昆侖海岸基于物聯(lián)網的農業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)

北京昆侖海岸傳感技術有限公司產品經理 王東海

昆侖海岸基于物聯(lián)網的農業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)

北京昆侖海岸傳感技術有限公司產品經理 王東海

編輯點評：

隨著世界各國政府對物聯(lián)網行業(yè)的的政策傾斜和企業(yè)的大力支持和投入，物聯(lián)網產業(yè)被急速的催生，根據(jù)國內外的數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網從1999年至今進行了極大的發(fā)展，滲透進每一個行業(yè)領域。可以預見到的是越來越多的行業(yè)領域以及技術、應用會和物聯(lián)網產生交叉，向物聯(lián)方向轉變優(yōu)化已經成為了時代的發(fā)展方向。

我國是農業(yè)大國，將物聯(lián)網技術應用到我國的農業(yè)領域，成為了當今農業(yè)健康快速發(fā)展的關鍵點。昆侖海岸近年來就在農業(yè)物聯(lián)網中取得了一系列的創(chuàng)新與突破，例如，新研發(fā)的基于Modbus TCP通訊協(xié)議的KL-H系列物聯(lián)網網關提供了標準以太網接口、3G天線接口，可以將ZigBee網絡連接到局域網或者互聯(lián)網中，實現(xiàn)了互聯(lián)網網絡設備與ZigBee網絡設備之間的監(jiān)測，方便用戶通過手機、平板電腦，PC或其他移動互聯(lián)網設備進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。再如：針對冷鏈運輸行業(yè)對疫苗、血液制品、奶制品、禽蛋肉類及其他保鮮食品等在運輸儲藏過程中對溫度有特殊監(jiān)測要求，研制生產了既能測量溫度又能實時的記錄歷史溫度數(shù)據(jù)的RFID溫度標簽類產品等。本文則介紹了昆侖海岸研發(fā)的基于物聯(lián)網的農業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)，從而建立起集數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農業(yè)機械為一體的新型農業(yè)生產管理體系。

本刊記者/梁秀璟

我國是一個農業(yè)大國，但農業(yè)生產機械化、自動化、智能化程度低，絕大多數(shù)還是依靠體感和經驗獲得農田信息，依靠體力和傳統(tǒng)工具及少數(shù)農業(yè)機械進行農業(yè)生產，當外界條件和內部環(huán)境發(fā)生突變時，難以及時得到提醒和應對，造成經濟損失。如果在傳統(tǒng)農業(yè)生產中將物聯(lián)網技術應用起來，用傳感技術去替代人的體感，將人的種植經驗變成不同的功能軟件，使用各種農業(yè)機械去完成人工操作，那么農民僅需操作這些設備就能進行農業(yè)生產，實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化。這就是我們的夢想。該項目是實現(xiàn)夢想的開始一步，如何運用物聯(lián)網技術獲取信息，營造滿足農作物所需的生長環(huán)境。

該項目在天津農業(yè)高新技術示范園管理中心的武清基地進行。根據(jù)設計要求，此監(jiān)控系統(tǒng)依托Zigbee無線通訊技術、3G數(shù)據(jù)通訊技術將互聯(lián)網從桌面延伸到田野，讓溫室實時在線，實現(xiàn)蔬菜大棚與數(shù)據(jù)世界的融合；實時采集的傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植經驗相結合，使得農業(yè)專家在遠程可以隨時查看農田內的各種數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、水量等），判斷是否是適合作物生長的最佳條件，可以由專家根據(jù)自身經驗和知識設定關鍵值，當某種數(shù)據(jù)偏離設定值時，大棚自動做出反應（溫度偏低，則打開供暖設施；溫度偏高，則開門通風；水量不足，則自動打開噴淋裝置等），可同時監(jiān)測和控制蔬菜大棚的正常運行，從而使得農作物始終處在最佳的生長環(huán)境中。從而建立起集數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農業(yè)機械為一體的新型農業(yè)生產管理體系，實現(xiàn)農業(yè)生產管理的數(shù)字化、網絡化與智能化。

系統(tǒng)方案及功能實現(xiàn)

目前，本項目涉及到兩種類型的大棚：智能溫室大棚和日光溫室大棚，因此，整個系統(tǒng)平臺包括兩個子系統(tǒng)：智能溫室大棚遠程監(jiān)測與自動控制子系統(tǒng)、日光溫室大棚遠程監(jiān)測與自動控制子系統(tǒng)。我們?yōu)閮煞N類型的大棚提供了相應的解決方案。

