設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng)的研究

張艮龍,尹 蓉

(1.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030006;2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西 太原 030031)

2017-07-18

張艮龍(1984- )，男，山西長治人，工程師，研究方向：系統(tǒng)集成，軟件開發(fā)。

1674- 4578(2017)05- 0080- 04

設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng)的研究

張艮龍,尹 蓉

(1.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030006;2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西 太原 030031)

采用物聯(lián)網(wǎng)對農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)內(nèi)環(huán)境信息、作物生長信息進行實時采集，實現(xiàn)快速、多維、多尺度的監(jiān)測，并在專家知識系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)菌類大棚的智能加濕、智能排風(fēng)、智能卷簾等自動控制，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測提供了有效的解決手段。

設(shè)施農(nóng)業(yè)；遠程監(jiān)控；智能決策

目前，我國大多數(shù)菌類大棚生產(chǎn)主要依靠人工經(jīng)驗管理，缺乏系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)。要實現(xiàn)高水平的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制，信息獲取手段是最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大基礎(chǔ)(傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù))的高度集成而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)由數(shù)量眾多的低能源、低功耗的智能傳感器節(jié)點所組成，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到基站主機以及需要這些信息的

用戶，同時用戶也可以將指令通過網(wǎng)絡(luò)傳送到目標(biāo)節(jié)點使其執(zhí)行特定任務(wù)。本文針對上述問題，利用實時、動態(tài)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、多維、多尺度的信息實時監(jiān)測，并在信息與種植專家知識系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)菌類大棚的智能加濕、智能排風(fēng)、智能卷簾等自動控制。突破菌類大棚信息獲取困難與智能化程度低等技術(shù)發(fā)展瓶頸。

1 系統(tǒng)管理架構(gòu)

設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng)，在管理架構(gòu)上分為中心層、園區(qū)層和大棚層三部分。系統(tǒng)管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)管理架構(gòu)圖

中心層就是設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控中心，中心平臺部署于農(nóng)科院信息中心的服務(wù)器上。中心層管理全部的監(jiān)控點，功能包括：

1) 各個園區(qū)中大棚的環(huán)境監(jiān)測信息在網(wǎng)上的發(fā)布；

2) 遠程對每個大棚中執(zhí)行機構(gòu)的控制；

3) 每個大棚監(jiān)控主機控制參數(shù)的遠程設(shè)定。

園區(qū)層面向加入設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控與智能決策系統(tǒng)的各個園區(qū)的管理人員和農(nóng)戶，用戶通過訪問Internet上的設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控中心平臺發(fā)布的專屬于自己的界面(園區(qū)監(jiān)控管理系統(tǒng))實現(xiàn)對自己園區(qū)的管理和對大棚執(zhí)行機構(gòu)的遠程控制，例如遙控開啟簾、遙控開啟加濕設(shè)備和排風(fēng)設(shè)備。

大棚層面向棚內(nèi)工作的人員，用戶可以通過操作大棚內(nèi)的監(jiān)控主機實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的電氣化控制，也可瀏覽監(jiān)控主機上的環(huán)境歷史數(shù)據(jù)和棚內(nèi)相關(guān)監(jiān)控信息。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控中心平臺采用B/S結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，開發(fā)平臺軟件Visual Studio 2012,開發(fā)語言C#，數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控中心平臺主要功能模塊

3 功能設(shè)計

安裝位置及連接方式：中心軟件系統(tǒng)安裝在山西省農(nóng)科院機房服務(wù)器上，通過互聯(lián)網(wǎng)專線對外提供服務(wù)。

主要功能：該套系統(tǒng)將聯(lián)網(wǎng)的各園區(qū)菌類大棚中的各項環(huán)境因子集中監(jiān)測統(tǒng)一接收、存儲、展示，系統(tǒng)可以對菌類生長的各個階段的環(huán)境因子進行遠程分析并提出專業(yè)意見，同時系統(tǒng)可以進行控制參數(shù)的設(shè)置及控制命令的下發(fā)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的自動、手動控制，做到既提高科研效率，又實現(xiàn)菌類作物的高產(chǎn)豐收。具體功能如下：

