設(shè)施栽培物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控與精準(zhǔn)管理研究

韋劌

摘要：主要通過搭建物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培的過程中所產(chǎn)生的各種生產(chǎn)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和智能控制，可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)開環(huán)及閉環(huán)智能化控制，設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚中調(diào)節(jié)室內(nèi)小氣候的各種措施所使用的電動設(shè)備，增加無線遠(yuǎn)程控制功能，并將各種控制開關(guān)集成到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大平臺中，達(dá)到智能監(jiān)控與精準(zhǔn)管理一手抓。可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)施栽培中影響作物生長的主要環(huán)境因子實(shí)時監(jiān)測，包括空氣溫濕度，光照強(qiáng)度，土壤水分等數(shù)據(jù)，無線遠(yuǎn)程智能控制器可根據(jù)用戶設(shè)定的在底層完成對風(fēng)機(jī)，濕簾，水泵，卷膜機(jī)等生產(chǎn)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的控制，并將數(shù)據(jù)及控制過程傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，及時的展現(xiàn)給園區(qū)管理員或用戶。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);設(shè)施栽培;智能監(jiān)控;精準(zhǔn)管理

中圖分類號：S668.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0137-04

0 引言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過采用大量的傳感器采集節(jié)點(diǎn)、傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)、攝像監(jiān)控設(shè)備、儀器儀表等各類感知設(shè)備構(gòu)成智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采集農(nóng)作物種植的各種環(huán)境信息和生長因素，并通過互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠地傳輸農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和計(jì)算，然后展現(xiàn)到智能操作終端上，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程更加自動化、智能化，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，世界各國都在廣泛深入研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但還處于試驗(yàn)和示范階段。美國在農(nóng)業(yè)施肥噴藥、大型噴灌機(jī)的精準(zhǔn)控制等控制技術(shù)開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;日本以輕便型智能農(nóng)機(jī)具為特征的精確農(nóng)業(yè)，提供智能化的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)操作終端，實(shí)現(xiàn)田間的施肥管理、收成的預(yù)測和病蟲害的控制防治;荷蘭建成溫室農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)體系，通過計(jì)算機(jī)控制的噴淋、滴灌灌溉和人工氣候系統(tǒng)，溫室的光照、需水量、需氧量實(shí)現(xiàn)定時定量供給[1]。

近些年我國隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，大量人員進(jìn)入城鎮(zhèn)務(wù)工，導(dǎo)致農(nóng)村的務(wù)農(nóng)人數(shù)不斷減少，農(nóng)耕方式也由最初的小規(guī)模種植模式逐步向大規(guī)模種植模式轉(zhuǎn)變，這就要求農(nóng)業(yè)上利用自動化和智能化的科學(xué)技術(shù)來提高農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量和效率[4]。而目前，我國的農(nóng)業(yè)種植及管理工作大部分仍然是人工來完成，信息化、自動化、智能化程度較低。雖然目前我國農(nóng)業(yè)科技水平在逐漸的提升，在農(nóng)業(yè)方面的科技水平也取得了一定的成果，但是在智能監(jiān)測和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中依舊不是很穩(wěn)定。而物聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)代信息化技術(shù)的重要組成部分，將其運(yùn)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理上會使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加精細(xì)化，還可以使人力成本降低，同時還能獲取到大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及信息，還可以對一些農(nóng)業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行智能化的遠(yuǎn)程控制，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的農(nóng)業(yè)種植。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧型農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著十分廣闊的前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過安裝空氣溫濕度、土壤水分濕度、PH值、空氣光照強(qiáng)度、風(fēng)速等多種傳感器，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)。借助數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，監(jiān)控農(nóng)作物的生長狀況。利用變頻控制柜、電動閥門等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器與云端平臺存儲分析并實(shí)時通信，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者提供云平臺的訪問服務(wù)，從而及時干預(yù)生產(chǎn)，保證農(nóng)作物的正常生長。如圖1所示。

系統(tǒng)架構(gòu)由設(shè)備層、傳輸層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中設(shè)備層由各種采集設(shè)備、控制設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，包括農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器和農(nóng)業(yè)動植物本體（生命）信息傳感器，實(shí)現(xiàn)對空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、肥料濃度、土壤水分、動植物自身生理狀況等農(nóng)業(yè)對象或動植物行為等過程的信息獲取，并且由一定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)備如：風(fēng)機(jī)、水泵、電動閥、濕簾等進(jìn)行有效的控制;傳輸層主要是將感知層獲取的各類數(shù)據(jù)信息，根據(jù)不同情況選擇不同的通訊方式，通過有線或無線方式傳輸?shù)綉?yīng)用層，在選擇通訊方式時要考慮墻體厚度及材質(zhì)、田間的地形地貌、遮擋物、作物高度對通訊的影響;服務(wù)層主要包括一些設(shè)備接入服務(wù)、PC端接入服務(wù)、移動端接入服務(wù)、提供SDK服務(wù)以及FTP圖片服務(wù)等;業(yè)務(wù)層主要是給用戶提供一些業(yè)務(wù)服務(wù)，例如首頁展示、系統(tǒng)基礎(chǔ)管理、站點(diǎn)管理、設(shè)備管理、園區(qū)管理以及運(yùn)營管理等;應(yīng)用層是由預(yù)設(shè)的應(yīng)用規(guī)則及農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)建立基于業(yè)務(wù)邏輯的管理控制策略和模型，將感知輸出的各種數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)挖掘決策，將有效的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)在終端設(shè)備，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供高效的信息服務(wù)和智能管理控制的具體措施，應(yīng)用可以做到閉環(huán)控制。

