一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

黃媛 郭利朋 楊英茹等

摘要為了更好地促進(jìn)智能溫室的推廣應(yīng)用，該研究在分析和討論了當(dāng)前河北地區(qū)設(shè)施蔬菜現(xiàn)狀及存在的問題基礎(chǔ)上，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。開展環(huán)境云感知終端、現(xiàn)代溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與集成示范，建設(shè)溫室生產(chǎn)云服務(wù)平臺(tái)，探索物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)在設(shè)施蔬菜中技術(shù)應(yīng)用模式，提升設(shè)施蔬菜智能管控能力。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；云計(jì)算技術(shù)；設(shè)施蔬菜；智能溫室；云服務(wù)平臺(tái)

中圖分類號(hào)S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）31-359-03

A Design Scheme of Cloud Service Platform for Intelligent Greenhouse Using Internet of Things Technology

HUANG Yuan，GUO Lipeng*，YANG Yingru et al（Shijiazhuang Acaderny of Agricultural and Forestry Sciences，Shijiazhuang，Hebei 050041）

AbstractIn order to promote the application of intelligent greenhouse，based on the analysis and discussion of the status and problems of agricultural facilities in Hebei， this paper put forward a design scheme of cloud service platform for intelligent greenhouse using Internet of things technology. Awareness in the surrounding cloud terminal， modern facilities such as intelligent monitoring system of vegetables greenhouse iot key technology and equipment research and integrated demonstration， greenhouse production of cloud service platform construction， explore the Internet of things and cloud technology application mode in the facilities vegetables， improve facilities vegetables intelligent control ability.

Key wordsInternet of things technology； Cloud computing technology； Facility agriculture； Intelligent greenhouse； Cloud service platform

設(shè)施蔬菜突破了光熱資源等生態(tài)環(huán)境限制，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜生產(chǎn)淡季不淡、周年生產(chǎn)、保障供應(yīng)[1]。河北省是農(nóng)業(yè)大省，可耕地面積居全國第4位，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)規(guī)模和總產(chǎn)量?jī)H次于山東，位居全國第二，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)面積達(dá)到28.7萬hm2、總產(chǎn)1 800萬t，并且以年增長(zhǎng)率30%的速度增長(zhǎng)[2]。

當(dāng)今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)技術(shù)為河北省設(shè)施蔬菜的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。目前，以生態(tài)環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)控為主的各類信息技術(shù)得到了大面積的應(yīng)用，降低了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)成本，提供了發(fā)展動(dòng)力[3]。同時(shí)，也出現(xiàn)了不少的問題：信息采集系統(tǒng)處于起步和試驗(yàn)階段，系統(tǒng)大部分是有線方式，存在距離短、布線困難、維護(hù)困難等很多弊端；研發(fā)成本較高造成應(yīng)用成本高，一般農(nóng)戶應(yīng)用困難，不適用于大面積推廣；另外，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)者遇到技術(shù)問題很難及時(shí)得到解答，往往通以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷[4]。因此，針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河北地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)方案意義十分重大。

1河北地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路線及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路線研發(fā)溫室環(huán)境云感知終端，降低研制成本，為不同的用戶提供不同的訪問權(quán)限，用戶根據(jù)自身需要查詢空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強(qiáng)度等信息；從物聯(lián)網(wǎng)終端感控、感知數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、應(yīng)用資源池構(gòu)建及服務(wù)定制、分析決策與智能控制等層面構(gòu)建設(shè)施蔬菜云服務(wù)平臺(tái)，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供專家指導(dǎo)[5]。同時(shí)，針對(duì)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與集成示范，建設(shè)溫室生產(chǎn)云服務(wù)平臺(tái)，探索物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)在設(shè)施蔬菜中技術(shù)應(yīng)用模式，提升設(shè)施蔬菜智能管控能力。河北地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路線見圖1。

1.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

綜合運(yùn)用先進(jìn)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息處理與存儲(chǔ)技術(shù)，緊密結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和專家知識(shí)，通過無線通訊基礎(chǔ)設(shè)施將傳感器支撐的采集控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、氣象設(shè)備、視頻云臺(tái)、專家服務(wù)等通過無線局域網(wǎng)與服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等集合成一體，實(shí)現(xiàn)設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控，同時(shí)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，顯著提高勞動(dòng)效率，為設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)提供最佳環(huán)境[6]。河北地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖2。

2河北地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容

2.1設(shè)施環(huán)境云感知終端研發(fā)研究設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)專用感知器件的低功耗、低成本實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)，設(shè)計(jì)定時(shí)采集溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤含水量等參數(shù)并存儲(chǔ)，定期將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)已有的栽培模型為用戶生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐[7]。

終端采用軟硬件低功耗設(shè)計(jì)，嚴(yán)格管理每個(gè)傳感器與每次網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芎?，太陽能電池板為系統(tǒng)提供充足的能源，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)計(jì)低能耗，提高設(shè)備移動(dòng)性；同時(shí)將終端置于空氣防輻射罩中，提高終端的適用性。