1) 用戶管理

用戶分配、權(quán)限設(shè)置、用戶登陸、注冊、管理的界面。

注冊信息包括：姓名、性別、所屬單位、園區(qū)/基地、電話、用戶名、密碼等。

權(quán)限設(shè)置包括：站點管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、圖像視頻模塊、專家系統(tǒng)模塊的權(quán)限設(shè)置。

規(guī)定用戶使用權(quán)限，不同用戶提供不同的操作權(quán)限，非用戶不能登陸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全，操作簡單而富有人性化。即隸屬某個園區(qū)的用戶，只能查詢、控制該園區(qū)內(nèi)的大棚，不能查看及控制別的基地的大棚。

2) 園區(qū)大棚站點管理

園區(qū)、大棚、測點的分配、權(quán)限設(shè)置。

此為現(xiàn)場安裝人員后臺管理維護功能。為安裝人員提供站點管理注冊的界面：每安裝一個大棚，將該大棚的信息(省區(qū)、市、園區(qū)、大棚號、安裝的設(shè)備信息等)注冊到數(shù)據(jù)庫，便于權(quán)限管理及設(shè)備控制。

3) 參數(shù)設(shè)置

通訊時間間隔、自動對時間隔、采樣間隔等的錄入與修改。

為初始化設(shè)置，即每安裝一個大棚，對大棚中的設(shè)備通訊規(guī)則進行設(shè)置，如上傳數(shù)據(jù)的時間間隔、采樣時間間隔，以及風(fēng)機、噴灌的開關(guān)狀態(tài)、卷簾的打開量程范圍等。

此外，用戶還可以選擇是否對該園區(qū)中的所有大棚或某幾個大棚統(tǒng)一按照上面的規(guī)則進行設(shè)置。

4) 數(shù)據(jù)顯示

多園區(qū)、多測點實時數(shù)據(jù)查看(數(shù)據(jù)列表和曲線圖)、歷史數(shù)據(jù)查看(數(shù)據(jù)列表和曲線圖)。

查詢條件：隸屬的條件如：省份、地區(qū)、園區(qū)、大棚的選擇。

時間條件如：查詢時間(一天、一周、一月、自定義時間)。

5) 數(shù)據(jù)分析

實現(xiàn)按園區(qū)、大棚的數(shù)據(jù)查詢，控制事件查詢，為專家結(jié)合數(shù)據(jù)、視頻及控制序列綜合分析菌類的生長情況為智能決策提供數(shù)據(jù)支持。

6) 圖像視頻

多園區(qū)、多測點實時視頻或定時抓拍圖片的查看。

現(xiàn)場的視頻監(jiān)控根據(jù)現(xiàn)場3G/4G信號的強弱、上網(wǎng)速度的快慢可以采取兩種方式。

◆遠程視頻監(jiān)控：對于信號強度好、上網(wǎng)速度快的地方，使用具有螢石方案的攝像機，通過螢石開發(fā)平臺和其提供的SDK開發(fā)一套遠程視頻監(jiān)控網(wǎng)頁，部署在圖像視頻模塊上，將圖像及視頻播放界面嵌入到網(wǎng)頁中。視頻播放可隨時抓拍圖像，圖像信息上傳到服務(wù)器指定文件夾中，并在數(shù)據(jù)庫Image表中插入該圖像的信息，便于調(diào)用檢索。對于有云臺的螢石的攝像機，在播放界面中可控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)，便于用戶查看不同角度的現(xiàn)場狀況。

◆抓拍圖片上傳：大棚現(xiàn)場處于鄉(xiāng)村地區(qū)，移動網(wǎng)絡(luò)信號強度不如城區(qū)，在某些因為上網(wǎng)速度較慢無法進行第一種所給出的遠程視頻監(jiān)控方案的情況下，可以考慮抓拍圖片上傳的方案。

監(jiān)控主機通過繼電器給攝像機發(fā)送報警信號，攝像機接收到報警信號抓拍圖片，并通過局域網(wǎng)把圖片上發(fā)到建立FTP服務(wù)器的監(jiān)控主機上。監(jiān)控主機采用拆分的方式，把圖片一包一包的發(fā)送到農(nóng)業(yè)設(shè)施遠程監(jiān)控中心的服務(wù)器上，避免了上網(wǎng)速度的限制。圖像信息上傳到服務(wù)器指定文件夾中，并在數(shù)據(jù)庫Image表中插入該圖像的信息，便于調(diào)用檢索。但是該站點只能瀏覽圖片而不能實時播放視頻。