2 主要技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

2.1 移動通信技術(shù)

移動通信是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動通信是進(jìn)行無線通信的一種現(xiàn)代化技術(shù)，它是移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要成果之一[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，移動通信技術(shù)已經(jīng)逐漸成為社會發(fā)展和人類進(jìn)步的重要工具。移動通信技術(shù)經(jīng)歷了1G、2G、3G、4G和5G的發(fā)展歷程，1G以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，已經(jīng)被淘汰;2G以數(shù)字語音傳輸技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了通話的功能;3G是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，能同時傳送聲音和數(shù)據(jù)信息;4G是集3G與WLAN與一體，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像等，4G有著不可比擬的優(yōu)越性;5G是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，它的性能目標(biāo)是高速率、少延遲、省能源以及能降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

本課題將采用4G網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，將監(jiān)測到的農(nóng)田環(huán)境信息以及農(nóng)業(yè)種植的相關(guān)控制設(shè)備接入平臺。將相關(guān)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)以及設(shè)備接入平臺后，為了保證設(shè)備能長期穩(wěn)定在線，采用了建立心跳幀的方法實(shí)現(xiàn)與平臺服務(wù)器的雙向連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時上傳和及時接受平臺下發(fā)的設(shè)備控制指令。

2.2 無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)[2]是一種遠(yuǎn)距離傳輸通訊方式，它不經(jīng)由導(dǎo)體或纜線傳播數(shù)據(jù)信息。目前，比較成熟的無線通信方式主要包括Wifi、NB-IOT、ZigBee、LoRa等，各種通信方式都有其各自的性能如表1所示。由于農(nóng)業(yè)的環(huán)境比較復(fù)雜，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的通訊方式，而不能將現(xiàn)有的通訊技術(shù)簡單搬來使用。如果在布設(shè)中有一定的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，那么在選擇通訊方式時要考慮墻體厚度及材質(zhì)，因?yàn)閴w厚度及材質(zhì)會對傳感器節(jié)點(diǎn)之間信息通訊產(chǎn)生一定的影響;而對于大田作物來說，田間的遮擋物、田間的地形地貌、作物的高度也同樣會對節(jié)點(diǎn)通訊有影響。在表1中，ZigBee和Wifi的傳輸距離不長，適合用在溫室大棚、智慧家居等場景。LoRa的傳輸距離較遠(yuǎn)而且功耗低，在布設(shè)規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的過程中可以使用。而NB-IOT構(gòu)建的蜂窩網(wǎng)絡(luò)并沒有完全在野外農(nóng)業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)覆蓋，因此本課題不采用NB-IOT無線通信的方式。本課題目前大多為大棚種植區(qū)，主要監(jiān)控和采集一些設(shè)施栽培傳感器的數(shù)據(jù)，因此采用ZigBee通信技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)施栽培環(huán)境信息監(jiān)測站以及灌溉控制節(jié)點(diǎn)的通信功能。在實(shí)際的布設(shè)過程中，根據(jù)園區(qū)的情況按需求布設(shè)合適數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，從而有效的感知園區(qū)信息有效和進(jìn)行設(shè)備智能化的控制。

2.3 信息感知技術(shù)

信息感知技術(shù)[2]的核心是傳感器，它是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化信息的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。通過在栽培園區(qū)部署傳感器，采集園區(qū)影響作物生長是數(shù)據(jù)參數(shù)，如：空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度等。這些傳感器的部署為監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境和精細(xì)化管理控制提供了有效的數(shù)據(jù)和技術(shù)解決方案。農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)主要包括電化學(xué)感知技術(shù)、光學(xué)感知技術(shù)、電學(xué)感知技術(shù)以及遙感學(xué)感知技術(shù)。電化學(xué)感知是以修飾電極、待測物質(zhì)分別作為轉(zhuǎn)化元件和敏感源，把電流、電勢或者電導(dǎo)等作為特征檢測信號的機(jī)理。光學(xué)感知的傳感器不需要與被檢測物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電極，穩(wěn)定性與重復(fù)性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)長期在線監(jiān)測。電學(xué)感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中主要用于溫度、濕度的測量。遙感學(xué)的理論基礎(chǔ)是物質(zhì)成分在不同波段電磁波下的光譜吸收和反射特征。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)對大面積露天農(nóng)業(yè)的監(jiān)測和管理具有很好的作用，可以讓農(nóng)作物種植種類分散、地域復(fù)雜等難題得到很好的解決。在本課題的研究中，主要應(yīng)用到了電學(xué)感知技術(shù)和遙感學(xué)感知技術(shù)，用以采集栽培作物園區(qū)的生長數(shù)據(jù)參數(shù)，如空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度等。

