gè)層次，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層[6]。感知層是水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，是信息采集的關(guān)鍵部分，主要是使用環(huán)境參數(shù)傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，包含空氣溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、太陽(yáng)輻射、土壤溫度、土壤濕度、蟲(chóng)情。網(wǎng)絡(luò)層的功能是將感知層中傳感設(shè)備獲取的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議上傳至應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的深度結(jié)合，到達(dá)農(nóng)業(yè)信息的快速、準(zhǔn)確傳輸，傳輸層是水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)到通訊中心，也是核心之一。應(yīng)用層是水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)架構(gòu)的頂層，是智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的平臺(tái)，是用戶(hù)與系統(tǒng)之間信息交互的窗口。應(yīng)用層通過(guò)可視化的方式，將水田現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)信息展示，并將田間架設(shè)的攝像頭視頻信號(hào)的實(shí)況顯示，根據(jù)顯示的不同水田現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息和視頻信號(hào)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)有效的指導(dǎo)，通過(guò)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的意外狀況快速處理，在做到對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)把控的同時(shí)，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益到達(dá)最大化[3]。

2.3 育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)

育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)架構(gòu)也是按照物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)設(shè)計(jì)的，與水田環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)不同的是，育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)包含控制功能。在應(yīng)用層包含操作層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行，如操作層收到灌溉和施肥的指令后，打開(kāi)水泵和閥門(mén)，根據(jù)作物生長(zhǎng)灌溉水和肥料所需的時(shí)間、數(shù)量進(jìn)行噴淋。傳輸層還包含應(yīng)用層將控制信息傳遞給感知層的過(guò)程。

九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了種苗規(guī)模化生產(chǎn)、商品化供應(yīng)，在滿(mǎn)足自身種植的基礎(chǔ)上，也為周邊農(nóng)戶(hù)提供了水稻育苗服務(wù)。育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)采集大棚中的土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照度、大氣壓等作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控分析，及時(shí)了解環(huán)境變化。通過(guò)控制設(shè)備進(jìn)行卷簾，調(diào)節(jié)光照、通風(fēng)和保暖，控制噴淋操作調(diào)節(jié)土壤水分。通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制，來(lái)滿(mǎn)足幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的需要。

圖4 育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)

圖5 育苗大棚自動(dòng)控制噴淋

圖6 移動(dòng)端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取

育苗大棚在育苗后種植了蔬菜，供家庭農(nóng)場(chǎng)員工食用，同樣使用了育苗大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化與控制系統(tǒng)進(jìn)行管理，讓大棚蔬菜種植變得便捷。

3 總結(jié)

智慧農(nóng)業(yè)是依托生物技術(shù)、智能農(nóng)機(jī)、信息技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入和個(gè)性化服務(wù)5大功能的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，智慧農(nóng)業(yè)是中國(guó)農(nóng)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向[7]。九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)幫助九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)提升了管理水平、提高了工作效率、減少了勞動(dòng)力的投入、降低了成本、增加了收入，促進(jìn)了其農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。九月豐家庭農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)同樣適用于其它家庭農(nóng)場(chǎng)，能為更多的農(nóng)民創(chuàng)造更多的價(jià)值。