基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究應(yīng)用

丁曉穎+史昊玲+李博

摘要 介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控服務(wù)平臺設(shè)計(jì)的總體思路，并提出物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)方案，包括系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)、功能和硬件構(gòu)成。系統(tǒng)通過各種傳感器采集日光溫室種植過程中的關(guān)鍵要素?cái)?shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將其及時(shí)傳送到控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)用戶對作物生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，有效預(yù)防病蟲害、提高生產(chǎn)質(zhì)量、提升勞動(dòng)效率、節(jié)約成本、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)控；數(shù)據(jù)挖掘；專家診斷系統(tǒng)

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0240-02

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程在農(nóng)業(yè)服務(wù)業(yè)中開展應(yīng)用后，通過基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)平臺可以有效改變生產(chǎn)模式，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能[1-3]。通過建立物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)，將日光溫室種植過程中關(guān)鍵的要素（空氣的溫度、濕度及土壤的溫度、濕度等）數(shù)據(jù)通過各種傳感器的采集，并利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)如以太網(wǎng)WEB、GPRS、3G等，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到本地的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制室以及遠(yuǎn)端的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，使設(shè)施農(nóng)業(yè)管理人員及時(shí)掌握農(nóng)作物的生長環(huán)境，并及時(shí)采取控制措施，從而達(dá)到預(yù)防病蟲害、提高生產(chǎn)質(zhì)量、提升勞動(dòng)效率的目的。通過農(nóng)業(yè)專家預(yù)警系統(tǒng)，調(diào)節(jié)適宜作物的設(shè)施內(nèi)小環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高水肥利用率，降低人力消耗。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以有效預(yù)測和預(yù)防風(fēng)災(zāi)、雪等自然災(zāi)害，防止設(shè)施損害、農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)。在作物的不同生長階段，種養(yǎng)殖戶實(shí)時(shí)定量監(jiān)控各環(huán)境因子，如光、溫、水、氣等，科學(xué)管理設(shè)施內(nèi)作物的水、肥、氣等環(huán)境因子，降低人力消耗，實(shí)現(xiàn)了真正的精耕細(xì)作[4-5]。

1 總體思路

依靠無線網(wǎng)絡(luò)，對區(qū)域內(nèi)分散的農(nóng)業(yè)設(shè)施實(shí)行精細(xì)化管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控光、溫、水、氣、濕及病蟲等對作物生長有重要影響的因素，掌握其變化情況。此模式可以應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖、大棚果蔬生產(chǎn)等。農(nóng)民可以使用手機(jī)或電腦在該系統(tǒng)平臺上查詢自己的種、養(yǎng)情況，例如大棚和雞豬舍超過或達(dá)不到正常狀況隨時(shí)有短信提示。在了解種養(yǎng)過程中各項(xiàng)關(guān)鍵要素的實(shí)時(shí)變化情況后，可以通過專家系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵因素的定時(shí)、定量分析，對病蟲害的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行預(yù)測預(yù)警，以便農(nóng)戶及時(shí)采取應(yīng)對措施，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障[6]。

2 技術(shù)方案

2.1 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)

一是信息采集采用智能測控系統(tǒng)，依托物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測農(nóng)作物生產(chǎn)；二是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)用智能產(chǎn)品檢測、控制作物；三是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的科學(xué)化與智能化，通過智能產(chǎn)品中的專家知識和技術(shù)支持，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)戶提供及時(shí)有效的服務(wù)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的功能

2.2.1 環(huán)境監(jiān)測。主要包括各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，如溫度、光照、土壤水分、濕度等，監(jiān)測范圍包括大棚及作物生產(chǎn)區(qū)域。通過單傳感節(jié)點(diǎn)獨(dú)立采集和多傳感節(jié)點(diǎn)匯集采集的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)街鳈C(jī)，再轉(zhuǎn)至服務(wù)器（GPRS網(wǎng)絡(luò)），以此實(shí)現(xiàn)可視化展現(xiàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢，并對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)形成直觀曲線。

2.2.2 數(shù)據(jù)挖掘。進(jìn)行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下標(biāo)準(zhǔn)溫室揭簾時(shí)間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，蓋簾時(shí)間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，其中X為當(dāng)日到6月22日之間的天數(shù)，TEXT為Excel函數(shù)，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)小環(huán)境內(nèi)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)可控化生產(chǎn)。

2.2.3 智能預(yù)警、報(bào)警。一是報(bào)警。對任意監(jiān)測指標(biāo)或者在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到的二級指標(biāo)設(shè)置警戒閾值，滿足一個(gè)或者多個(gè)報(bào)警條件時(shí)，系統(tǒng)通過短信、電子郵件等方式向農(nóng)戶、管理員等發(fā)出警報(bào)，通知其及時(shí)采取應(yīng)對和處理措施。二是預(yù)警。設(shè)置一定的條件，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算更新，當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)以及二級指標(biāo)被預(yù)測到未來將達(dá)到某一閾值，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)先警報(bào)。以多種形式通知用戶，提醒其提前做好防范準(zhǔn)備。

2.2.4 基地管理。主要包括基地（園區(qū)、片區(qū)）管理、大棚管理、設(shè)備（監(jiān)測、控制設(shè)備，網(wǎng)關(guān)，設(shè)備參數(shù)）管理等。同時(shí)，可按以生產(chǎn)企業(yè)、合作社分布圖的方式進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)通過提供直觀的頁面為用戶查詢和控制提供便利。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)硬件通過RF組網(wǎng)技術(shù)，完成各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，通過檢測各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)生長環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

