農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用探討

吳金嬌　晉茂勝　楊小娟

摘要 2012年以來，全椒縣農(nóng)業(yè)信息服務(wù)中心與南京瀚之顯電子科技有限公司緊密合作，建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試點示范工程，建成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺和畜禽飼養(yǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、設(shè)施種植、稻米生產(chǎn)4大類11個應(yīng)用示范點，推進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。該研究基于全椒農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實踐，對其農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能、運行效果進行系統(tǒng)分析，提出了相應(yīng)的啟示與建議。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)；應(yīng)用；建議

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-359-03

鳴謝全椒縣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試點示范工程建設(shè)過程中，得到了安徽省農(nóng)業(yè)委員會、中國科學技術(shù)大學、合肥工業(yè)大學、安徽大學、安徽農(nóng)業(yè)大學、中科院合肥智能所、安徽省農(nóng)科院等單位和領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授的大力支持，衷心表示感謝！

收稿日期2015-01-16

在“四化”同步發(fā)展的大背景下，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。2012年以來，安徽省全椒縣緊緊圍繞發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過調(diào)查研究、方案編制、評審論證、招標評標、安裝調(diào)試、竣工驗收、運行應(yīng)用、總結(jié)提升等8個環(huán)節(jié)，全椒縣農(nóng)業(yè)信息服務(wù)中心與南京瀚之顯電子科技有限公司緊密合作，精心建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試點示范工程，成功建成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺和畜禽飼養(yǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、設(shè)施種植、稻米生產(chǎn)4大類11個應(yīng)用示范點，向農(nóng)民提供政策宣傳、產(chǎn)品推介、網(wǎng)上診斷、遠程教育等公共服務(wù)，為示范點提供實時監(jiān)測、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)報警、數(shù)據(jù)查詢、質(zhì)量追溯、智能調(diào)控、遠程控制等應(yīng)用服務(wù)，發(fā)展智能農(nóng)業(yè)，推進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1總體要求

按照安徽省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示范縣重點縣建設(shè)工作的要求，以科學發(fā)展觀為指導(dǎo)，立足高端發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)同發(fā)展，突出市場先導(dǎo)、需求導(dǎo)向和政府引導(dǎo)，創(chuàng)新管理模式、技術(shù)模式與商業(yè)模式，堅持應(yīng)用推廣與技術(shù)進步相互依托，加快應(yīng)用示范工程建設(shè)，跨越式突破物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合，推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有序發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，全面支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1.2 建設(shè)原則

1.2.1

總體設(shè)計，分步實施。瞄準現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的需要，兼顧當前應(yīng)用水平，高標準、高起點做好農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計工作，積極穩(wěn)健地建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)應(yīng)用分離，采用B/S架構(gòu)構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺[1]，并保持足夠的開放度，為未來新的應(yīng)用預(yù)留接口。

1.2.2

先易后難，試點示范。緊盯現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，選擇相對成熟的技術(shù)作為應(yīng)用突破口，更早體現(xiàn)成效、實現(xiàn)跨越。采用分布式架構(gòu)，滿足可擴展、易于維護的要求，平臺之間執(zhí)行統(tǒng)一采集指令集、統(tǒng)一協(xié)議編碼規(guī)則、統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式、統(tǒng)一接口標準[2]。通過試點示范，以點帶面，形成標準，逐步按標準推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

1.2.3

量力而行，務(wù)求實效。堅持需求導(dǎo)向，切合實際，從最需要的環(huán)節(jié)破題，不盲目求大求新，把資源投向有明確預(yù)期的領(lǐng)域。選用技術(shù)成熟的傳感設(shè)備，實戰(zhàn)考驗過的采集終端，滿足要求的視頻監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)信息通過無線傳感網(wǎng)、企業(yè)局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、接入綜合服務(wù)平臺，有序集成。

