物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)在德清縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的應(yīng)用分析

◎ 陸小仙 德清縣對(duì)河口水庫管理局張世亮 費(fèi)丹丹 德清縣水利工程管理所段永剛 浙江水利水電學(xué)院

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物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)在德清縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的應(yīng)用分析

◎ 陸小仙 德清縣對(duì)河口水庫管理局張世亮 費(fèi)丹丹 德清縣水利工程管理所段永剛 浙江水利水電學(xué)院

近年來，隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)水資源、化肥、農(nóng)藥等資源的有效利用提出了更高的要求。鑒于此，浙江省德清縣提出建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)德清縣現(xiàn)代園區(qū)的智能化灌溉，提高灌溉管理水平，節(jié)約人力資源，同時(shí)最大限度的節(jié)約灌溉用水，提高水資源的利用率。

物聯(lián)網(wǎng) 云技術(shù) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 應(yīng)用

1.引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，但不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，由于農(nóng)藥化肥的大量使用，導(dǎo)致環(huán)境破壞嚴(yán)重，給農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，國家為了加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的科學(xué)化管理，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將種植設(shè)施、養(yǎng)殖情況、生長情況、農(nóng)產(chǎn)品追溯、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中，讓顧客在網(wǎng)絡(luò)上就可以了解到該食品的整個(gè)生產(chǎn)過程，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展必將起到積極的作用。

鑒于此，浙江省德清縣擬以2011年和2012年中央財(cái)政小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目——禹越鎮(zhèn)大禹生態(tài)蔬菜基地高效節(jié)水灌溉工程為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)技術(shù)建立一套集自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化微灌系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)德清縣現(xiàn)代園區(qū)的智能化灌溉，提高灌溉管理水平，節(jié)約人力資源，同時(shí)最大限度的節(jié)約灌溉用水，提高水資源的利用效率。

2.項(xiàng)目實(shí)施的必要性和可行性

近年來，浙江省水利事業(yè)取得巨大成就的同時(shí)也意識(shí)到本省在高效節(jié)水灌溉方面的發(fā)展相對(duì)遲緩。農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略地位與農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不相匹配，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占GDP比重3％，農(nóng)民家庭收入中農(nóng)業(yè)收入所占比例不到15％，所以推動(dòng)高效節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。

浙江省水利事業(yè)取得巨大成就的同時(shí)也意識(shí)到在高效節(jié)水灌溉方面的發(fā)展相對(duì)遲緩。農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略地位與農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不相匹配，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占GDP比重3％，農(nóng)民家庭收入中農(nóng)業(yè)收入所占比例不到15％，所以推動(dòng)高效節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。

噴微灌面積所占灌溉面積比例，浙江省為7.5％，人口密度和自然條件相近的韓國為65％、日本為25％，土地貧瘠水資源匱乏的以色列，充分應(yīng)用噴微灌創(chuàng)造了發(fā)達(dá)農(nóng)業(yè)的奇跡。再經(jīng)過5～10年發(fā)展，浙江省能夠達(dá)到或接近韓國、日本的經(jīng)濟(jì)水平，噴微灌技術(shù)的應(yīng)用水平也應(yīng)當(dāng)同步提升，浙江省水土資源稟賦較以色列明顯優(yōu)越，有條件創(chuàng)建全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的典范。基于此，浙江省政府為了延續(xù)和擴(kuò)大“百萬畝噴微灌”應(yīng)用成果，和貫徹落實(shí)2015年中央一號(hào)文件有關(guān)“大力推廣節(jié)水技術(shù)，全面實(shí)施區(qū)域規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉行動(dòng)”精神和《浙江省人民政府辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)的意見》（浙政辦發(fā)〔2015〕3號(hào)），浙江省水利廳、浙江省農(nóng)業(yè)廳、浙江省林業(yè)廳、浙江省發(fā)展和改革委員會(huì)、浙江省財(cái)政廳、浙江省國土資源廳決定組織《關(guān)于開展高效節(jié)水灌溉工程總體建設(shè)方案編制工作的通知》（浙水農(nóng)〔2015〕15號(hào)）。旨在2016～2020年實(shí)施 “四個(gè)百萬工程”，即“百萬畝坡耕地雨水集蓄旱糧噴灌工程，百萬畝農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化標(biāo)準(zhǔn)型微灌工程，百萬畝林園地經(jīng)濟(jì)型噴灌工程和百萬畝水稻區(qū)管道灌溉工程”，以高效節(jié)水灌溉技術(shù)引領(lǐng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)。

