基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 浩

（湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126）

智慧農(nóng)業(yè)是按照工業(yè)發(fā)展理念，以信息和知識為生產(chǎn)要素，通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)跨界融合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入和個性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[2]，為智慧農(nóng)業(yè)提供了重要基礎(chǔ)。智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚是應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個典型代表[3]，在智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)人才培養(yǎng)中，并非所有的教育和培訓(xùn)機構(gòu)都具備在智慧農(nóng)業(yè)大棚中開展實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)實條件，而隨著沙盤系統(tǒng)設(shè)計向通用模塊化方向發(fā)展，能夠在軟硬件層面以有限的資源集中體現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用場景，因此可利用沙盤模型模擬真實大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。以沙盤展現(xiàn)的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場景為教學(xué)引例，以其運行過程為教學(xué)演示、以系統(tǒng)的實現(xiàn)過程為教學(xué)內(nèi)容，形成有效的教學(xué)方式與手段[4]。除應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)外，也可針對真實的智慧農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)管理，以沙盤系統(tǒng)為載體，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大棚生產(chǎn)環(huán)境進行監(jiān)控，對各項生產(chǎn)環(huán)境指標(biāo)進行智能化分析并據(jù)此進行生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控。為此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種可同時應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)實訓(xùn)教學(xué)和智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理的農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)，為智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)實踐提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計

按照基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)架構(gòu)，即感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層（圖1），在學(xué)校教室內(nèi)或戶外制作智慧農(nóng)業(yè)沙盤模型，在沙盤有限的空間內(nèi)集中體現(xiàn)智慧溫室大棚的上述4個系統(tǒng)層次。

智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)以沙盤實體模型為載體（圖2），由環(huán)境感知和控制系統(tǒng)與配套軟件系統(tǒng)（服務(wù)管理平臺）構(gòu)成。沙盤可獨立模擬智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理的各個環(huán)節(jié)，為智慧農(nóng)業(yè)實訓(xùn)教學(xué)提供實操環(huán)境，還可與實際存在的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚相配套，支持觸控一體機、Web 應(yīng)用或利用智能手機App 通過4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)遠程實時監(jiān)控大棚生產(chǎn)環(huán)境，并可基于對各項環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，手動或自動地對大棚內(nèi)的控制設(shè)備下達指令，調(diào)控大棚生產(chǎn)環(huán)境，為大棚提供可視化、全天候、自動化的智能管理平臺。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)沙盤實體

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)搭建

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測 在沙盤或真實大棚內(nèi)安裝工業(yè)級傳感器進行實時數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測空氣溫濕度、土壤水分、光照度等生長環(huán)境指標(biāo)，如采用CO2濃度傳感器實時檢測CO2濃度；采用雨水傳感器實時檢測是否下雨及雨量的大小；采用風(fēng)速傳感器實時監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)量大小；采用風(fēng)向傳感器穩(wěn)定準確地采集環(huán)境風(fēng)向信號；采用土壤酸堿度傳感器實時監(jiān)測大棚內(nèi)部土壤pH等。采集的各項數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信等方式，以ARM智能網(wǎng)關(guān)為核心[5]，傳輸給服務(wù)管理平臺進行分析處理。

2.1.2 視頻監(jiān)控 通過部署攝像頭實時捕獲大棚內(nèi)部影像，用戶通過服務(wù)管理平臺可在控制中心的顯示器上實時查看大棚的各項環(huán)境參數(shù)，還可通過PC或手機APP遠程訪問的方式觀看大棚內(nèi)實時影像，對大棚內(nèi)部各項設(shè)備的運行狀況進行有效監(jiān)控。

2.2 軟件開發(fā)