1 智能溫室大棚網絡邏輯拓撲結構

智能溫室大棚網絡邏輯拓撲結構如圖1所示。

圖1 智能溫室大棚網絡邏輯拓撲結構

2 日光溫室大棚網絡邏輯拓撲結構

日光溫室大棚網絡邏輯拓撲結構如圖2所示。

圖2 日光溫室大棚網絡邏輯拓撲結構

感知層。農業(yè)大棚遠程監(jiān)測裝置基于ZigBee無線檢測網絡研發(fā)而成，集模擬量/開關量采集、繼電器控制、RS-232串口通訊于一體的綜合性監(jiān)測裝置，測量精確可靠，通過狀態(tài)指示燈顏色的變換可以輕松獲得裝置所處的工作狀態(tài)，操作調試十分簡便，適合于農業(yè)大棚相關數(shù)據(jù)的采集和設備控制。在智能溫室中裝有環(huán)境溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等，將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網絡與環(huán)境參數(shù)采集器無線連接。

傳輸層。（1）通過網關 (串轉網設備)進行感知層與傳輸層的融合，即網關一方面通過其串口連接環(huán)境參數(shù)采集器、繼電器以及氣象采集器，另一方面通過其網口連接交換機，從而完成數(shù)據(jù)從串口格式到以太網格式的轉換。（2）以太網交換機接入大功率AP，最終通過無線WiFi信號達到溫室與外界數(shù)據(jù)交換的目的。（3）攝像頭直接接入交換機。

應用層。管理員對中控室進行系統(tǒng)維護與日常管理，終端用戶使用手機、IPAD、PC等方式，通過各種通信網絡接入技術使用本系統(tǒng)的上層服務。

在本方案中，使用該網關具有以下優(yōu)勢：（1）網關上嵌入3G模塊，可以直接通過移動互聯(lián)網進行連接；（2）多個溫室大棚共享一個數(shù)據(jù)采集控制模塊，使開發(fā)成本降低；（3）建網、組網以及上層配置簡單。

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，管理人員使用該系統(tǒng)可以智能溫室和日光溫室大棚種植的蔬菜進行全過程的遠程監(jiān)測、自動控制和管理。其主要功能有:

? 蔬菜大棚的遠程無線實時數(shù)據(jù)采集：如環(huán)境溫濕度、光照、CO2濃度等地面信息，土壤水分和溫度、土壤養(yǎng)分（氮磷鉀元素）等土壤信息以及風向風速等室外氣象信息。

? 蔬菜大棚的遠程無線自動控制：根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的比較結果來決定相應的遠程自動控制?？梢酝ㄟ^移動設備（如手機、iPAD等）對風機、外遮陽卷簾、內遮陰卷簾、補光燈、水簾、天窗、地源熱泵、滴灌等設備進行遠程無線自動控制。

? 監(jiān)控云平臺通過網關可以實時獲取傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。將網關的數(shù)據(jù)存儲到云平臺中，企業(yè)（用戶）直接訪問云平臺獲取網關節(jié)點數(shù)據(jù)信息，進而進行專家咨詢與實時指導。

? 信息分析與統(tǒng)計：通過數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計提供各種報表。

主要特點及創(chuàng)新點

（1）本系統(tǒng)使用了基于物聯(lián)網農業(yè)應用的嵌入式中間件軟件技術。由于軟、硬件設備投入使用的年代不同，使用的接口、協(xié)議也千差萬別。導致各個系統(tǒng)仍處于各自為戰(zhàn)的狀態(tài)，并沒有形成一個統(tǒng)一的網絡。所以，在這種情況下，使用物聯(lián)網嵌入式中間件軟件有效地整合和完善了物聯(lián)網農業(yè)應用的前端信息采集設備和后端信息匯聚設備，把所有設備都納入統(tǒng)一的管理，并把這些不同的設備連接在一起，構成一個統(tǒng)一的網絡。

（2）基于無線物聯(lián)網網關及其矩陣排布技術開發(fā)的農作物生長環(huán)境監(jiān)控平臺可同時監(jiān)測大范圍內所有大棚內農作物生長環(huán)境狀況，手動/定時控制棚內相應設備，并且可通過用戶參數(shù)設定實時自動控制設備狀態(tài)以滿足植物生長要求。

（3）支持3G無線通訊的物聯(lián)網網關可以將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿釉朴嬎闫脚_，為后期開展云服務奠定了基礎。

（4）真正實現(xiàn)了信息化與農業(yè)化的高度融合，將先進的信息技術應用到傳統(tǒng)的農業(yè)，建成了集數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農業(yè)機械為一體的現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網創(chuàng)新網絡平臺與應用示范，實現(xiàn)了農業(yè)生產管理朝著低成本、可靠性、節(jié)水節(jié)能型、智能化和環(huán)境友好型等五大方向發(fā)展。

實施過程中的難點

由于農業(yè)自身屬于弱質產業(yè)，市場化基礎脆弱，應用物聯(lián)網技術涉及到資金、成本、效益等諸多因素，同時還有農業(yè)環(huán)境對電子設備防護要求較高、從業(yè)人員對相關技術不熟悉等現(xiàn)象，因而如何將物聯(lián)網技術應用到農業(yè)中就面臨著成本、穩(wěn)定性、易用性等挑戰(zhàn)。