1.3系統(tǒng)構(gòu)架

包括應(yīng)用基地和綜合服務(wù)平臺2個部分，具體架構(gòu)見圖1。

1.3.1

應(yīng)用基地硬件設(shè)備。包括畜禽精細化飼養(yǎng)（1個種豬飼養(yǎng)、2個肉雞飼養(yǎng)）、水產(chǎn)精細化養(yǎng)殖（1個魚苗繁育、1個蝦蟹養(yǎng)殖、1個鱖魚養(yǎng)殖）、設(shè)施大棚精細化種植（1個連棟大棚蔬菜種植、1個連棟大棚石斛栽培、1個日光溫室瓜菜育苗）和稻米精細化生產(chǎn)4大類應(yīng)用點。由感知層的傳感設(shè)備、控制設(shè)備和傳輸層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

1.3.1.1

感知層。在畜禽舍、池塘、大棚、苗木園部署環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和數(shù)據(jù)采集器，安裝可360°旋轉(zhuǎn)的高清遠紅外智能球，隨時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，拍攝周邊環(huán)境圖像。

1.3.1.2

傳輸層。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)揭苿庸饫w，再通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器；智能球拍攝的視頻信號通過有線方式傳遞到移動光纖，再通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器。租用移動帶寬4M網(wǎng)絡(luò)，傳輸采集的信號和平臺發(fā)出的控制信號。

1.3.2

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺。由基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)與應(yīng)用支持平臺、農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)3個部分組成。

1.3.2.1

基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施。主要由實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)接入、存儲、管理、計算、交換的物理設(shè)備組成，重點設(shè)備為1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺視頻服務(wù)器、1臺應(yīng)用服務(wù)器、1臺交換機。租用移動帶寬100 M的光纖網(wǎng)絡(luò)、一個固定IP地址和一個域名。

1.3.2.2

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)與應(yīng)用支撐平臺。由提供開發(fā)通用開發(fā)組件與集成環(huán)境的應(yīng)用開發(fā)平臺，實現(xiàn)上下層數(shù)據(jù)交換功能的數(shù)據(jù)交換平臺，支撐通用的感知設(shè)備、服務(wù)應(yīng)用終端的管理平臺組成。數(shù)據(jù)庫是平臺建設(shè)的核心內(nèi)容，通過分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)標準、動物疫情、病蟲草害、土壤、氣象、水情、農(nóng)民遠程教育等數(shù)據(jù)的集中管理、分類存儲和分級共享，是整個平臺的數(shù)據(jù)源。

1.3.2.3

應(yīng)用層。主要是各個農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺的具體業(yè)務(wù)功能，為全椒縣農(nóng)業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)主管部門、消費者等最終用戶提供應(yīng)用服務(wù)。將各種農(nóng)業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)統(tǒng)一部署在服務(wù)器上，用戶只需擁有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)終端（如電腦、智能手機等），即可隨時隨地使用該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的服務(wù)。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意

2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要功能

2.1綜合服務(wù)功能

充分利用和整合全椒縣各種農(nóng)業(yè)信息化資源，建成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺，為政府決策、企業(yè)經(jīng)營管理、基層農(nóng)業(yè)科技人員和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體提供綜合服務(wù)。包括：以報道形式的“三農(nóng)”政策、工作信息的新聞中心功能模塊；宣傳全椒名優(yōu)特色農(nóng)產(chǎn)品的名優(yōu)產(chǎn)品模塊；介紹全椒農(nóng)業(yè)系統(tǒng)專家情況的專家信息模塊；農(nóng)業(yè)專家在平臺上診斷動植物病蟲草害的網(wǎng)上診斷專家模塊；農(nóng)民在平臺上學習農(nóng)業(yè)技術(shù)的遠程教育模塊；平臺上買賣農(nóng)產(chǎn)品的電子商城模塊和應(yīng)用示范點通過密碼才能進入智能應(yīng)用系統(tǒng)的用戶登錄模塊。