7) 專家系統(tǒng)

根據(jù)實驗情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，系統(tǒng)自動給出大棚設(shè)施的控制方案，并下發(fā)命令指導(dǎo)大棚監(jiān)控系統(tǒng)完成自動控制。

定義相應(yīng)的規(guī)則，根據(jù)蘑菇不同的生長周期對空氣溫度范圍、空氣濕度范圍、土壤溫度范圍、土壤濕度范圍、CO2濃度范圍、照度范圍、以及超出該范圍的時間間隔(比如超出范圍30 min，再對設(shè)備進行控制，防止到達臨界值設(shè)備不停的震蕩進行開關(guān)操作)，即設(shè)定好相應(yīng)的條件，到達條件后對風(fēng)機、卷簾、噴灌的開關(guān)進行控制。并向管理員發(fā)送報警短信信息。

在該界面設(shè)計一個checkbox控件，“是否使用專家控制”，用戶如果選擇該功能，則觸發(fā)設(shè)定的專家規(guī)則后，自動對風(fēng)機、卷簾、噴灌的開關(guān)進行控制，如果沒有勾選，用戶可參照當(dāng)前條件，手動進行控制。

此外，開發(fā)對這些參數(shù)(錄入、修改、刪除)設(shè)置的界面。

8) 手動控制

實現(xiàn)手動控制大棚設(shè)施的執(zhí)行機構(gòu)。

手動控制風(fēng)機、卷簾、噴灌等設(shè)備的開關(guān)及當(dāng)前設(shè)施控制狀態(tài)圖。

9) 操作日志

可查詢每個大棚可控設(shè)施的操作情況。

記錄每位用戶對風(fēng)機、卷簾、噴灌等設(shè)備的操作情況、以及操作時間等進行記錄。

10) 短信通知

有報警情況可短信通知管理者。

記錄短信報警的時間、內(nèi)容、報警人等。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的亮點在于應(yīng)用先進的農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)，該技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，作為智慧農(nóng)業(yè)的神經(jīng)末梢，是整個智慧農(nóng)業(yè)鏈條上最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。通過部署無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)內(nèi)環(huán)境信息、作物生長信息的實時采集，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測提供了有效的解決手段，該套系統(tǒng)將菌類大棚中的各項環(huán)境因子集中監(jiān)測統(tǒng)一上發(fā)到省農(nóng)科院，農(nóng)業(yè)專家就可以對菌類生長的各個階段的環(huán)境因子進行遠程分析并提出專業(yè)意見，做到既提高科研效率，又實現(xiàn)菌類作物的高產(chǎn)豐收。本套系統(tǒng)的重要意義在于建成后，將構(gòu)建全省范圍的菌類種植監(jiān)控云平臺，對全省菌類種植精確監(jiān)測，輔助政府部門智慧決策。

[1] 嚴璋鵬,彭程.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)實施方案研究.西安郵電大學(xué)學(xué)報，2013(4):105-108.

李尤豐,王智鋼.基于動態(tài)云的智慧農(nóng)業(yè)架構(gòu)研究.計算機計算與發(fā)展，2014(3):190-193.

郭慰.基于云計算和大數(shù)據(jù)的智慧農(nóng)業(yè)平臺.城市建設(shè)理論研究(電子版),2015(5)：2.

StudyonRemoteMonitoringandIntelligentDecisionSupportSystemforFacilityAgriculture

Zhang Genlong, Yin Rong

(1.No.33ResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,TaiyuanShanxi030031,China; 2.PomologyInstitute,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,TaiyuanShanxi030031,China)

IOT(Internet of Things)is used to collect environment and crop growth information in agricultural monitoring area to realize the fast, multidimensional and multi-scale monitoring; and the automatic control for intelligent humidification, exhaust and shutter of mushroom greenhouse on the basis of the expert knowledge system is realized to provide an effective way for accurate agricultural monitoring.

facility agriculture; remote monitoring; intelligent decision

TP277；TP311

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