在項目實施中只要采取以下措施：

（1）使用高集成度的傳感器

項目中選用JZH系列高集成度傳感器，一只傳感器可同時采集環(huán)境溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤水分、土壤溫度等多種物理量，大大減少了項目中傳感器的使用個數(shù)，降低成本。

（2）采用無線傳輸數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)采用有線的布線方式，不僅工程量大、成本高、維護困難，而且本系統(tǒng)都是基于ZigBee和3G無線通訊技術來搭建的，無需布線，大大降低了施工難度，節(jié)省了施工成本。

（3）高防護等級

在農業(yè)環(huán)境中，普遍存在著高濕結露的現(xiàn)象，而這也正是電子設備的“天敵”。項目所選用的無線傳感器和物聯(lián)網網關本身就具備了較高的防護等級，再加上在施工中對電子設備施加防潮、防水保護措施，可有效地應對農業(yè)中惡劣環(huán)境、保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

（4）操作方法簡單、用戶界面友好

監(jiān)控系統(tǒng)功能再強大如果不能被從業(yè)者很好地使用也是枉費的。與工業(yè)和其他產業(yè)不同，農業(yè)經歷了長期的、粗放式的、簡單的勞作活動，從業(yè)人員一時還不能完全掌握現(xiàn)代信息化、智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，這就要求農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)必須具備較高的易用性。本系統(tǒng)在設計初期就考慮到這些問題，在系統(tǒng)的操作流程和用戶界面上做到最大程度簡單、明了，方便從業(yè)者的快速使用。

效益分析

智能溫室和日光溫室大棚項目在天津示范應用時得到中央及天津市委、市政府的高度重視，天津市委書記張高利等領導親臨現(xiàn)場視察。

2012年底，該項目獲得了中關村物聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟與中國移動共同舉辦的首屆移動杯智慧北京大賽優(yōu)秀解決方案獎，成功參加了2012年津洽會、京交會以及寧波“智慧城市”博覽會的展覽，在京津滬渝四直轄市領導與專家到天津市農業(yè)高新技術示范園區(qū)管理中心視察工作，參觀人員一致認為該示范平臺具有科技含量高、超前意識強、發(fā)展前景好、帶動能力強的推廣優(yōu)勢，可以為天津市乃至全國現(xiàn)代農業(yè)、都市農業(yè)的發(fā)展起到良好的示范和推動作用。取得了較好的社會效益。在此基礎上，我們將加強“政、產、學、研、用”聯(lián)合，加大推廣應用力度，創(chuàng)新經濟效益增長模式，使農民從中得到實惠，企業(yè)得到發(fā)展。

北京昆侖海岸傳感技術有限公司產品經理 王東海

關鍵解讀

物聯(lián)網的核心和基礎依然是互聯(lián)網，其延伸和擴展到了任何能夠被獨立尋址的物品與物品之間進行信息互聯(lián)。應用創(chuàng)新是物聯(lián)網發(fā)展的核心，它利用互聯(lián)網和傳統(tǒng)電信網等通訊媒介將傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)接在一起，形成人與物、物與物的互聯(lián)，實現(xiàn)信息化、智能化的網絡。

物聯(lián)網將是下一個推動世界經濟高速發(fā)展的“重要生產力”，是繼通訊網之后又一個萬億級市場。物聯(lián)網一方面可以提高經濟效益、大大節(jié)省生產成本，另一方面可以為全球經濟復蘇提供技術動力。美國、歐盟等都在投入巨資研究、探索物聯(lián)網，而我國也正在高度關注物聯(lián)網的發(fā)展；工業(yè)和信息化部會同有關部門在新一代信息技術方面正在開展研究，以形成支持新一代信息技術發(fā)展的政策措施。

☆ 昆侖海岸在物聯(lián)網的核心優(yōu)勢

（1）先進工藝和創(chuàng)新技術。沒有智能化的傳感器，就不可能有物聯(lián)網，物聯(lián)網的發(fā)展對傳感器及其節(jié)點提出了更高的要求，不僅數(shù)量多，而且要體積小、耗能低、性能好、價格低。我們在二十年研發(fā)生產中積累了一些經驗，對今后的創(chuàng)新工作十分有利。

（2）“無憂服務”。昆侖海岸推出的“無憂服務”一年內無條件免費維修，保證用戶在購買時使用維修產品的每個過程無憂慮，遍布全國的技術服務站隨時為用戶服務；同時，公司為客戶提供專業(yè)的解決方案，提供“準確、及時、有效周到”的項目與技術服務。

（3）合理的售價。公司運用先進的ERP管理，努力提高生產效率，嚴格控制生產成本，在同行業(yè)中具有較高的產品質量和價格優(yōu)勢，客戶比較滿意。