2.2 智慧應(yīng)用功能

2.2.1

畜禽精細化飼養(yǎng)。通過在豬、雞舍內(nèi)部署傳感器、智能球，實現(xiàn)豬雞養(yǎng)殖的全過程信息化管理。實時采集舍內(nèi)溫度、濕度、光照強度、CO2、NH3濃度環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過有線或無線的方式進行傳輸，實現(xiàn)飼養(yǎng)環(huán)境的實時監(jiān)測[3]。主要功能有：查看養(yǎng)殖場的溫度、濕度、光照強度、CO2、NH3濃度實時數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能；應(yīng)用者根據(jù)需要，自行設(shè)置環(huán)境閾值，達到或超過閾值時系統(tǒng)自動向手機發(fā)送預(yù)警短信提醒的生產(chǎn)報警功能；當環(huán)境異常時，自動打開風扇、濕簾等生產(chǎn)設(shè)備的智能調(diào)控功能；人工智能終端開關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、查詢功能；遠程調(diào)整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看畜禽活動、生產(chǎn)設(shè)備等狀況和舍內(nèi)環(huán)境情況的視頻監(jiān)控功能。

2.2.2

水產(chǎn)精細化養(yǎng)殖。通過部署溶解氧、pH、水位、水溫、光照傳感器和智能球，實時采集溶解氧、pH、水位、水溫、光照強度的數(shù)據(jù)和池塘視頻信號，通過有線或無線的方式進行傳輸，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的全過程信息化管理。主要功能有：查看養(yǎng)殖池塘的溶解氧、pH、水位、水溫、光照強度實時數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能；應(yīng)用者根據(jù)需要，自行設(shè)置環(huán)境閾值，達到或超過閾值時自動向手機發(fā)送預(yù)警短信提醒的生產(chǎn)報警功能；當溶解氧達到閥值下限時，自動打開增氧機生產(chǎn)設(shè)備的智能調(diào)控功能；人工智能終端開關(guān)增氧機、投料機生產(chǎn)設(shè)備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、查詢功能；遠程調(diào)整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看養(yǎng)殖池塘、生產(chǎn)設(shè)備等狀況和周邊環(huán)境情況的視頻監(jiān)控功能。

2.2.3

設(shè)施大棚精細化種植。通過溫度、濕度、光照強度、日照時數(shù)、CO2無線傳感器，對溫室內(nèi)的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數(shù)、CO2濃度的環(huán)境參數(shù)進行實時采集；同時在溫室內(nèi)部署130萬像素可360°旋轉(zhuǎn)遠紅外線高清智能球，實時采集視頻信號。主要功能有：查看溫室內(nèi)的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數(shù)、CO2濃度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能；應(yīng)用者根據(jù)需要，自行設(shè)置環(huán)境閾值，達到或超過閾值時，自動向手機發(fā)送預(yù)警短信提醒的生產(chǎn)報警功能；當環(huán)境狀況異常時，自動打開風扇、濕簾等生產(chǎn)設(shè)備的智能調(diào)控功能；人工智能終端開關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、查詢功能；遠程調(diào)整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看作物長勢、生產(chǎn)設(shè)備等狀況和溫室環(huán)境情況的視頻監(jiān)控功能。

