基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化管理系統(tǒng)案例研究

許衍會

摘 要 為推動農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，本文以JJR公司為對象研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)水肥一體化管理系統(tǒng)，通過傳感設(shè)備對農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析，對農(nóng)作物的狀態(tài)提供實時監(jiān)控，用戶可在PC端、微信上獲取可視化數(shù)據(jù)，借助科學(xué)化數(shù)據(jù)化分析及遠程操作，實現(xiàn)科學(xué)的灌溉和施肥方案。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng);水肥一體化;農(nóng)作物;管理系統(tǒng)

JJR公司通過利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)自主開發(fā)了智能水肥一體化管理系統(tǒng)。公開數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)已成功在國內(nèi)外近百畝農(nóng)場上得到應(yīng)用，與傳統(tǒng)灌溉、施肥相比，水肥可節(jié)約40%至50%，每畝增收增產(chǎn)超10%。本文結(jié)合JJR公司在水肥一體化管理系統(tǒng)的實踐，研究物聯(lián)網(wǎng)為核心的新興技術(shù)在農(nóng)作物管理中的應(yīng)用，旨在有效提升農(nóng)作物種植管理的智能化水平。

1JJR水肥一體化系統(tǒng)概述

JJR水肥一體化管理系統(tǒng)（以下簡稱“JJR系統(tǒng)”）通過集成國際領(lǐng)先的水肥一體化設(shè)備，采用先進的灌溉技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)遠程控制、地理信息系統(tǒng)、土壤氣象墑情監(jiān)測等技術(shù)，構(gòu)建出一套完備的農(nóng)作物智能服務(wù)體系，實現(xiàn)了對農(nóng)作物生長環(huán)境的實時監(jiān)控、水肥灌溉遠程控制、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集分析等功能，實現(xiàn)農(nóng)作物全周期的標準化作業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在JJR系統(tǒng)中起到非常關(guān)鍵的作用，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層都離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，JJR系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了農(nóng)作物的生態(tài)監(jiān)控和水肥遠程控制功能，而且提供專家診斷功能[1]。

2系統(tǒng)分層架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)感知層

感知層采用傳感裝置來收集農(nóng)作物環(huán)境信息，包括感知環(huán)境、采集數(shù)據(jù)的傳感器，用于獲取環(huán)境信息。

JJR系統(tǒng)感知層采用自主研發(fā)的JJR潤土、JJR捷氣及攝像頭等設(shè)備，潤土主要用于獲取田間數(shù)據(jù)，包括土壤溫度、濕度、鹽分等;捷氣主要用于采集生態(tài)環(huán)境及氣候要素;攝像頭感知終端支持在線畫面實時終端接入，可對農(nóng)作物現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控，用于農(nóng)作物及農(nóng)田的實時監(jiān)控，實時采集數(shù)據(jù)信息。

2.2 系統(tǒng)傳輸層

傳輸層負責(zé)對傳感器數(shù)據(jù)收集、傳送上云服務(wù)，該層主要包括與感知層設(shè)備的有線連接、無線連接及網(wǎng)關(guān)。在系統(tǒng)傳輸設(shè)計上，將文本轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)方法再進行傳輸，以減少流量，且將一定時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)合并傳輸，減少發(fā)送次數(shù)、降低電量消耗。

JJR系統(tǒng)傳輸層采用電力載波通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，在電力載波通信技術(shù)通信距離遠、抗干擾強、信號和電源同一傳輸介質(zhì)且技術(shù)成熟，物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)通信距離遠、抗干擾強、擴頻載波、低功耗、多節(jié)點、全球免費頻段、成本低且拓展便利，節(jié)點容量大，覆蓋范圍廣，兩種技術(shù)各有優(yōu)劣，通過優(yōu)勢互補，JJR公司采用自主開發(fā)的傳輸設(shè)備JJR-精靈，集成了GPRS、3G、4G、有線等傳輸功能，為系統(tǒng)傳輸層提供穩(wěn)定服務(wù)[2]。

