智慧農業可視化監測系統應用研究

摘" 要：為解決傳統種植管理中粗放的生產經營模式，優化農作物必要生長環境條件，解決農作生產勞動強度大、勞動力不足的問題，智慧農業精細化管理的研究勢在必行。課題組自主設計一款智慧農業可視化監測系統，基于IoT物聯網控制技術搭建，可視化系統采用PLC與昆侖通態顯示屏技術進行云組態。硬件云端設備采用DAMT2888型多路主控設備，數據交換采用Modbus通信協議，數據傳輸采用485總線傳輸方式。該系統實現“農業環境監測+水肥一體化灌溉+專家指導系統”的農業信息采集一體化解決方案。監測數值實現本地控制與聯網控制同步，通過小程序和APP等進行遠程調控。農業數據及設備狀態清晰顯示，有效輔助農業種植戶指導科學的農作生產經營管理。

關鍵詞：智慧農業；可視化；云平臺；環境監測；種植管理

中圖分類號：F327" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）14-0017-04

Abstract： In order to solve the extensive production and management mode in traditional planting management， optimize the necessary growth environmental conditions of crops， and solve the problems of high labor intensity and labor shortage in agricultural production， the research on fine management of smart agriculture is imperative. The research group independently designed a visual monitoring system for smart agriculture， which is based on IoT （Internet of Things） control technology. The visualization system uses PLC and Kunlun normal display technology for cloud configuration. The hardware cloud equipment adopts DAMT2888 multi-channel main control equipment， the data exchange adopts Modbus communication protocol， and the data transmission adopts 485 bus transmission mode. The smart agricultural visualization system realizes the integrated solution of agricultural information collection of \"agricultural environmental monitoring + integrated irrigation of water and fertilizer + expert guidance system\". The monitoring data can realize the synchronization of local control and network control， and carry out remote control through Mini Program， APP and so on. Agricultural data and equipment status clearly show that it can effectively assist agricultural growers to guide scientific agricultural production and management.

Keywords： smart agriculture; visualization; cloud platform; environmental monitoring; planting management

我國農業生產分布地域廣，種植條件地形多樣。華北地區山地丘陵較多，大面積農業機械化作業受限，山地可采用小面積設施農業進行改善，如春秋大棚、日光溫室、聯動玻璃房等。采取一些必要的環境因子改善措施，可克服氣候對溫度濕度方面產生的不利影響，營造一個相對可控的生長環境[1]，達到春提前、秋延后的生產管理效果，這樣對于種植戶提高經濟效益效果顯著。大田生產依賴氣候影響較大，水肥利用率低、無機物流入水體造成水資源污染，無機化肥的大量使用和投入，造成土地板結、環境污染時常發生[2]。這種情況下，傳統生產方式帶來的農戶經濟損失及環境污染代價沉重，因此引入現代化智慧式農業勢在必行。

1" 智慧農業背景及政策

現階段，我國北方地區四季氣候明顯，多數在丘陵山地種植糧食果蔬，農業經營生產主要依靠種植戶多年積累的生產經驗進行管理。據學者調查，多數農業生產者缺乏科學合理的農作生產指導。為了實現農作生產的效率提高、科學高效，提高農業設施的管護水平、條件及生態環境控制方式，優化環境監控信息采集方式成為提高農作生產效率的關鍵現代化技術[3]。智慧農業云平臺節點多由精度高、功耗低、組裝便攜的智能傳感器構成，可以實現實時監測、感知、采集和處理多種環境信息，并對采集指標進行分析及時向種植戶及專家報告農情。

國家支持智慧農業發展的政策有《中共中央、國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》《“互聯網+”農產品出村進城工程試點工作方案》等。另外，地區政策支持力度加大。如長治市人民政府辦公室發布《長治市人民政府辦公室關于印發長治市支持第一產業高質量發展補充政策的通知》。要求加大實施“特”“優”戰略，推進第一產業高質量發展，夯實現代農業發展的基礎，保證實現農業穩產和保供，在執行《長治市支持第一產業高質量發展補貼政策》的基礎上，制定了補助政策：設施農業新完成智能化改造等自動化管控，實現溫度、光照、二氧化碳、濕度和肥水等有效監測、覆被式全鋼大棚和連棟溫室，每畝（1畝約等于667 m2）補貼1萬元。

2" 智慧農業監測功能

通過對蔬菜大棚、農作大田主要生長環境數據的實時監控與監測，巡線數據實現實時上傳與查詢，監測數據通過云端智能分析給出處理結果，實現了閾值狀態預警并做出可能性預測，為農作生產提供科學決策依據[4]。監測目的主要有監測數據實時管理，對監測數據進行接收、報警、管理及曲線成圖等；采用實時回傳技術，監測到大田的CO2、光照、溫濕度變化情況以及土壤含水率、EC值、土壤溫度和土壤肥力等情況。農業監測數據管理系統可實現云數據中心、農業數據回傳中心以及總站主機數據中心的采集數值共享。