2.2.4

水稻全產(chǎn)業(yè)鏈精細化管理。在水稻種植基地從秧苗培育、大田栽培、倉儲加工、質(zhì)量追溯4個環(huán)節(jié)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)水稻全產(chǎn)業(yè)鏈精細化管理。在秧田、大田部署傳感器，采集空氣溫度、濕度、光照強度、CO2濃度，水體pH、水位、水溫，土壤溫度、濕度環(huán)境參數(shù)；在倉庫內(nèi)部署傳感器，采集稻堆內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。應(yīng)用者根據(jù)需要，自行設(shè)置稻田、倉庫環(huán)境閾值，達到或超過閾值時，自動向手機發(fā)送預(yù)警短信提醒信息；當水位偏低時，自動打開水泵生產(chǎn)設(shè)備進行智能調(diào)控；也可用人工智能終端遠程開關(guān)水泵等生產(chǎn)設(shè)備。在稻田安裝300萬像素的可360°旋轉(zhuǎn)遠紅外線高清智能球，實時查看水稻長勢、病蟲草害、災(zāi)情等狀況和稻田周邊環(huán)境情況；在加工車間安裝130萬像素的可360°旋轉(zhuǎn)遠紅外線高清智能球，監(jiān)控加工包裝情況[4]。在米袋等包裝物上粘貼二維碼標簽，通過二維碼查詢水稻種子信息、生產(chǎn)環(huán)境信息、投入品使用信息和從播種到加工的每周一張圖片的連續(xù)圖像信息。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提供環(huán)境監(jiān)測、視頻觀察、生產(chǎn)報警、遠程控制、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析、質(zhì)量追溯等服務(wù)，實現(xiàn)精確感知、精準操作、精細管理。

3全椒農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行實踐與展望

3.1運行結(jié)果

3.1.1

系統(tǒng)運行穩(wěn)定。農(nóng)戶或網(wǎng)民在互聯(lián)網(wǎng)上輸入“http//www.qjnywlw.gov.cn”即可登錄訪問全椒農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺，各個功能模塊反映速度不超過2 s，沒有無效鏈接或鏈接失敗現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的運行穩(wěn)定性。

3.1.2

環(huán)境監(jiān)測及時。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)每5 min自動刷新1次，數(shù)據(jù)報告、數(shù)據(jù)圖表更新一致，數(shù)據(jù)查詢、自動報警、報警記錄、閥值設(shè)置、智能控制等功能實現(xiàn)正常，能夠?qū)崟r監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境。視頻圖像清晰、流暢、自然。人工遠程控制一般在3～5 s，就能打開或關(guān)閉生產(chǎn)設(shè)備。

3.1.3

操作方法簡單。使用電腦、智能手機在上網(wǎng)的條件下就能登錄綜合服務(wù)平臺，平臺使用、智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用皆簡單易學，一般經(jīng)過半天左右時間即能學會使用。應(yīng)用者普遍感受到：應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，把人從惡劣的環(huán)境下解放出來，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得簡單、輕松。

3.2啟示與建議

3.2.1

正確看待農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。從全椒縣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實踐看，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從研究試驗階段逐漸進入生產(chǎn)應(yīng)用時期。實時監(jiān)測、生產(chǎn)報警、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控、遠程控制、智能調(diào)控等功能能夠穩(wěn)定實現(xiàn)，農(nóng)民能夠運用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輕松進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[5]。但目前也存在很多問題，如供電、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施還不能完全滿足要求，傳感器種類少，大部分傳感器穩(wěn)定性差、準確性低，使用時間短，價格昂貴，運行費用高，運行維護等后續(xù)服務(wù)不完善，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)薄弱、技術(shù)人員缺乏等問題。

3.2.2

積極穩(wěn)健地推進農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)既不能過度沖動，盲目冒進，也不能畏首畏尾，無所作為。建議形成點面結(jié)合、協(xié)同推進的態(tài)勢，共同發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)。在點上，科研機構(gòu)、大專院校、物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)要整合資源，突破重點，攻克難點，為面上應(yīng)用提供技術(shù)支撐；農(nóng)業(yè)企業(yè)、種養(yǎng)大戶等面上應(yīng)用者要積極穩(wěn)妥，先易后難，循序漸進，逐步深入推進；面上還要及時向點上提出需求，反饋問題，為點上研究提供方向。政府要做好統(tǒng)籌工作，協(xié)調(diào)、引導(dǎo)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)健康、有序、有效發(fā)展，防止出現(xiàn)偏差，以免造成損失和浪費。

43卷7期

吳金嬌等農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用探討

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