農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用

李智全，許 江，賈笑英，李建華，李曉波，王麗麗，辛 穎，張 俊2，

（1.海南省家墾科學(xué)院，海南 570206；2.北京家業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100097）

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，改變了農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，加速信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技融合。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中生產(chǎn)環(huán)境要素、動植物生命體特征、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具等信息進(jìn)行感知，并根據(jù)事先定義的協(xié)議進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息化網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程中，可改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放生產(chǎn)方式和弊端，優(yōu)化作物生長環(huán)境參數(shù)，將各種農(nóng)業(yè)資源有效利用，從而提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一項新型信息化集成技術(shù)，適用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的全產(chǎn)業(yè)鏈條，可以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、物流、交易、消費(fèi)各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效改造和提升，節(jié)約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的人力物力資源，是當(dāng)代推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最具影響力的信息技術(shù)手段[3-5]。海南省具有獨特的地理優(yōu)勢，是我國唯一具有典型的熱帶亞熱帶氣候特征的省份，也是我國熱帶果蔬農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地。2018年海南省全省蔬菜收獲面積394.64萬畝，蔬菜產(chǎn)量579.37萬噸；水果收獲面積260.43萬畝，水果產(chǎn)量410.14萬噸，比上年增長3.7%[6]。海南省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)雖然在一些農(nóng)業(yè)企業(yè)和農(nóng)業(yè)示范園區(qū)有應(yīng)用，但是應(yīng)用的層次還是比較低，應(yīng)用范圍較窄[7]，由于其特殊的地理環(huán)境，海南熱帶農(nóng)業(yè)面臨環(huán)境壓力、質(zhì)量安全風(fēng)險、勞動力成本上漲等難點，熱帶農(nóng)業(yè)高溫高濕導(dǎo)致的病蟲害頻發(fā)的現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，有助于提升海南農(nóng)業(yè)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)入駐企業(yè)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為提高海南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、病蟲害防治、輔助決策等方面集成開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)軟硬件設(shè)備，對園區(qū)不同設(shè)備的接口、數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理，實現(xiàn)對種植環(huán)境的光、溫、水等環(huán)境信息的監(jiān)測感知，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)的匯總和查詢，基于GIS地圖集中展示園區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分布、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、生產(chǎn)監(jiān)控，提供環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維度統(tǒng)計分析，為生產(chǎn)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為海南熱帶農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)包括首頁、氣象墑情、視頻監(jiān)控、預(yù)警管理、統(tǒng)計分析、專家系統(tǒng)、系統(tǒng)管理等七大部分。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)搭建

2.1 開發(fā)環(huán)境

2.1.1 硬件平臺

主要為用戶提供應(yīng)用程序服務(wù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行支撐環(huán)境。主要包括數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)站運(yùn)行、數(shù)據(jù)填報、數(shù)據(jù)集成工具等應(yīng)用。服務(wù)器的主要性能指標(biāo)如下：

內(nèi)存：＞8G

CPU：4CPU

硬盤：1T

2.1.2 軟件平臺

服務(wù)器操作系統(tǒng)：Windows server 2012 R2

數(shù)據(jù)庫：SQL Server2008

運(yùn)行服務(wù)器：Tomcat

2.2 技術(shù)特點

系統(tǒng)基于J2EE研發(fā)，采用最新的技術(shù)框架，前臺使用Jquery及JavaScript技術(shù)，后臺采用Spring+SpringMvc+MyBatis框架。軟件主要分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、通訊層、設(shè)備層和表現(xiàn)層。

數(shù)據(jù)層：以數(shù)據(jù)保存為核心，建立分類數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息資源的整合、共享和統(tǒng)一管理，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、分工協(xié)作，建設(shè)數(shù)據(jù)庫群，實現(xiàn)信息資源的整合和共享，避免重復(fù)建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的資源浪費(fèi)。

服務(wù)層：平臺服務(wù)層是平臺的技術(shù)支撐層，包含統(tǒng)計分析引擎、報表服務(wù)、數(shù)據(jù)倉庫組件等各種服務(wù)引擎和服務(wù)策略。

業(yè)務(wù)層：通過用戶接口為不同的用戶提供信息查詢和交互服務(wù)，并通過信息采集傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)檔案數(shù)據(jù)采集和各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸與共享。

通訊層：通訊層支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，提供高效的、安全的數(shù)據(jù)交互通道。

設(shè)備層：軟件能夠掛接多種終端設(shè)備，自動完成各種格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和交互。

表現(xiàn)層：軟件支持各種數(shù)據(jù)展現(xiàn)和交互方式，實現(xiàn)了門戶網(wǎng)站的服務(wù)與交互。友好的用戶界面為用戶提供完善的查詢服務(wù)，方便生產(chǎn)者管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2.3 系統(tǒng)平臺構(gòu)建

