面向華南區(qū)域的農(nóng)業(yè)環(huán)境和設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)

郭佩佩，黃家懌，2，謝秋波，2

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510063）

面向華南區(qū)域的農(nóng)業(yè)環(huán)境和設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)

郭佩佩1，黃家懌1，2，謝秋波1，2

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510063）

針對(duì)我國設(shè)施園藝環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷和調(diào)控技術(shù)的自動(dòng)化、智能化水平低，人為干預(yù)明顯等問題，開發(fā)融傳感器監(jiān)測(cè)、視頻圖片采集、環(huán)境調(diào)控及設(shè)備診斷為一體的華南區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境和設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括溫室環(huán)境信息及視頻圖像的獲取、存儲(chǔ)、分析處理；溫室環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)查詢；本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)備故障診斷、報(bào)警等功能，并整合了生產(chǎn)管理、銷售管理、采購管理、員工管理、庫存管理、配套設(shè)施設(shè)備管理、技術(shù)數(shù)據(jù)庫和栽培專家?guī)?，有助于提高栽培生產(chǎn)效率，降低管理成本，提升我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)、高質(zhì)、高效。

設(shè)施園藝 農(nóng)業(yè)環(huán)境 智能監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

設(shè)施園藝是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方面，與人民生活水平和質(zhì)量關(guān)系密切，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑[1]。其核心是人為調(diào)節(jié)和控制動(dòng)植物生長環(huán)境因素，使其擺脫氣候、土地等條件的制約，創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，提高動(dòng)植物生長效率，形成可控條件下集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效化生產(chǎn)[2-3]。荷蘭、以色列、日本、美國、等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國家，其在設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、種苗技術(shù)及規(guī)范化栽培技術(shù)、設(shè)施環(huán)境綜合調(diào)控及農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)水平等都具有較高的水平，居世界領(lǐng)先地位[4-5]。目前，日本、以色列、美國等國家建造了一些世界上最為先進(jìn)的全封閉生產(chǎn)體系，可對(duì)在密閉環(huán)境中的光照、溫度、水、氣、肥等因素進(jìn)行智能控制，并通過互聯(lián)網(wǎng)和視頻技術(shù)進(jìn)行溫室遠(yuǎn)程控制與管理診斷、實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)，采用機(jī)器人或機(jī)械手進(jìn)行播種、移栽的“植物工廠”[6-7]。美國是最早開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的國家。到了20世紀(jì)80年代中期，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)有了較大發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從單一的病蟲害診斷轉(zhuǎn)向作物栽培、施肥、雜草控制、森林環(huán)保、生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益分析決策等應(yīng)用，尤以美國、日本和歐洲國家最為突出[8-10]。

而我國的設(shè)施園藝栽培總面積處于世界第一，但設(shè)施環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷和調(diào)控技術(shù)自動(dòng)化、智能化水平低，人為干預(yù)明顯，嚴(yán)重阻礙了設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效發(fā)展。突出問題表現(xiàn)在：①遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)缺乏完整、可靠、實(shí)時(shí)更新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和生態(tài)信息的支撐；②對(duì)復(fù)雜環(huán)境和生態(tài)數(shù)據(jù)的綜合處理和快速分析能力不強(qiáng)；③作物種植和農(nóng)機(jī)設(shè)備操作過程模擬技術(shù)不成熟；④專家系統(tǒng)的功能不夠全面，靈活性和個(gè)性化有待進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述問題，本文采用基于Web的自組網(wǎng)技術(shù)、中間件技術(shù)、接口技術(shù)和自動(dòng)化工控技術(shù)等，突破構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)智能調(diào)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，消除溫室物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)控的瓶頸，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)種植設(shè)施相互融合發(fā)展，提升我國設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控技術(shù)水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)外部環(huán)境拓?fù)鋱D

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

構(gòu)建系統(tǒng)外部運(yùn)行環(huán)境（如圖1所示），一方面利用信息融合技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、動(dòng)態(tài)域名技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多通道、不同類別的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息和生態(tài)信息的實(shí)時(shí)在線獲取、綜合分析和遠(yuǎn)程傳輸，為溫室環(huán)境調(diào)控提供依據(jù)；另一方面，采用工控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、調(diào)濕系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽及補(bǔ)光系統(tǒng)等設(shè)備的自動(dòng)化控制，當(dāng)環(huán)境信息達(dá)到預(yù)先制定的條件時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，達(dá)到節(jié)水，省電，省人工，更省心。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Java技術(shù)，通過軟件手段解決分布式應(yīng)用集成，通過信息控制完成跨過程、跨系統(tǒng)的信息交互與共享，符合SOA架構(gòu)，支持JMS、SOAP、WSDL、XML等規(guī)范。平臺(tái)的設(shè)計(jì)遵循整體規(guī)劃、緊貼實(shí)際、適度超前、創(chuàng)新發(fā)展的基本原則，由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和表現(xiàn)層五個(gè)結(jié)構(gòu)層面組成。各層面功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)件庫

構(gòu)件庫是保證平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性的主要手段。通過構(gòu)件化的SOA將一個(gè)大的應(yīng)用系統(tǒng)分解為成千上百個(gè)小的業(yè)務(wù)流程，每個(gè)業(yè)務(wù)流程可以用構(gòu)件組合而成。當(dāng)業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時(shí)，通過構(gòu)件的重新組成，方便、快速地改變業(yè)務(wù)流程或?qū)崿F(xiàn)新的業(yè)務(wù)需求，從而實(shí)現(xiàn)支撐服務(wù)平臺(tái)的可擴(kuò)展性和可配置性。