2.3 系統(tǒng)后臺支撐層

JJR后臺支撐層核心之一是云服務(wù)系統(tǒng)，JJR公司與全球領(lǐng)先的云服務(wù)提供商阿里云開展深入合作，在自建私有云基礎(chǔ)上，將水肥一體化管理平臺采集的海量數(shù)據(jù)使用阿里云云服務(wù)進行存儲、管理和分析處理，數(shù)據(jù)安全，穩(wěn)定性強，數(shù)據(jù)遷移、備份、恢復(fù)便捷，且根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模隨時擴充服務(wù)器容量，按需配置;提供數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)，利用阿里云云計算分布式處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進行挖掘，數(shù)據(jù)處理高效，及時向客戶端提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果及預(yù)警服務(wù);提供多賬號權(quán)限分級，根據(jù)業(yè)務(wù)要求和權(quán)限設(shè)置差異化的功能操作和數(shù)據(jù)展示，向客戶端提供API接口，為用戶提供數(shù)據(jù)展示和管理界面。

JJR后臺支撐層另外一個核心是大數(shù)據(jù)分析平臺，基于JJR農(nóng)業(yè)監(jiān)控平臺采集的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)分析平臺進行數(shù)據(jù)處理，建立設(shè)備運行監(jiān)控、土壤肥力、水肥用量、作物生長、氣象數(shù)據(jù)等模型，從而更好地根據(jù)土壤的養(yǎng)肥含量和作物的需水需肥規(guī)律，進行全生育期精準水肥灌溉，在保產(chǎn)保量的同時，節(jié)水、節(jié)電、省肥、節(jié)勞力，指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品標準化生產(chǎn)，提高集約經(jīng)營水平。

（1）設(shè)備運行監(jiān)控模型 通過記錄每一次設(shè)備的操作行為，經(jīng)統(tǒng)計分析，將人工經(jīng)驗與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，從而運算生成更 高效、合理的灌溉方案。

（2）作物生長模型 通過記錄作物全生長周期的用水、施肥、噴藥等數(shù)據(jù)，不斷進行機器修正后，與農(nóng)藝指標、監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，最終得出作物的標準化種植模型。

（3）氣象模型 通過氣象監(jiān)測站獲取的數(shù)據(jù)以及遙感衛(wèi)星的分析支持，做到小范圍的“靶向預(yù)測”，指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)。

（4）系統(tǒng)應(yīng)用層

用戶通過API接口可以在PC端或微信上隨時查看經(jīng)云端分析處理的圖形化數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示進行遠程操作管理，例如，經(jīng)分析采集到的土壤和天氣溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，農(nóng)作物需要進行灌溉的，應(yīng)用層會發(fā)出灌溉預(yù)警，用戶收到系統(tǒng)提示后，可在web端或者微信端進行遠程灌溉操作;此外，借助于攝像終端，應(yīng)用層可以獲得農(nóng)作物的實時畫面，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源、遠程指導(dǎo)種植戶生產(chǎn)作業(yè)等功能[3]。

3結(jié)束語

JJR公司自主研發(fā)的水肥一體化管理系統(tǒng)經(jīng)過多年的實踐和完善，得到了國內(nèi)外眾多合作方的認可，一定程度上推動了智慧農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的發(fā)展，但是要看到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還在不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的精準度還需要進一步提升，此外，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的缺乏，成熟的農(nóng)作物生長模型還需進一步完善。

智能灌溉只是智慧農(nóng)業(yè)的一部分，JJR公司目前已經(jīng)推出“螞蟻數(shù)據(jù)農(nóng)場”項目，集農(nóng)場規(guī)劃、種植方案、農(nóng)業(yè)金融、農(nóng)化服務(wù)、水肥一體化、農(nóng)產(chǎn)品銷售等為一體，依托數(shù)據(jù)支持，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)，整合先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)、資金、市場等各類要素，通過新技術(shù)和新模式構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)新格局，破解行業(yè)痛點難點，助力中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1] 范鳳翠，李志宏，王桂榮，等.國外主要國家農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展現(xiàn)狀及特點的比較研究[J].農(nóng)業(yè)圖書情報學(xué)刊，2006，18（6）：176-177.

[2] 張民，陳鵬.中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及思考[J].中國科技投資，2012（9）：40-41.

[3] 劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學(xué)，2010， 37（6）：3-4.