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)采用當(dāng)前主流的B/S架構(gòu)，基于SOA架構(gòu)，以JAVA技術(shù)為基礎(chǔ)，遵循J2EE標(biāo)準(zhǔn)，采用基于XML與Web Services組件化開發(fā)模式，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)模塊/組件的松耦合，易于擴(kuò)充升級、易與其他系統(tǒng)集成、易應(yīng)用維護(hù)。軟件開發(fā)平臺具有先進(jìn)性、穩(wěn)定性，中間件、開發(fā)工具采用的是國際業(yè)界主流產(chǎn)品。

項目軟件體系結(jié)構(gòu)采用模塊化和分層的設(shè)計思想，將系統(tǒng)架設(shè)在應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層等多個層次上，數(shù)據(jù)服務(wù)器專門存放數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器提供各類服務(wù)組件來訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器和響應(yīng)客戶端的請求，瀏覽器端只顯示結(jié)果和發(fā)出請求。這種模式的系統(tǒng)安裝、維護(hù)較為簡單，系統(tǒng)的修改和升級后只需在應(yīng)用服務(wù)器端進(jìn)行即可，用戶操作起來比較容易上手。軟件功能模塊的疊加和擴(kuò)充非常方便，整個系統(tǒng)的開發(fā)實施和完善可以分步進(jìn)行，可以方便地擴(kuò)充，能夠滿足目前系統(tǒng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要。

項目軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集接口、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型及通信規(guī)則，與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。提供標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備管理功能的接口，與基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、視頻監(jiān)控等硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對接和交互。提供平臺系統(tǒng)與門戶網(wǎng)站接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接和交互。

3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 氣象墑情模塊

氣象墑情模塊包括遠(yuǎn)程監(jiān)測空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、太陽輻射等環(huán)境信息，為作物生長提供實時環(huán)境監(jiān)測手段，為惡劣環(huán)境下采取應(yīng)急措施提供必要數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)上傳至指定云端服務(wù)器，用戶可通過客戶端軟件、手機(jī)APP或者WEB服務(wù)等應(yīng)用系統(tǒng)查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下載及導(dǎo)出。

圖2 氣象墑情實時數(shù)據(jù)及24小時數(shù)據(jù)查詢

3.2 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊由攝像機(jī)、無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、硬盤、交換機(jī)等組成，通過實時畫面，實時監(jiān)測到作物的生長情況、病蟲害狀況、工作人員的作業(yè)過程等信息，作為數(shù)據(jù)信息的有效補(bǔ)充，有助于管理人員對基地作物生長關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行追蹤，及時發(fā)現(xiàn)各種不良狀況，保障基地的生產(chǎn)活動與設(shè)施設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。用戶可以進(jìn)入實時視頻查看界面，可進(jìn)行1X1、2X2、3X3 視頻墻查看，同時根據(jù)右側(cè)的視頻導(dǎo)航欄，實現(xiàn)攝像頭的控制，包括方向控制、鏡頭拉縮、光圈調(diào)整、圖像抓拍、視頻錄像以及預(yù)置位的切換等操作，對于已抓拍的圖像、視頻可以進(jìn)行批量管理。

3.3 預(yù)警管理模塊

依據(jù)不同作物品種對生長環(huán)境的要求，充分結(jié)合空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對作物生長環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，當(dāng)大田環(huán)境監(jiān)測值超過閾值時，進(jìn)行報警提示，提醒操作人員及時采取相應(yīng)的生產(chǎn)管理措施，為作物長勢、災(zāi)害預(yù)測和防治提供科學(xué)、合理的輔助決策支持。同時發(fā)布的極端氣象災(zāi)害天氣的預(yù)警，指導(dǎo)用戶及時做好相關(guān)生產(chǎn)的防護(hù)措施。

3.4 統(tǒng)計分析模塊

利用統(tǒng)計組件對基地環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)（風(fēng)速/風(fēng)向、降水量、空氣溫濕度、太陽輻射強(qiáng)度、土壤含水量、土壤溫度）進(jìn)行可視化分析。按照時間維度分析日均溫度/濕度、月均溫濕度、年均溫濕度、24小時降雨量、月累計降雨量、年累計降雨量、日均風(fēng)速、月均風(fēng)速、年均風(fēng)速等指標(biāo)的變化情況。

3.5 專家系統(tǒng)模塊

專家系統(tǒng)模塊整合科研、教學(xué)、推廣、生產(chǎn)、服務(wù)、使用等各方面的社會資源，以農(nóng)業(yè)專家和農(nóng)業(yè)知識為核心，建設(shè)一個全面、專業(yè)、快捷、方便的診斷與服務(wù)功能于一體的專家服務(wù)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供實時、動態(tài)和準(zhǔn)確的作物病蟲害診斷與處理信息。輔助用戶根據(jù)作物根部、莖部、葉部和花果等特征，通過建立病蟲害氣象條件預(yù)警模型與病蟲害分析模型，進(jìn)行病害或蟲害診斷，達(dá)到“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治理”的目的。用戶可以選擇觀察到的根部、莖部、葉部和花果發(fā)病特征，系統(tǒng)將根據(jù)規(guī)則判斷出可能發(fā)生的病害或蟲害，根據(jù)診斷的病害/蟲害，用戶可通過防治方法查看該疾病的防治措施，為基地主要農(nóng)作物生產(chǎn)、管理、病蟲害診斷防治提供良好的技術(shù)服務(wù)。