2.2 系統(tǒng)差異化控制

如何滿足不同客戶的差異化和個(gè)性化，是系統(tǒng)可持續(xù)應(yīng)用所需解決的關(guān)鍵問題。通過元數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)差異化控制，可從元數(shù)據(jù)和語義層兩個(gè)層次為用戶提供個(gè)性化定制和配置應(yīng)用。通過元數(shù)據(jù)，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)庫模型進(jìn)行修改、擴(kuò)展，甚至重新定義數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)、視圖、字段、類型；通過語義層客戶可以重新配置用戶界面，可以自定義報(bào)表格式和內(nèi)容。通過元數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶可在用戶界面、工作流程和商務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展和存取控制等四大領(lǐng)域進(jìn)行配置更改。

2.3 融合組態(tài)技術(shù)

利用信息融合技術(shù)、壓縮技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、工控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息和生態(tài)信息的實(shí)時(shí)在線獲取、綜合分析和遠(yuǎn)程傳輸，以直觀的圖表、曲線、點(diǎn)陣等方式顯示給用戶，可根據(jù)作物需求提供各種聲光報(bào)警，并根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)與作物信息，指導(dǎo)溫室設(shè)施的正確控制。

2.4 安全機(jī)制

采用當(dāng)前較為先進(jìn)的“保護(hù)-響應(yīng)-檢測(cè)-恢復(fù)”反饋控制自適用模型來保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。采用多種分級(jí)防御機(jī)制，互相配合，提供深度防御，在不同情況下以不同方式確保應(yīng)用安全，防范內(nèi)外部風(fēng)險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了方便用戶使用，開發(fā)了Web系統(tǒng)和手機(jī)APP兩種登錄方式，其登錄界面分別如圖3所示。用戶采用上述任意一種方式登錄系統(tǒng)后，出現(xiàn)圖4所示的主界面。該界面左側(cè)的系統(tǒng)功能列表，主要包括系統(tǒng)功能管理、視頻監(jiān)控信息展示、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)上傳下載、專家系統(tǒng)等六大模塊。

圖3 系統(tǒng)平臺(tái)登錄界面

圖4 系統(tǒng)主界面

通過視頻監(jiān)控信息展示、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備管理這三大模塊，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的土壤成分/養(yǎng)分信息、土壤特征信息、作物生長小氣候信息、圖像信息、作物種類和生長狀態(tài)信息、病蟲害信息和地理空間定位信息等參數(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并可根據(jù)獲取的環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、調(diào)濕系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽及補(bǔ)光系統(tǒng)等設(shè)備的自動(dòng)化控制，如圖5所示。同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制。

專家系統(tǒng)模塊通過充分發(fā)揮Internet收集、共享知識(shí)和數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，使其多媒體用戶界面友好、操作方便，且可以不受時(shí)間和地理位置限制，實(shí)現(xiàn)靈活訪問，擺脫了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的孤立性，使知識(shí)信息具有更高的共享度。具有從生產(chǎn)管理、銷售管理、采購管理、員工管理、庫存管理、配套設(shè)施設(shè)備管理，至技術(shù)數(shù)據(jù)庫、栽培專家?guī)斓裙δ?，可根?jù)市場(chǎng)與價(jià)格、栽培技術(shù)水平、勞力等因素綜合考慮進(jìn)行管理。

4 結(jié)語

圖5 溫室控制器（PLC）實(shí)物圖及其主要功能示意圖

將現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，構(gòu)建華南區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)專家信息系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，能實(shí)時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)掌握農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的作物和環(huán)境信息，為用戶提供決策管理的信息支持與設(shè)施裝備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，有助于全面提高農(nóng)作物的科學(xué)管理水平、單位面積產(chǎn)出率和資源利用率，降低環(huán)境問題給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的不良影響，提高設(shè)施利用率和生產(chǎn)效益，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展模式具有重要的促進(jìn)意義。

[1]任爭(zhēng)毅，潘娟娟，顧沛雯.等.設(shè)施園藝病蟲害遠(yuǎn)程診斷與監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19（3）：62-65，162.

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Intelligent Management System of Agricultural Environment and Facilities in South China Region

Guo Peipei1,Huang Jiayi1,2,Xie Qiubo1,2
(1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Co.,Ltd,Guangzhou 510630; 2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630)

To the problems of low intelligence and automation level as well as frequent human intervention on remote monitoring,diagnosis and control technology of protected horticultural environment,we developed an intelligent management system for monitoring and controlling agricultural environment and facilities in greenhouses with the functions of sensor detection,video image acquisition,environment control and equipment diagnosis. The system achieved real-time acquisition,storage and analysis of video surveillance and environmental data.It also realized information inquiry,automatic remote control,equipment fault diagnosis,warning messages sending, production management,sales management,purchasing management,staff management,inventory management,equipment management,technology database and cultivation expert database．The results showed that the system can help to improve cultivation productivity,reduce management costs,raise technical equipment level,and realize high-yield,high-quality and efficient on agricultural production..

horticulture,agricultural environment,intelligent monitoring,internet of things

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃課題 （2014BAD08B03-4-1），廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014A020208031），土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目（2014-SKL-06），2013年省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目

郭佩佩（1988－），女，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息與智能裝備技術(shù)的研究。Email:guopp@e-jiankun.com