2.3.1 工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)。專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，在生產(chǎn)過程中監(jiān)測與控制各個(gè)機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)流程以及數(shù)據(jù)參數(shù)。

2.3.2 傳感器。①光照傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～50 000 lx之間，準(zhǔn)確度為±50 lx；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。②溫濕度傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在 -20～60 ℃之間，準(zhǔn)確度±2 ℃；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。③二氧化碳傳感器。采用 <36 V直流供電或者電池供電；量程在0～5 000 mg/kg之間；準(zhǔn)確度±40 mg/kg；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。④土壤水分傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～100%之間；準(zhǔn)確度為±3%；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，直插式安裝。

2.3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）主要用于匯集、打包多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位機(jī)及市級數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)關(guān)與采集控制器組成基于RF射頻的無線傳輸網(wǎng)，傳輸距離 ≥1 000 m，1個(gè)溫室大棚部署1套采集控制器，則通過1個(gè)網(wǎng)關(guān)控制32個(gè)大棚的采集器。具有設(shè)備入網(wǎng)功能，與周圍無線采集器、無線控制組成網(wǎng)絡(luò)；不同的網(wǎng)關(guān)與周圍采集控制節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)成互不干擾的網(wǎng)絡(luò)。

2.3.4 采集器。1個(gè)采集控制器負(fù)責(zé)1個(gè)環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集溫室的各種數(shù)據(jù)，通常1個(gè)大棚部署1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)（較大規(guī)模溫室可設(shè)置多套）。采集控制器具有LED顯示屏功能（圖1），可循環(huán)顯示采集到的溫度、濕度、土壤水分、二氧化碳等數(shù)據(jù)信息；采集控制器通過RF射頻向數(shù)據(jù)網(wǎng)管發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3.5 氣象哨。氣象哨可以采集露地和溫室外相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，為種植管理者提供環(huán)境依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和決策提供幫助。

2.3.6 LED顯示終端。LED（0.35 m×1.00 m）陣列顯示屏，放置于安裝物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的溫室緩沖間外壁，可實(shí)時(shí)顯示該溫室的環(huán)境參數(shù)，方便生產(chǎn)管理者及時(shí)采取措施，確保溫室環(huán)境穩(wěn)定。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

通過對冀東半地下式棚室內(nèi)多個(gè)傳感器大量數(shù)據(jù)的采集與分析，挖掘出本地設(shè)施內(nèi)的溫、濕、水、氣等多種作物生長因子的變化規(guī)律，結(jié)合設(shè)施內(nèi)當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N，編制出相應(yīng)作物的物聯(lián)網(wǎng)控制參數(shù)閾值（針對冀東地區(qū)半地下溫室，黃瓜頂風(fēng)口單獨(dú)放風(fēng)溫度閾值為25.5 ℃，西紅柿頂風(fēng)口單獨(dú)放風(fēng)溫度閾值為27 ℃，雙風(fēng)口同時(shí)放風(fēng)溫度閾值提高2 ℃），形成標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用APP技術(shù)，通過專家知識庫服務(wù)器遠(yuǎn)程自動(dòng)應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)對冀東地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中的核心要素及畜牧養(yǎng)殖環(huán)境中的關(guān)鍵指標(biāo)（如溫度、濕度、NH4濃度、CO2濃度、土壤水分）的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制能力。

進(jìn)行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下式標(biāo)準(zhǔn)溫室揭簾時(shí)間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，蓋簾時(shí)間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，其中X為當(dāng)日到6月22日之間的天數(shù)，TEXT為Excel函數(shù)，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)小環(huán)境內(nèi)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)可控化生產(chǎn)。

整合多種資源，形成氣象+市場+物流=農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，改善系統(tǒng)處理異常數(shù)據(jù)的容錯(cuò)能力，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)判性控制。推廣微灌肥水一體化技術(shù)，利用控制器精準(zhǔn)控制施肥量，可使肥料利用率提高40%～50%，春季黃瓜結(jié)果盛期，黃瓜棚每4 d隨水澆施純N 19.5 kg/hm2、P2O5 7.5 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。

4 效益分析

4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

一是通過物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)的精確溫濕度控制，保證適宜的水、肥、氣、熱等作物生長因子管理，做到科學(xué)種養(yǎng)，平均年增收2.1萬元/hm2。以種植溫室黃瓜為例，溫室黃瓜平均產(chǎn)量為105 t/hm2，平均增產(chǎn)8%（8.4 t/hm2），按平均價(jià)格2.4元/kg計(jì)算，實(shí)現(xiàn)增收2.016萬元/hm2。二是通過物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化控制，使每個(gè)棚室每年減少用工時(shí)數(shù)18個(gè)，節(jié)省農(nóng)藥、水肥成本90元，溫室平均可節(jié)約成本28 350元/hm2。

4.2 社會(huì)效益和生態(tài)效益

一是有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境；二是節(jié)約了水肥資源；三是實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的遠(yuǎn)程化和自動(dòng)化，減少了人工投入，從而使社會(huì)資源得到更合理的分配?？梢灾苯哟龠M(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，并為農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。

5 參考文獻(xiàn)

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