3.6 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要實現(xiàn)基地信息、作物管理、地塊管理、設(shè)備接口管理、環(huán)境預(yù)警設(shè)置、病蟲害診斷管理等管理內(nèi)容。

基地信息、作物管理、地塊管理都是對基地的基礎(chǔ)信息內(nèi)容進(jìn)行管理，是保障一個基地信息化工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。包括基地名稱、占地面積、地理坐標(biāo)、位置、主要作物、簡介等基地基本信息，作物分類、種植品種、地塊名稱、地塊位置、主要種植作物、種植面積等基地種植詳細(xì)信息。

圖3 病蟲害診斷界面

設(shè)備接口管理、環(huán)境預(yù)警設(shè)置、病蟲害診斷管理是對基地設(shè)備進(jìn)行控制管理，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)自動化管控的必要條件。設(shè)備接口管理實現(xiàn)基地氣象墑情站、視頻監(jiān)控站等設(shè)備的添加、基本參數(shù)的配置等管理。環(huán)境預(yù)警設(shè)置實現(xiàn)不同作物最佳生長環(huán)境范圍的設(shè)定，當(dāng)實際生產(chǎn)環(huán)境超過這個理論范圍時，則進(jìn)行生長環(huán)境異常的提醒。病蟲害診斷管理主要是病蟲害診斷知識規(guī)則的管理與添加。

4 系統(tǒng)應(yīng)用成效

本系統(tǒng)已在海南省桂林洋國家熱帶農(nóng)業(yè)公園新果園橋南基地、桂林洋國家熱帶農(nóng)業(yè)公園新果園橋北基地、昌江縣農(nóng)墾科學(xué)院昌江基地、桂林洋高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)農(nóng)民作物種植基地等多個示范基地開展了技術(shù)推廣及應(yīng)用示范，推廣面積達(dá)15 000畝以上。

桂林洋國家熱帶農(nóng)業(yè)公園新果園橋南基地利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)開展綠色生態(tài)化種植管理應(yīng)用技術(shù)推廣，總結(jié)示范基地多果樹品種、防風(fēng)林建設(shè)、活體覆蓋等多種作物種植營造的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化對矮種椰子、太平洋橄欖生長的良性影響，及運(yùn)用氣象墑情監(jiān)測，環(huán)境預(yù)警管控，運(yùn)用綠色防控技術(shù)等達(dá)到降本增效、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等效果；桂林洋國家熱帶農(nóng)業(yè)公園新果園橋北基地和昌江縣農(nóng)墾科學(xué)院昌江基地開展預(yù)警管理模塊應(yīng)用技術(shù)推廣，觀察作物生長物候、病蟲情，氣候、土壤墑情、物候、病蟲情發(fā)生結(jié)合發(fā)布病蟲情預(yù)報及指導(dǎo)病蟲防控，定期發(fā)布病蟲害預(yù)警簡報；桂林洋高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)農(nóng)民作物種植基地根據(jù)具體作物品種制定方案，開展病情、蟲情調(diào)查，建立生產(chǎn)檔案，開展農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測，結(jié)合信息技術(shù)融合與農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)應(yīng)用，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)基地生產(chǎn)各方面信息的統(tǒng)一管理、集中分析、分布決策和有效控制，為相應(yīng)的管理決策提供技術(shù)與設(shè)備支撐。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用推廣有效地提升了海南省桂林洋國家熱帶農(nóng)業(yè)公園新果園橋南基地等示范基地的信息化管理水平，提高海南熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)投入，減少熱帶作物的病蟲害危害，從生產(chǎn)效率、工作效率、農(nóng)民增收節(jié)支、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善等方面帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時有助于加快農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化步伐，推動海南農(nóng)業(yè)向智慧化、精準(zhǔn)化、信息化方向發(fā)展。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)充分將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中，通過對示范基地種植環(huán)境的空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、太陽輻射等環(huán)境信息的監(jiān)測感知，實現(xiàn)環(huán)境與視頻數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，提供實時數(shù)據(jù)的展示查詢與歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計追溯，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和特定作物品種對環(huán)境條件需求，設(shè)置環(huán)境監(jiān)測閾值，針對作物生長環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，以輔助決策和指導(dǎo)生產(chǎn)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守情況下農(nóng)戶對作物生長狀況的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、品種選育、精準(zhǔn)灌溉施肥、病蟲害控制等提供支撐與服務(wù)，有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用處于快速發(fā)展階段，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，為現(xiàn)代化的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)[8]。