以云服務(wù)為核心，整體使用spring +hibernate 框架進行設(shè)計，開發(fā)基于云計算平臺的服務(wù)管理平臺，所有代碼開放獲取，便于用戶使用和學(xué)習(xí)。采用通用分組無線服務(wù)（4G、5G、WIFI）組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入，使用websocket作為服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間、服務(wù)器和客戶端之間創(chuàng)建全雙工的數(shù)據(jù)通訊通道，便于云服務(wù)器推送和接收實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲采用SQL 數(shù)據(jù)庫和云存儲。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、查詢、分析通過應(yīng)用NET．ASP 及Flash技術(shù)在云平臺上開發(fā)和部署Web門戶網(wǎng)站實現(xiàn)。為保證平臺用戶的安全性，登陸采用仿oauth2.0 的token 認證機制，token 存儲放在redis數(shù)據(jù)庫中。用戶密碼通過根據(jù)時間變化的md5 加密后保存。使用Validate.js 的jquery 插件保證用戶輸入form 的格式正確性。

由感知層采集獲得的空氣、水、土壤等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)使用Datatable.js 的jquery插件為用戶提供清晰明了的數(shù)據(jù)表格，方便用戶進行排序和查詢等相關(guān)操作。通過jstl標(biāo)簽將數(shù)據(jù)進行動態(tài)輸出，使用chart.js的插件繪制數(shù)據(jù)折線圖，可對歷史數(shù)據(jù)走勢圖進行對比分析，并利用歷史數(shù)據(jù)預(yù)測大棚內(nèi)作物生長環(huán)境中各種因子的發(fā)展趨勢，提前發(fā)出預(yù)警。平臺管理指令的下達通過ajax 異步提交網(wǎng)絡(luò)通訊請求，使用socke.js 與服務(wù)器建立連接，獲取傳感器的實時數(shù)據(jù)以及向網(wǎng)關(guān)發(fā)送實時控制指令，對水泵、植物生長燈、加濕器、加熱器、溫室窗簾等實現(xiàn)控制。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

智慧農(nóng)業(yè)沙盤在湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)室應(yīng)用以來，學(xué)生依托沙盤模擬的真實智慧溫室大棚生產(chǎn)情景開展實訓(xùn)，直觀地感受大棚環(huán)境監(jiān)測相關(guān)硬件設(shè)備的運作過程，同時可在手機端的APP 和PC上登錄大棚管理平臺，實時查看各項環(huán)境指標(biāo)，并可對各硬件設(shè)備下達控制指令，對設(shè)備進行調(diào)度，對模擬的大棚環(huán)境進行調(diào)節(jié)，能夠在模擬場景中實現(xiàn)參與真實生產(chǎn)環(huán)境管理的操作體驗，由此更好地了解智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)在智慧溫室大棚中的應(yīng)用，通過實訓(xùn)過程更好地掌握所學(xué)的智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)理論知識，進而極大地提升了教學(xué)效果和學(xué)生實踐技能，獲得了師生的積極評價。通過應(yīng)用該系統(tǒng)，在拓寬教學(xué)領(lǐng)域、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式方面發(fā)揮較大的推動作用，促進了實訓(xùn)教學(xué)的職業(yè)化、專業(yè)化、現(xiàn)代化。

4 結(jié)語

基于標(biāo)準的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，融合多種信息技術(shù)，設(shè)計開發(fā)智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)，模擬真實的大棚作物生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，同時軟件代碼開源，可針對不同學(xué)校的教學(xué)要求和教學(xué)條件進行二次開發(fā)，自行定制軟硬件功能，對系統(tǒng)各組件和模塊自由拆分和重組，以更好地滿足教學(xué)或課題研究的需求，使用上優(yōu)于普通的電氣聯(lián)動沙盤。使用該系統(tǒng)開展教學(xué)實訓(xùn)，可實現(xiàn)較好的演示效果，促進教師和學(xué)生對智慧農(nóng)業(yè)，特別是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的認識和理解。另外，可將沙盤作為農(nóng)業(yè)智慧溫室大棚管理的載體，提高對大棚生產(chǎn)活動的管理效能。