基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)將得到快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中實現(xiàn)智能化系統(tǒng)，可以降低成本，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型過程。文中根據(jù)成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院溫室大棚基地中智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實際研究、應(yīng)用總結(jié)與分析，更清晰地展示了物聯(lián)網(wǎng)的重要作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)；溫室大棚；

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0066-03

0引言

近年來，國外大量價廉質(zhì)優(yōu)的農(nóng)副產(chǎn)品源源不斷地流入我國，極大地威脅著我國的農(nóng)產(chǎn)品市場。針對我國本身的土地資源優(yōu)勢，如何利用優(yōu)勢發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，如何提高國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，如何調(diào)整農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)民人均收入提高國際競爭力，是一個既迫切又前沿的科研課題。

目前，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的技術(shù)手段相對落后，大規(guī)模的種植基地和規(guī)范化的種植管理還很少，大多依靠個人或小集體以及簡單半機(jī)械化工具進(jìn)行生產(chǎn)，主要存在的問題如下：

（1）傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中投入的現(xiàn)代化設(shè)備及自動化工具較少；農(nóng)業(yè)科技含量、裝備水平相對滯后；

（2）傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科技含量有限，大多還處于個人或小集體生產(chǎn)；

（3）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所造成的污染和資源浪費較嚴(yán)重；

（4）農(nóng)民收入低、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量無法保障。

如何加速農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，推動科技成果快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展對科技的需求，成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。因此，關(guān)于智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究，顯得非常必要與重要。

1相關(guān)技術(shù)

1.1智能農(nóng)業(yè)

智能農(nóng)業(yè)，指的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的一項前沿技術(shù)。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是將實時采集到的影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然參數(shù)和農(nóng)業(yè)專家總結(jié)出的理想?yún)?shù)通過計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行對比和分析，然后自動指導(dǎo)并控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程在合理的范圍以內(nèi)，以保證最佳產(chǎn)能比的一個綜合體系。智能農(nóng)業(yè)主要包括通信技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、控制技術(shù)、存儲技術(shù)等。

1.2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)指的是將所有現(xiàn)實物體通過傳感網(wǎng)絡(luò)等信息載體進(jìn)行信息交換和通信。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的集傳感器、計算、通信、控制、監(jiān)測等為一體的綜合系統(tǒng)。通過獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的各種自然參數(shù)，進(jìn)行智能控制從而提高安全可靠性、提高生產(chǎn)力水平，達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。

2總體方案

本系統(tǒng)方案是在成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院已有的農(nóng)業(yè)大棚基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化檢測、控制和管理。該方案主要分為三大子系統(tǒng)：物聯(lián)網(wǎng)連接與監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)智能控制、云服務(wù)器；

物聯(lián)網(wǎng)連接與監(jiān)測：在農(nóng)業(yè)大棚實驗基地部署和安裝農(nóng)作物生長環(huán)境所需參數(shù)的傳感器，用以監(jiān)測環(huán)境中的溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤酸堿度及養(yǎng)分等物理量參數(shù)，從而保證農(nóng)作物有一個適合的、優(yōu)良的生長環(huán)境。目前我們用到的傳感器包括：空氣溫度、濕度傳感器；土壤溫度、濕度傳感器；光照傳感器；CO2濃度傳感器；pH值傳感器；土壤微量元素檢測儀。各種傳感器檢測到的參數(shù)信息經(jīng)過ZigBee網(wǎng)關(guān)，再通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和相應(yīng)的處理，用戶即可通過電腦或手機(jī)等智能設(shè)備訪問服務(wù)器進(jìn)行查詢，同時，還可以對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置，對數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行修改和設(shè)置，為后期農(nóng)作物生長提供必要的數(shù)據(jù)支持。為了實現(xiàn)農(nóng)作物24小時無人監(jiān)控，我們還在大棚實驗基地安裝攝像頭，對整個大棚進(jìn)行24小時監(jiān)控，監(jiān)控視頻和圖片都將一并傳送到服務(wù)器，為用戶提供回看、實時看功能，確保資料完整性。

物聯(lián)網(wǎng)智能控制：針對農(nóng)作物生長所需的環(huán)境因素，通過各種電機(jī)啟動大棚實驗基地的PVC噴水管、營養(yǎng)液滴頭、遮陽簾、卷簾等設(shè)備，調(diào)節(jié)控制大棚實驗基地內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等因素。