截至2013年底，浙江累計(jì)建成驗(yàn)收的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)面積已達(dá)174萬畝，未來幾年里有望突破500萬畝。在高端技術(shù)集成的現(xiàn)代園區(qū)影響下，由農(nóng)民組織經(jīng)營的農(nóng)業(yè)園區(qū)更適合發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)型微灌，也能更好地推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。該示范項(xiàng)目實(shí)施有助于推進(jìn)德清縣“四個(gè)百萬畝”項(xiàng)目實(shí)施，尤其是對(duì)“百萬畝農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化標(biāo)準(zhǔn)型微灌工程”具有舉足輕重的作用。

3.項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線

德清縣現(xiàn)代園區(qū)示范項(xiàng)目建設(shè)，擬建立一套集高度自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化標(biāo)準(zhǔn)型微灌系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集灌溉點(diǎn)的土壤濕度、溫度、CO2濃度和光照強(qiáng)度，通過對(duì)現(xiàn)場控制柜中“遠(yuǎn)程/現(xiàn)場”切換開關(guān)的掌控；建成云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)電磁閥就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和手機(jī)自動(dòng)開閉的功能；實(shí)現(xiàn)智能化灌溉，提高水資源的利用率。

3.1智能化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

本項(xiàng)目是一個(gè)集成的物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)，采用“分層設(shè)計(jì)、模塊構(gòu)建”的設(shè)計(jì)思路，劃分不同功能模塊的邏輯架構(gòu)，描述系統(tǒng)主要接口，以保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、可擴(kuò)展性，具體應(yīng)用架構(gòu)如下圖所示。

平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)分為4個(gè)層次，依次是感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和服務(wù)應(yīng)用層，下面就各層進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）數(shù)據(jù)采集層。感知控制層主要實(shí)現(xiàn)物理信息的采集、終端設(shè)備的控制。信息采集通過各類傳感器、采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；設(shè)備控制通過控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層將采集的物理信息傳輸?shù)椒?wù)平臺(tái)軟件，并將服務(wù)平臺(tái)軟件的控制命令傳輸?shù)浇K端設(shè)備。

傳感器與采集節(jié)點(diǎn)之間通過RS-485接口連接，采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)關(guān)通過Wi-Fi接入局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。

（3）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供接收、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、搜索、呈現(xiàn)功能。主要功能在云端實(shí)現(xiàn)，通過云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制管理。

（4）服務(wù)應(yīng)用層。系統(tǒng)通過服務(wù)應(yīng)用層向用戶提供各項(xiàng)服務(wù)功能，包括：設(shè)備控制、環(huán)境感知、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理和系統(tǒng)管理。

3.2智能化灌溉系統(tǒng)在現(xiàn)代園區(qū)工作原理

該灌溉系統(tǒng)，需要通過設(shè)施作物對(duì)光、溫、水、肥、氣等環(huán)境參數(shù)的要求，選用適合設(shè)施作物生產(chǎn)管理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求的傳感器，并通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或現(xiàn)場總線技術(shù)組成傳感網(wǎng)絡(luò)；溫室測控?zé)o線傳感網(wǎng)采用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，單個(gè)溫室作為無線傳感網(wǎng)的一個(gè)測量控制區(qū)，傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組織組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)間信息傳遞采用多跳路由協(xié)議，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)到達(dá)控制中心，對(duì)溫室環(huán)境的調(diào)控信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)反饋到控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)閥門、風(fēng)機(jī)、溫度調(diào)節(jié)設(shè)備等進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的無線測控。應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)智能管理與決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)蔬菜生長環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測和遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)采集和處理、設(shè)施環(huán)境的智能調(diào)控、蔬菜生長模擬與預(yù)測、栽培方案的制訂與優(yōu)化等。構(gòu)建現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)三級(jí)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)施作物生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)管，確保信息傳輸實(shí)時(shí)、安全、穩(wěn)定。

圖1　平原現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2　平原現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3　示范設(shè)施大棚智能灌溉系統(tǒng)詳圖

4.預(yù)期成果

該項(xiàng)目示范成果可廣泛應(yīng)用于蔬菜、花卉、草莓、西甜等高效節(jié)水灌溉生產(chǎn)過程，尤其對(duì)浙江省政府提出的“四個(gè)百萬畝工程”具有推動(dòng)作用。本示范項(xiàng)目可在“百萬畝農(nóng)業(yè)園區(qū)智能化標(biāo)準(zhǔn)型微灌工程”進(jìn)行推廣，示范成果擬在浙江省范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，這將極大的促進(jìn)浙江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

［1］李瑾，郭美榮，高亮亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展策略［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015.31（Z2）:200-209.

［2］周小波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.32（3）:182-185.

［3］秦懷斌，李道亮，郭理.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014.（4）:246-252.

浙江省2015年農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與推廣項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的示范應(yīng)用?！?/p>