遠(yuǎn)程可視化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)技術(shù)在果蔬園區(qū)的應(yīng)用研究

洪之奇，聶鵬程，黃凌霞，何　勇

（浙江大學(xué)a農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，b生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058）

遠(yuǎn)程可視化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)技術(shù)在果蔬園區(qū)的應(yīng)用研究

洪之奇a，聶鵬程b*，黃凌霞a，何勇b

（浙江大學(xué)a農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，b生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058）

為提高果蔬生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，增加果蔬園區(qū)收入，設(shè)計(jì)一套適用于果蔬生產(chǎn)園區(qū)的遠(yuǎn)程智能化物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需在園區(qū)布置一套信息果蔬園區(qū)信息采集系統(tǒng)、可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制柜等設(shè)備即可完成遠(yuǎn)程化云托管服務(wù)。信息獲取后直接通過Internet傳輸?shù)皆贫?，并在云端?duì)實(shí)時(shí)信息處理后，將控制指令遠(yuǎn)程傳輸給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)果蔬園區(qū)的可視化與智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大提高園區(qū)管理效率，降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成本，并結(jié)合實(shí)例取得了較好的應(yīng)用效果，對(duì)未來果蔬產(chǎn)業(yè)信息化與自動(dòng)化發(fā)展具有重大意義。

物聯(lián)網(wǎng)；果蔬種植；云服務(wù)；自動(dòng)化

文獻(xiàn)著錄格式：洪之奇，聶鵬程，黃凌霞，等.遠(yuǎn)程可視化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)技術(shù)在果蔬園區(qū)的應(yīng)用研究 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56 （12）：1967-1969.

我國是農(nóng)業(yè)大國，而非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，近30年來果園高產(chǎn)量主要依靠農(nóng)藥化肥的大量投入，大部分化肥和水資源沒有被有效利用而隨地棄置，導(dǎo)致大量養(yǎng)分損失并造成環(huán)境污染。我國果園生產(chǎn)仍然以傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為主，傳統(tǒng)耕種只能憑經(jīng)驗(yàn)施肥灌溉，不僅浪費(fèi)大量的人力物力，也對(duì)環(huán)境保護(hù)與水土保持構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1-3］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有效地解決了上述肥水浪費(fèi)和作業(yè)效率低等難題，國內(nèi)外眾多學(xué)者逐步將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面，取得了較好的應(yīng)用效果［2-7］。但是，目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣仍然存在一些問題，比如管理分散、硬件投入高等，具體來說就是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)提出了相當(dāng)高的要求，農(nóng)民必須具備一定的設(shè)備與軟件維護(hù)能力。其次，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以基地為單位，每個(gè)基地必須配置一臺(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)需24 h不間斷運(yùn)行，因此對(duì)服務(wù)器的性能與質(zhì)量提出更高要求，對(duì)于經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)實(shí)力相對(duì)薄弱的農(nóng)村來說，是一種沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，日后的維護(hù)也存在一定困難。

為解決上述難題，本文研發(fā)了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果園信息快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信息及時(shí)上傳至云端，通過云端分析處理后，將控制指令從云端發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)控制柜，實(shí)現(xiàn)果蔬生產(chǎn)的智能灌溉、智能施肥與智能噴藥等自動(dòng)控制，節(jié)省了基地端硬件服務(wù)器投入，大大降低了系統(tǒng)維護(hù)難度，并為遠(yuǎn)程管理提供了穩(wěn)定可靠的技術(shù)保障，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　果蔬園區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1果蔬園區(qū)信息獲取

果蔬信息獲取主要采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由無線傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心基站、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器和遠(yuǎn)程訪問節(jié)點(diǎn)等組成，如圖1所示。

圖1　無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)

傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)其所在地點(diǎn)的各種土壤和環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)。傳感節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)無線組網(wǎng)通信方式將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.2果蔬園區(qū)的智能化控制系統(tǒng)

在信息獲取基礎(chǔ)上，將實(shí)時(shí)獲取的信息在云端進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與記錄，并且實(shí)時(shí)傳輸給控制決策系統(tǒng)，控制決策系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)的控制模型后，將實(shí)時(shí)信息作為輸入變量，通過模型庫的運(yùn)算后產(chǎn)生控制指令，控制指令通過Internet下傳至基地控制柜，從而實(shí)現(xiàn)基地內(nèi)的自動(dòng)化灌溉與環(huán)境調(diào)控等遠(yuǎn)程化智能控制，如圖2所示。