云服務(wù)器：本系統(tǒng)方案采用J2EE服務(wù)器資源池和數(shù)據(jù)庫資源池搭建，采用應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)分離原則搭建SAAS平臺。所以，當(dāng)有新的大棚實驗基地加入時，只需使用應(yīng)用程序模板和數(shù)據(jù)庫模板即可創(chuàng)建大棚實驗基地應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫實例，大大延伸其系統(tǒng)效擴(kuò)展性，有效降低成本。

3物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的主要功能如圖1所示，系統(tǒng)大致包括傳感器數(shù)據(jù)查詢、視頻與圖片查看、數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計、遠(yuǎn)程設(shè)備參數(shù)設(shè)置、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、專家知識庫、后臺管理等模塊。

圖 1溫室大棚系統(tǒng)功能圖

3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)是整個溫室大棚管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，各種傳感器采集的數(shù)據(jù)、視頻攝像數(shù)據(jù)、照片圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過采集、處理、標(biāo)準(zhǔn)化、傳輸后，裝載到系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)中。根據(jù)我校溫室大棚實際情況分析出平臺系統(tǒng)應(yīng)包含空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度值、氮磷鉀營養(yǎng)值、酸堿度pH值等基本數(shù)據(jù)，視頻圖像、照片圖像等視頻圖像數(shù)據(jù)；設(shè)備及設(shè)備類型、編號、參數(shù)、運行情況等維護(hù)數(shù)據(jù)；設(shè)備控制命令、電機(jī)控制命令等控制數(shù)據(jù)；專家知識庫等專業(yè)知識數(shù)據(jù)；系統(tǒng)用戶、角色等系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)據(jù)庫表詳細(xì)設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)邏輯劃分如下：

基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫：空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等與農(nóng)作物成長密切相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；

視頻圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)：采用文件系統(tǒng)存儲各種視頻、照片數(shù)據(jù)，有利于提高系統(tǒng)整體運行效率；

運行維護(hù)信息數(shù)據(jù)庫：設(shè)備基本信息——參數(shù)、類型、編號等，設(shè)備控制命令等數(shù)據(jù)；

專家知識庫：各種農(nóng)作物成長條件知識案例等；

系統(tǒng)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)用戶、角色、模塊、登陸、日志等系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。

根據(jù)邏輯劃分，數(shù)據(jù)庫中大致包含20個表：dev_info（設(shè)備類型表）表示溫室大棚中各種傳感器、攝像頭、設(shè)備等類型及單位；dev_state（設(shè)備狀態(tài)表）表示dev_info中設(shè)備狀態(tài)是否正常及記錄時間；electromotor_rule（農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)設(shè)置）表存儲所種植農(nóng)產(chǎn)品所必須的環(huán)境參數(shù)控制規(guī)則；notify_log（公告日志）存儲系統(tǒng)發(fā)布的公告等日志；notify_person（發(fā)布公告人員聯(lián)系信息）表示發(fā)布公告或通知中人員基本信息，用于環(huán)境參數(shù)無法調(diào)整到正常值時發(fā)送通知（后期手機(jī)平臺開發(fā)使用）；notify_rule_person（告警條件）表示農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)告警通知；picture_list（照片信息）表示溫室大棚實時畫面；sensor_dev（傳感器數(shù)據(jù)）表示傳感器采集到的實時環(huán)境參數(shù)；system_department（部門信息）表示使用系統(tǒng)的部門；system_dictionary_data（人員信息類別值）表示描述使用系統(tǒng)人員基本信息類別值；system_dicrionary_type（人員信息類別）表示描述使用系統(tǒng)人員信息類型；system_module（系統(tǒng)控制類型）表示本系統(tǒng)可控制的類型；system_role（角色權(quán)限）系統(tǒng)角色功能管理；system_role_module（角色模塊）系統(tǒng)角色模塊管理；system_user（用戶）系統(tǒng)用戶基本信息；system_user_department（用戶部門）用戶所在部門；system_user_operation（用戶操作記錄）記錄用戶基本操作信息；system_user_role（用戶角色）用戶所屬角色；video_history（歷史影像）備份歷史影像記錄。