2.4 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在大多栽培園區(qū)，由于采用的傳感器采集節(jié)點(diǎn)使用電池供電，導(dǎo)致采集的參數(shù)單一、采集數(shù)據(jù)周期過長[3]。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中大多為了降低功耗、延長傳感器的生命周期，就不得不降低采集頻率，但這樣就會導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時性變低，并且不能實(shí)時的對作物的生長環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測和精準(zhǔn)的控制管理。這是其中一個農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集所面臨的困難。

為了解決這個問題，各個傳感器節(jié)點(diǎn)的部署通常結(jié)合作物種植的實(shí)際過程人為預(yù)先設(shè)定確定的方式。本課題主要通過Modbus-RTU通信協(xié)議的搭載，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測。如圖2所示。系統(tǒng)給各個從機(jī)傳感器設(shè)置了各自的總線訪問地址，終端控制器通過輪詢的方式與各個傳感器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)這樣的設(shè)計(jì)方式，可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測并獲取能實(shí)時進(jìn)行多種類型數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，保證了傳輸?shù)膶?shí)時性。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

物聯(lián)網(wǎng)云平臺[2]是專門為物聯(lián)網(wǎng)制定的云平臺，是以“互聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)，將其用戶端擴(kuò)展和延伸到物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念，它可以實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備的無線接入以及海量數(shù)據(jù)信息存儲。云平臺主要研究的問題有：設(shè)備接入?yún)f(xié)議適配、設(shè)備連接規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)云存儲等常見問題。物聯(lián)網(wǎng)云平臺的終端數(shù)量是海量級別的，比起普通互聯(lián)網(wǎng)的終端數(shù)量要多出幾個數(shù)量級。通用的物聯(lián)網(wǎng)平臺一般具有以下幾個功能：（1）設(shè)備通信。這是最基本的功能。在進(jìn)行通信之前，需要定義要相關(guān)的通信協(xié)議，還要提供不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入方案，例如2/3/4G、NB-loT、LoRa等。在需要時，提供一定的設(shè)備端SDK及SDK源代碼，這樣可以減少一定的客戶端工作量。（2）設(shè)備管理。每個設(shè)備需要有一個唯一的標(biāo)識方便管理，并且要控制設(shè)備的接入權(quán)限，管理設(shè)備的在線、離線狀態(tài)，設(shè)備的在線升級、設(shè)備注冊、刪除、禁用等功能。（3）數(shù)據(jù)存儲。必須要有可靠的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)來存儲海量的連接數(shù)量和海量的數(shù)據(jù)信息。（4）安全管理。必須要對各種接入設(shè)備的安全連接做出充分保障，并且要有不同的權(quán)限級別。（5）人工智能處理技術(shù)。面對物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)信息，很多都是需要進(jìn)行分析和處理的，這些數(shù)據(jù)里蘊(yùn)含著對人類生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究極高的價(jià)值。

目前，國內(nèi)有幾大公司都在積極建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺，比如華為的“Ocean Connect”、百度的“天工”、阿里巴巴的“阿里物聯(lián)”、中國移動的“OneNET”以及通訊的“QQ物聯(lián)”。這些物聯(lián)網(wǎng)云平臺都為用戶提供設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲、安全管理、服務(wù)應(yīng)用等一站式服務(wù)。

課題采用阿里云作為設(shè)備接入的智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，只需要配置一些簡單參數(shù)，就可以將農(nóng)作物種植園區(qū)的各種設(shè)備接入云平臺。該平臺是設(shè)備、平臺及應(yīng)用三級聯(lián)動的宏觀調(diào)控的架構(gòu)。首先將園區(qū)檢測站各種傳感設(shè)備獲取到的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓力、土壤PH值、土壤水分、土壤溫度、二氧化碳值、渦輪流量值、園區(qū)風(fēng)速等數(shù)據(jù)信息以通過4G網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)時傳送給云平臺。然后在云端，可以獲悉農(nóng)作物種植園區(qū)的各種作物生長環(huán)境因子、環(huán)境氣象因子，讓用戶能更清晰的了解作物生長的情況以及設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，從而讓用戶根據(jù)需要控制各種設(shè)備的運(yùn)行，讓平臺將這些控制指令下發(fā)到園區(qū)監(jiān)測站的控制設(shè)備中?？梢愿鶕?jù)用戶的實(shí)際需求設(shè)計(jì)平臺端，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的數(shù)據(jù)管理、操作權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)信息可視化展示以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3 結(jié)論與展望

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還存在著一些問題，但是隨著科技的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合會在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮極其重要的作用，同時這也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。中國農(nóng)業(yè)將進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。

參考文獻(xiàn)

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