圖2　基于云服務(wù)的園區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3遠(yuǎn)程可視化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在信息獲取基礎(chǔ)上，在園區(qū)安裝數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，考慮到農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與性能問題，將視頻服務(wù)器部署在基地端，通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)訪問到可視化信息，但視頻存儲(chǔ)仍然在基地端完成，當(dāng)遠(yuǎn)程端需要讀取的時(shí)候，可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)讀取任一時(shí)段的視頻信息。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)均通過Internet與云端系統(tǒng)通信，考慮到農(nóng)村Internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，因此，在不通網(wǎng)絡(luò)的基地內(nèi)，本研究設(shè)計(jì)以3G 或4G網(wǎng)絡(luò)代替Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基地端與云端的互聯(lián)，如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程可視化物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2　果蔬系統(tǒng)的實(shí)用情況

在上述技術(shù)架構(gòu)下，開發(fā)了基于JAVA技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，并將管理平臺(tái)安裝在阿里云服務(wù)。在基地方面，本文以湖州沿移山莊為例，在該園區(qū)部署了信息采集設(shè)備9套，同時(shí)安裝了5個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控探頭，用于實(shí)時(shí)獲取園區(qū)內(nèi)的環(huán)境信息。并在整個(gè)園區(qū)內(nèi)安裝了一套控制柜系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要對(duì)大田、簡(jiǎn)易大棚、連棟溫室進(jìn)行肥水灌溉與智能控制。圖4所示的信息采集設(shè)備為果蔬生產(chǎn)的信息監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖4　果蔬生產(chǎn)信息監(jiān)測(cè)與控制的設(shè)備

獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫撕螅稍谌魏蔚胤降挠?jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與智能化操控，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到園區(qū)的環(huán)境信息與可視化信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控端可通過云端查看園區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，同時(shí)也可以查看任一時(shí)段的數(shù)據(jù)累積與變化趨勢(shì)情況，如圖5所示。

圖5　遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)與分析的界面

在遠(yuǎn)程信息化基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化與可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的園區(qū)智能化管理與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能，管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作、設(shè)置管控系統(tǒng)參數(shù)、模型，實(shí)時(shí)控制園區(qū)內(nèi)控制系統(tǒng)所連接的電氣設(shè)備。并通過圖像輔助實(shí)現(xiàn)可視化操控，以確保遠(yuǎn)程控制的有效性和可靠性，提升農(nóng)業(yè)服務(wù)質(zhì)量，遠(yuǎn)程可視化智能控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　遠(yuǎn)程可視化與智能化操控的實(shí)際界面

3　小結(jié)

在物聯(lián)網(wǎng)信息獲取、自動(dòng)化控制與可視化監(jiān)控技術(shù)之上，引用云服務(wù)與云計(jì)算技術(shù)，不僅大大降低了園區(qū)服務(wù)器硬件投資，也提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)可知，4系統(tǒng)配置硬件成本相比傳統(tǒng)配置降低了12%，軟件穩(wěn)定性更高。通過1年的運(yùn)行表明，該系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)降低了35%，一般軟件維護(hù)由到現(xiàn)場(chǎng)變成了任一有網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)上即可維護(hù)，大大降低了維護(hù)成本，提高了應(yīng)用效率，并且為園區(qū)降低人力成本20%，水肥勞資投入減少15%左右，取得了較好的應(yīng)用效果，具有較好的應(yīng)用推廣前景，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

［1］ 何勇，聶鵬程，劉飛.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感儀器研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（10）：216-224.

［2］ 聶鵬程.植物信息檢測(cè)與自組織農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［3］ 汪懋華.物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展對(duì)現(xiàn)代科學(xué)儀器的需求［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010（3）：5-6.

［4］ 卜天然，呂立新，汪偉.基于TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009（2）：23-26.

［5］ 張曉東，毛罕平，倪軍.作物生長(zhǎng)多傳感信息檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，12（9）：164-170.

［6］ 謝琪，田緒紅，田金梅.基于RFID的養(yǎng)豬管理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（12）：204-206.

［7］ 何龍，聞?wù)湎迹瑮詈Ｇ?無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（12）：236-239.

（責(zé)任編輯：張 韻）

S 126

A

0528-9017（2015）12-1967-03

10.16178/j.issn.0528-9017.20151217

2015-06-20

洪之奇 （1988-），男，浙江義烏人，碩士研究生。E-mail：449365772@qq.com。

聶鵬程，副研究員，博士。E-mail：npc2012@zju.edu.cn。