3" 智慧農業云平臺設計構架

根據多年來對團隊農作生產的摸索，山西機電職業技術學院機械工程系現代農業制造團隊自主研發設計了智能化農業管理平臺。本平臺結合農作物生長所需必要環境條件，利用大數據、物聯網、云計算和移動互聯傳輸等技術，有效改善傳統農業生產現狀。智慧云平臺提供環境監控、數據集成、資源整合、農情管理、農業營銷和農戶社交等服務，提升農業產前產后管理效率，打通各個環節，打造一個全方位、高集成性的智能農業大數據管理平臺。

3.1" 監測系統交互功能

可實現的功能有實現數據庫的交互。根據農業大數據報表，提供個性化農業定制需求，形成一系列發布數據的交互機制，設計數據采集相關程序，完善平臺上軟硬件周期運轉。數據的圖表化展示，對數據進行基礎統計分析、查閱、展現初步應用。實現農業大數據管理人員的平臺信息交流。建立起農友圈，通過農業信息的互通互助，聯動涉農協會組織的共同發展。建立農業咨詢平臺，開設農業專家問答及農情信息發布平臺，打破傳統生產管理經營經驗。打造農業電商服務平臺，有效增加農業種植戶收入。

3.2" 監測系統云平臺子系統

本監測監控子系統有：①智慧大棚環境監測系統、大田環境監測系統；②土壤墑情監測系統、災情，苗情監測系統；③水肥一體系統、視頻監控系統；④農業大數據平臺系統。以上系統堅持經濟實用、科學先進的原則，規范化搭建。

4" 水肥一體系統

本系統監測原理為：1）構建智能型、經濟型的大田、大棚水肥一體化系統[5]。該系統可通過田間電磁閥、電動控制灌水閥門，實現智能水量灌溉，從而達到建設高標準、示范化基地的目的。2）設計遠程施肥系統，實現水肥一體化控制；在大量節約人工的同時，提高施肥的效率，促進蔬菜生產、水果種植，做到品質優、產量高。3）設計農業大數據平臺與農產品溯源平臺結合，為農業所有田間大數據做好歷史記錄與回溯，同時做好農產品生產節點追溯系統，使企業生產規范化、流程明晰化，讓老百姓切實了解農產品生產加工的環節。吃上安心菜是每個百姓的心聲。水肥一體系統灌溉示意圖如圖1所示。

設備選型為水肥一體機，設備特點有：①功能強大，既可用于固態肥也可用于配方液態肥；②智能化電腦控制，可根據作物不同生長期，設定灌溉時間、施肥時間、灌溉方式等，定時定量保證肥料，作用于作物主要根層，精準施肥、科學配肥避免肥料浪費，實現高效；③攪拌功能，方便肥料均勻混合、溶解充分；④注肥壓力調節，可適應于滴灌、微噴、噴灌、卷盤和指針噴灌機等不同產品設備的灌溉形式；⑤控制面板有簡明按鍵的說明，簡單易懂易操作。

設備主體采用鋁合金框架結構，堅固耐用、結構簡單，使用方便；電器元件均使用工農業一線品牌，管道使用化工級、耐高壓、耐腐蝕管道；快速接頭管路連接，安裝簡便快速；節水、節肥、增產、環保、省人工、操作簡單和智能化程度高。水肥機運行顯示主要參數見表1。

5" 災情、苗情監測系統

監測原理為通過對農田大棚進行農業物聯網傳感器布局設定，對整個農種過程中的播種、施肥、采收和包裝等各個環節進行數據采集和視頻監控，形成作業標準化、規范化[6]。

通過遠程環境監控，能夠方便管理人員對作物生長狀況遠程在線監控、調控，以及質量監督檢驗檢疫部門及上級主管部門對生產過程進行有效監督和及時干預。方便信息技術管理人員對現場數據信息和圖像信息的獲取、備份和分析處理。視頻監控系統也為以后利用獲取生物信息提供了必要的基礎條件。

5.1" 監測點位設計流程

根據實地情況和監測點建立監測網—根據實地情況確定紅外蟲情測報燈和攝像頭整體安裝和布局—數據自動采集及傳輸—通過對抓拍數據分析比較、對比，分析蟲子種類情況，以及對蟲情做有效預測—通過視頻監控系統有效地分析和判斷植物生長長勢，判斷苗情情況—通過大數據平臺分析，減少人為干預。

設備安裝要求遠離大功率無線電發射源；遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道；盡量靠近數據傳輸網絡；遠離強電磁干擾。