3.4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)采用Java2平臺開發(fā)，采用三層架構(gòu)模式：展示層、業(yè)務(wù)層、持久層。展示層使用struts2、業(yè)務(wù)層使用spring、持久層使用ibatis。

傳感器值查詢采用直接查詢數(shù)據(jù)庫方式；視頻圖片查看采用封裝文件系統(tǒng)服務(wù)方式；接入模塊使用Java NIO進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)器與3G網(wǎng)關(guān)的通信都通過此模塊進(jìn)行；數(shù)據(jù)入庫模塊對Ibatis和Java File IO進(jìn)行封裝。

本系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計流程如圖2所示。

展示層是表示本系統(tǒng)以WEB網(wǎng)頁形式呈現(xiàn)，可提供給使用者友好的人機(jī)交互界面，同時也提供一定的安全性，確保角色對應(yīng)用戶的權(quán)限。

業(yè)務(wù)層：用于訪問數(shù)據(jù)層，并根據(jù)展示層頁面需要進(jìn)行一定的邏輯運算，封裝成接口反饋給展示層，以便調(diào)用。例如，本系統(tǒng)中需要對大棚環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，展示層提供參數(shù)組合文字條件，本層編寫合理的組合運算規(guī)則，調(diào)用數(shù)據(jù)層，修改多個表的值。

持久層：持續(xù)獲取大棚實時信息，包括各類傳感器獲取到的環(huán)境參數(shù)、各類攝像頭捕獲到了實時圖像等信息。本層還負(fù)責(zé)將各種信息存入對應(yīng)數(shù)據(jù)庫的表中，以供的訪問。所有對數(shù)據(jù)的增、刪、改、查均通過此層完成。本系統(tǒng)設(shè)計圖片文件的存儲權(quán)限，也是通過本層實現(xiàn)。本層所有數(shù)據(jù)均是通過3G網(wǎng)關(guān)傳輸然后存儲的，為了統(tǒng)一管理，特在此層根據(jù)接入模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，具體實現(xiàn)如下：

獲取溫室大棚所有設(shè)備配置信息封裝接口：receiveAllDevices（）

發(fā)送設(shè)備命令封裝接口：sendCommand（device，command）

設(shè)置設(shè)備參數(shù)封裝接口：setParameter（device，command）

獲取傳感器設(shè)備值封裝接口：receiveData（device）

獲取圖片封裝接口：receivePicture（）

獲取現(xiàn)場視頻流：receiveVideoStream（）

獲取歷史視頻（通過ftp方式）：getVideo（startTime，endTime）

保存?zhèn)鞲衅髦档綌?shù)據(jù)庫：saveData（device，data）

保存圖片到文件系統(tǒng)：savePicture（picture）

保存歷史視頻到文件系統(tǒng)：saveVideo（video）

圖 2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計流程圖

3.5系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)運行后的部分效果如圖3和圖4所示。

在圖3的首頁中，上邊為Log、視頻播放器、Android客戶端；左側(cè)為系統(tǒng)功能目錄，右側(cè)為大棚環(huán)境參數(shù)值、現(xiàn)場圖像、傳感器趨勢圖、設(shè)備狀態(tài)表； 圖4是大棚現(xiàn)場傳感器傳回的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含傳感器名稱、傳感器編號、傳感器地址、最新傳感器數(shù)據(jù)等現(xiàn)場信息。

圖 3物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)首頁

圖 4自然環(huán)境實時監(jiān)控數(shù)據(jù)

4結(jié)語

本文簡單地總結(jié)了基于物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（溫室大棚控制系統(tǒng)）的設(shè)計思路及具體實現(xiàn)，目前，本系統(tǒng)正在我校溫室大棚中進(jìn)行番茄種植的試運行，從現(xiàn)有的效果看，在PC機(jī)上能實現(xiàn)對大棚的自動化控制和檢測。后續(xù)我們將進(jìn)行多種農(nóng)作物的實驗，并豐富智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，下一步，我們希望創(chuàng)建真正意義上的專家系統(tǒng)，集統(tǒng)計、分析、檢測混合型農(nóng)作物數(shù)據(jù)為一體，為農(nóng)業(yè)專家提供更豐富、方便、快捷的服務(wù)支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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