現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)農(nóng)田監(jiān)控云服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許佳松　劉曉蒙　張正陽　宋勇建

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的要求越來越高，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)收集體系。在將網(wǎng)絡(luò)中獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，利用云?gòu)成的計(jì)算機(jī)分布式系統(tǒng)讓遠(yuǎn)程大規(guī)模監(jiān)控農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)成為可能。本文將監(jiān)控終端、云端服務(wù)、底層數(shù)據(jù)庫建模、終端用戶的系統(tǒng)融合到一個(gè)平臺(tái)內(nèi)，讓平臺(tái)可以提供更加豐富多元的方式，在唐山臥龍谷現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)實(shí)踐達(dá)到了低成本部署和多元化管理的目標(biāo)。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的要求越來越高，農(nóng)業(yè)中越來越多的采用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位、時(shí)變、異變、定時(shí)、定量對(duì)農(nóng)業(yè)形成一整套的信息化管理方案。本文以唐山臥龍谷現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)為實(shí)驗(yàn)基地，在園區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，增加布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田監(jiān)測基站，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境、果樹長勢、病蟲害、生產(chǎn)信息記錄（施肥、用藥、調(diào)整溫度、土壤濕度、光照等）的信息采集和標(biāo)準(zhǔn)化，建立基站、企業(yè)服務(wù)器端、云端的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)同步，在云端提供數(shù)據(jù)分析和云服務(wù)。本研究將以數(shù)據(jù)采集端、基地（企業(yè)）服務(wù)端、云服務(wù)端為基本架構(gòu)，研究系統(tǒng)集成中數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析與服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)適合農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的云服務(wù)系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是，結(jié)合唐山臥龍谷實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套適宜農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，集物聯(lián)網(wǎng)基站數(shù)據(jù)采集、本服務(wù)器、云端服務(wù)于一體的生產(chǎn)監(jiān)控云服務(wù)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向上主要是兩大部分，一個(gè)部分是圍繞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理設(shè)施部署的方案設(shè)計(jì)，另一個(gè)部分是圍繞云服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建完善的軟件系統(tǒng)。

在硬件環(huán)境上要考慮唐山臥龍谷現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施，不搞重復(fù)建設(shè)盡可能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。目前園區(qū)已實(shí)現(xiàn)了WIFI全覆蓋、視頻監(jiān)控、園區(qū)服務(wù)器及服務(wù)平臺(tái)已投入運(yùn)行。從設(shè)備功能上劃分，前端功能主要是各種傳感器構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)和各種攝像頭溝通才的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。園區(qū)內(nèi)部有園區(qū)內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)器，后端的云端可以利用目前的學(xué)校數(shù)學(xué)與信息科技學(xué)院云中心提供的云服務(wù)部署云端系統(tǒng)。用戶終端可以用PC通過有線接入云端，也可以利用移動(dòng)終端采用3G/4G網(wǎng)絡(luò)訪問訪問云端數(shù)據(jù)。

目前傳感網(wǎng)絡(luò)主要采用485總線組網(wǎng)設(shè)計(jì)連接傳感器，然后通過環(huán)境監(jiān)測主機(jī)匯聚數(shù)據(jù)，在鏈接交換機(jī)，進(jìn)入IP網(wǎng)絡(luò)與園區(qū)內(nèi)部對(duì)接。攝像頭通過本地服務(wù)器推流轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和信令與交換機(jī)鏈接接入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。最后，園區(qū)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心的云端對(duì)接，目前數(shù)據(jù)中心已具有H3C全套云服務(wù)設(shè)備，可提供云服務(wù)。

在軟件上要充分發(fā)揮云計(jì)算的能力，設(shè)計(jì)上采用縱向的微服務(wù)劃分和橫向的系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)。在層次上分為終端層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、傳輸層和感知層。

由下到上，感知層主要從傳感器上獲取的數(shù)據(jù)，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速等基礎(chǔ)監(jiān)控。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)和傳輸層接入到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化和歸一化處理，統(tǒng)一匯聚到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。在云端利用分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將大量數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)特征分散到數(shù)據(jù)聚合平臺(tái)上。然后在應(yīng)用層根據(jù)聚合數(shù)據(jù)映射到數(shù)據(jù)分析模型上，從而降低了系統(tǒng)的耦合性，數(shù)據(jù)在不同的業(yè)務(wù)平面有著不同的表示和映射關(guān)系。在應(yīng)用層，利用云服務(wù)設(shè)計(jì)將業(yè)務(wù)劃分成傳感監(jiān)控、數(shù)據(jù)控制、圖像監(jiān)控和云服務(wù)管理，通過業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)和安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，提供上層的終端層更為豐富和可靠的數(shù)據(jù)交互體驗(yàn)。終端層提供了傳統(tǒng)的PC終端和移動(dòng)終端兩種訪問模式，從而保證了用戶更為多元的管理需求。

2、 系統(tǒng)應(yīng)用

本文的設(shè)計(jì)方案最終在唐山臥龍谷現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)實(shí)施，利用園區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，增加布設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田監(jiān)測基站，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境生長信息記錄（空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照等）的信息采集和標(biāo)準(zhǔn)化，建立基站、企業(yè)服務(wù)器端、云端的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)同步，在云端提供數(shù)據(jù)分析和云服務(wù)。讓用戶可以直觀的通過云端訪問到實(shí)際數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集端、基地（企業(yè)）服務(wù)端、云服務(wù)端為基本架構(gòu)，為用戶提供了統(tǒng)一的服務(wù)入口，讓用戶可以在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)就可以獲得詳實(shí)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)環(huán)境對(duì)比，決策調(diào)整優(yōu)化參數(shù)（土壤濕度、降水量、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強(qiáng)度、CO2濃度等），也可以根據(jù)當(dāng)前的土壤環(huán)境生成決策建議供用戶選擇合理的種植作物。同時(shí)，利用云服務(wù)完成農(nóng)業(yè)園區(qū)氣象數(shù)據(jù)可視化，快速生成園區(qū)氣象數(shù)據(jù)報(bào)告，讓用戶可以獲得更為及時(shí)的數(shù)據(jù)體驗(yàn)。移動(dòng)端和PC終端都可以通過不同的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)訪問云端的數(shù)據(jù)實(shí)體，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)訪問由云端調(diào)度不同的應(yīng)用服務(wù)，滿足不同的應(yīng)用的場景，從而避免了重復(fù)建設(shè)不同應(yīng)用的代價(jià)，達(dá)到了易于部署的效果。

綜上所述，本文通過對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域研究借助云端服務(wù)和終端設(shè)備、通信設(shè)備構(gòu)建了一個(gè)完整的基于服務(wù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控體系，最終用戶利用移動(dòng)終端和WEB方式獲取監(jiān)控信息，輔助用戶監(jiān)控。本文利用在物聯(lián)網(wǎng)成熟的總分結(jié)構(gòu)傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)的模式構(gòu)建了一個(gè)監(jiān)控局域網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。終端用戶利用APP在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上就可以共享數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以利用WEB訪問云端服務(wù)共享數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的核心功能均在云端提供服務(wù)實(shí)際應(yīng)用中具有較低的部署成本和完善的應(yīng)用功能。

（作者單位：066004河北科技師范學(xué)院）