5.2" 蟲情監測設備

根據系統的實際情況及所要達到的技術指標，選用jxbs6002系列蟲情監測設備以及海康攝像頭設備。可以對農林害蟲完成自動誘殺、處理，克服了傳統測報職業飽受毒藥危害的痛苦，并且保護了自然環境。運用無線技術，可以根據不同作物分別建立標靶蟲情信息采集點，大大提高測報準確度。農林果業室外實時蟲情自動成像、遠程實時傳輸；野外全天候無人值守，自動應用蟲情測報自動采集系統，掌握昆蟲活動時間、活動種類和天敵數量，指導是否需要人工防控來平衡靶標植物生物鏈的效果。利用蟲情監測系統，結合物聯網遠程監控系統，實時掌控、監測靶標植物危害狀態，為管理者及時進行防控提供決策依據。

5.3" 監測設備特點

遠紅外處理蟲體：致死率不低于98%，蟲體的完成率不小于95%；同時杜絕農藥化學物品對人員健康造成的侵害，以及對周圍環境造成的污染。雨控裝置：自動控雨技術可以有效將雨水和昆蟲分離。光控裝置：自動光控技術可以實現晚上自動開燈，白天自動關燈；且在夜間工作狀態下，不受瞬間強光照射改變工作狀態。蟲體識別功能：內置500萬像素攝像頭，保證每個時間段誘惑的昆蟲不混淆。GPS定位功能：每臺設備都裝有GPS定位，可以展現在遠程平臺界面，方便用戶查看以及具有防盜的功能。蟲情監測系統主要運行參數數據見表2。

6" 種植管理系統

實現對監控園區實時環境數據、病蟲害數據、苗情數據的可視化展示，智能設施的遠程查看和管理。通過平臺可設定環境數據預警值，系統自動預警，生成預警事件，通過手機短信、網頁報警，提示管理人員、工作人員進行管理和控制[7]。同時，可以將園區空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度等環境監測數據、環境預警事件信息以圖表形式或曲線圖形式，形成統計報表，供管理人員做出適當的作物生長管理、分析與決策。

數據展示系統以大田大棚整體展示為設計思路，用戶進入系統即可一目了然地知悉園區所有系統設備的運行狀況，從而決定下一步工作。所有種植環節內的作物環境信息可以實時直觀展現在平臺上，方便管理人員通過列表、圖表的方式查看詳細氣象環境信息，也可以定時將采集到的各種數據通過無線網絡發送到監測平臺或者管理人員的手機上，方便指導農業生產。

7" 倉儲管理系統

通過自動化及計算機信息技術，實時監視貨庫設備運行狀態，動態處理物流業務數據，實現對作業任務邏輯分析、輸送路徑分析、設備工藝、作業流程協調監控、貨品信息跟蹤及管理、設備狀態監控、用戶信息管理及與用戶信息系統對接等功能;協同PLC系統實現物流設備的集中控制、生產調度、庫存管理和數據管理等功能[8]。

通過平臺可以采集各個企業的農業生產視頻監控數據，匯聚到一個平臺展示，隨時查看各個攝像頭的實時監控數據。平臺可以對接各種主流視頻監控。可遠程無線控制所有園區內接入系統的電子設備的開關，包括卷簾機、風機、濕簾系統等。

農業工作者可以通過網絡與專家互動，通過這個平臺建立農戶與專家的實時對接，解決農戶迫切的問題。專家系統，可以通過這個平臺建立農戶與專家的實時對接，實時地進行診斷。倉儲管理系統可視化展示監測界面如圖2所示。

8" 結束語

智慧農業可視化系統實現對農業種植大田、大棚、農業園區的農業環境因子參數、苗情蟲情數據的采集和遠程查看管理。智慧農業平臺可將大田大棚空氣溫度、濕度、CO2濃度等環境監測數據以及環境預警事件信息以圖表、曲線的形式形成統計報表。總之，智慧農業監測設備和監測數據隨著監測范圍的擴大而越來越高效，相較于傳統的農業生產經營形式，現代化的農業數據監測系統能夠自動地查詢數據，便于管理、分析與決策。

參考文獻：

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[7] 萬冬娥.智慧農業視域下5G技術應用策略研究[J].數字通信世界，2023（4）：144-146.

[8] 代愛妮，郭書瑞，王蕊.基于ESP32的智慧農業大棚實驗系統設計[J].物聯網技術，2023，13（4）：91-94.

基金項目：山西省高等學校科技創新計劃項目（2022L685）；山西機電職業技術學院校級科技創新類課題（KYC-21A01）；山西機電職業技術學院校級教改類課題（JWC-21008）

作者簡介：商量（1992-），男，碩士，助教。研究方向為智慧農業系統、機械設計、創新創業。