2.2溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)圍繞溫室種植的主要農(nóng)作物對(duì)光照、溫濕度的要求，在溫室內(nèi)布設(shè)光照、土壤溫濕度、空氣溫濕度等傳感設(shè)備，對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)采集模塊把不同傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總[8]，然后通過無線AP將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)電腦中，完成了對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集的過程。計(jì)算機(jī)電腦利用軟件和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，給出相應(yīng)的控制指令，再通過交換機(jī)/轉(zhuǎn)換器傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后由電控柜來執(zhí)行具體的操作以完成各項(xiàng)控制功能。執(zhí)行操作部分包括濕簾開合控制、遮陽網(wǎng)開合電機(jī)、通風(fēng)電機(jī)與天窗開合電機(jī)等，可以通過計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)控制功能[9]。

2.3開發(fā)和應(yīng)用專家指導(dǎo)平臺(tái)結(jié)合河北設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的實(shí)際情況，研究開發(fā)實(shí)用型強(qiáng)的系列化專家系統(tǒng)，開發(fā)和應(yīng)用專家指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)專家指導(dǎo)知識(shí)數(shù)據(jù)庫和專家數(shù)據(jù)庫，整合農(nóng)作物高產(chǎn)高效栽培技術(shù)和病蟲害防治技術(shù)，提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，建立定性和定量決策支持構(gòu)件以及模型算法構(gòu)件、人機(jī)界面及解釋構(gòu)件、建立訪問數(shù)據(jù)庫的接口和友好的可視化人機(jī)接口構(gòu)件，建立可以相互調(diào)用通訊機(jī)制[10]。組建實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的農(nóng)業(yè)專家隊(duì)伍，充分利用現(xiàn)有的通訊手段和條件，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、科技人員和管理人員提供專家咨詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)問題在第一時(shí)間得到農(nóng)業(yè)專家的指導(dǎo)和解決。

2.4溫室生產(chǎn)云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)以服務(wù)器為基礎(chǔ)，搭建云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能綜合系統(tǒng)所采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)的匯總、分析與管理，將終端設(shè)備采集的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量及氣象信息進(jìn)行接收與匯總，并通過數(shù)據(jù)分析向終端發(fā)送指令，使執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作，對(duì)作物生長(zhǎng)的環(huán)境進(jìn)行合理的調(diào)控。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)的形式，在權(quán)限允許的范圍內(nèi)，滿足新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)接入平臺(tái)的需求，保證平臺(tái)能夠接入新增示范點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息[11]。研究設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)感知與控制設(shè)備接入、設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資源虛擬化管理、設(shè)施環(huán)境云監(jiān)測(cè)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備和控制設(shè)備的快速接入與遠(yuǎn)程控制展示。

2.5信息基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)是信息化基礎(chǔ)平臺(tái)之一，為了滿足信息化設(shè)備之間的互通互聯(lián)，結(jié)合實(shí)際情況，分別從多個(gè)角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃[12]。主要有：在安裝有信息化采集設(shè)備的地方鋪設(shè)光纜；終端與數(shù)據(jù)中心無線傳輸設(shè)計(jì)，便于發(fā)送與接收端架設(shè)網(wǎng)橋設(shè)備，節(jié)約成本；為數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定IP，開放端口，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程外網(wǎng)訪問做好準(zhǔn)備[13]。

2.6技術(shù)集成應(yīng)用示范在河北省冀中南地區(qū)選擇生產(chǎn)規(guī)模大、基礎(chǔ)條件好、輻射帶動(dòng)作用強(qiáng)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地推廣應(yīng)用多個(gè)示范點(diǎn)[14]。集中示范應(yīng)用設(shè)施蔬菜傳感器等感知、傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)示范點(diǎn)生境監(jiān)測(cè)站的設(shè)施蔬菜云服務(wù)平臺(tái)接入服務(wù)，并為示范點(diǎn)提供農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、溫室環(huán)境異常預(yù)警、農(nóng)事活動(dòng)適宜期提醒等服務(wù)[15]。

43卷31期黃 媛等一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3結(jié)語

由于云計(jì)算是多種技術(shù)的發(fā)展和融合演進(jìn)而來，目前成熟度較高，正處于快速蓬勃發(fā)展階段，云計(jì)算巳經(jīng)成為在全球范圍內(nèi)最熱門的研究方向。2015年中央一號(hào)文件提出，要加快農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，在生物育種、智能農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)裝備、生態(tài)環(huán)保等領(lǐng)域取得重大突破[16]。在這樣背景下，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、WEB2.0等技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)與云服務(wù)平臺(tái)研究勢(shì)必將推進(jìn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)向智能化、自動(dòng)化和現(xiàn)代化的方向快速發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新[17]。設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用可以降低生產(chǎn)成本、提高資源利用效率，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，從而形成設(shè)施蔬菜生產(chǎn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)、農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)增效的良好社會(huì)效益。

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