智能水肥一體化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴秀 王堅(jiān)強(qiáng) 任妮 劉家玉

摘要：當(dāng)前水肥一體化技術(shù)已日漸普及，但其線上管控平臺(tái)還存在不少問題，如管理比較簡單，缺少手動(dòng)預(yù)設(shè)和自動(dòng)生成水肥策略功能等，因此設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種智能水肥一體化管控平臺(tái)。管控平臺(tái)擁有完善的機(jī)構(gòu)、用戶、溫室、機(jī)器和權(quán)限等系統(tǒng)管理功能，實(shí)時(shí)采集、展示和分析土壤、環(huán)境等傳感器數(shù)據(jù)和水肥數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行多種方式的告警，能夠線上手動(dòng)或自動(dòng)幫助農(nóng)戶預(yù)設(shè)水肥策略等。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果說明，該管控平臺(tái)的架構(gòu)與模塊設(shè)計(jì)合理，用戶友好度高，功能比較全面和靈活，提高了水肥一體化技術(shù)的自動(dòng)化和智能化水平。

關(guān)鍵詞：水肥一體化;管控平臺(tái);水肥管控;云平臺(tái)

中圖分類號(hào)： S126? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）18-0177-04

收稿日期：2021-01-19

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（18）2019];2020年江蘇省省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目（編號(hào)：22512004）。

作者簡介：戴 秀（1989―），女，江蘇徐州人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析與可視化研究工作。E-mail：20170009@jaas.ac.cn。

通信作者：劉家玉，副研究員，主要從事信息化建設(shè)、信息安全研究工作。E-mail：liu@jaas.ac.cn。

水肥一體化技術(shù)是現(xiàn)代種植業(yè)中一項(xiàng)先進(jìn)的水肥管理技術(shù)，具有提高水肥利用效率、降低勞動(dòng)力成本等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上公認(rèn)的最好的灌溉施肥技術(shù)[1-2]。我國自1975年開始水肥一體化技術(shù)的研究試驗(yàn)，2002年，農(nóng)業(yè)部組織實(shí)施國家旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，水肥一體化技術(shù)日益被重視，發(fā)展至今已得到大面積、多作物種類的推廣應(yīng)用[3-5]。隨著信息技術(shù)，特別是物聯(lián)網(wǎng)[6-8]、云計(jì)算[9-10]、大數(shù)據(jù)[11]等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化管控，已有不少研究者設(shè)計(jì)了水肥一體化線上管控平臺(tái)[12-18]。金永奎等采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了云端管控系統(tǒng)，用戶能夠查看機(jī)器狀態(tài)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)以及啟停設(shè)備，提高了試點(diǎn)機(jī)器的管理效率[14]。師志剛等為田間灌溉系統(tǒng)建立了簡單的信息中心，精確展示農(nóng)田環(huán)境信息、水量信息等[15]。趙進(jìn)等設(shè)計(jì)了水肥一體化智能管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制軟件，功能上大致包含模式選擇、灌溉信息、報(bào)警信息、作物信息、系統(tǒng)參數(shù)等[16-18]。與線上管控平臺(tái)不同，張雪飛等利用ARM開發(fā)智能決策節(jié)水灌溉控制器，在硬件端獲取數(shù)據(jù)、運(yùn)行模型，有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)施蔬菜的適量灌溉，但受限于硬件性能，必然無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模型計(jì)算，不利于后續(xù)功能擴(kuò)展[19]。當(dāng)前我國水肥一體化技術(shù)體系中，管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)較為薄弱，平臺(tái)功能大多比較簡單，如查看機(jī)器狀態(tài)、直接控制機(jī)器開關(guān)等，少數(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的用戶和權(quán)限管理，鮮有提供線上預(yù)設(shè)水肥計(jì)劃和策略或是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測值自動(dòng)計(jì)算和分配水肥的功能，不能有效提升水肥一體化技術(shù)的管控水平。

針對(duì)當(dāng)前水肥一體化管控平臺(tái)存在的問題，本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種智能水肥一體化管控平臺(tái)，擁有完善的機(jī)構(gòu)、用戶、溫室、機(jī)器和權(quán)限管理功能，專家可以線上幫助農(nóng)戶預(yù)設(shè)水肥計(jì)劃和策略，平臺(tái)也可以通過實(shí)時(shí)采集分析土壤、環(huán)境等數(shù)據(jù)再結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算和分配水肥，提高水肥一體化技術(shù)的全方位自動(dòng)化和智能化管理水平。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

分層式結(jié)構(gòu)是當(dāng)前軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中使用最頻繁，也是應(yīng)用效果最好的一種結(jié)構(gòu)[20-21]，因此，本研究中的架構(gòu)設(shè)計(jì)參考了經(jīng)典的三層架構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、表現(xiàn)層（UI）），并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了如圖1所示的架構(gòu)。圖中各層之間只能通過接口提供數(shù)據(jù)和服務(wù)，如：應(yīng)用層接收用戶請(qǐng)求，然后將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)層為應(yīng)用層提供的接口，服務(wù)層通過邏輯判斷和處理等步驟后通過數(shù)據(jù)層暴露的接口發(fā)起數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求，數(shù)據(jù)訪問層最終從數(shù)據(jù)庫直接獲取結(jié)果數(shù)據(jù)后再反饋給服務(wù)層和應(yīng)用層。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了前臺(tái)應(yīng)用與后臺(tái)服務(wù)之間的解耦，安全性高且易于維護(hù)。

基礎(chǔ)設(shè)施層是服務(wù)層和應(yīng)用層的基礎(chǔ)，為平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。本研究中該層包括種植區(qū)域布設(shè)的設(shè)備，如傳感器、水肥一體機(jī)、網(wǎng)關(guān)、攝像頭等;包含建設(shè)平臺(tái)本身所需的資源，如存儲(chǔ)、物理主機(jī)、虛擬機(jī)等設(shè)施。利用傳感器能夠采集土壤溫濕度、土壤EC值、pH值和光照強(qiáng)度等指標(biāo)，為水肥控制提供依據(jù)。水肥一體機(jī)是平臺(tái)的核心設(shè)備，它除了能夠?qū)崿F(xiàn)水肥澆灌工作之外，還必須提供讀取數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)和狀態(tài)控制接口。種植區(qū)域布設(shè)的網(wǎng)關(guān)主要用于穩(wěn)定地接收傳感器和水肥一體機(jī)的數(shù)據(jù)，然后再傳輸?shù)狡脚_(tái)數(shù)據(jù)庫。存儲(chǔ)需要采用物理主機(jī)作為服務(wù)器。

數(shù)據(jù)層包含了2個(gè)層面：存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)資源和對(duì)數(shù)據(jù)的訪問。數(shù)據(jù)資源大致分為平臺(tái)錄入的基本信息，如機(jī)構(gòu)、用戶、種植作物等;所有傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù);水肥一體機(jī)的接口相關(guān)信息、工作參數(shù)和水肥數(shù)據(jù)等以及水肥施用的專家知識(shí)。采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)上述數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)訪問則管理數(shù)據(jù)庫的連接和直接操作，包括CRUD服務(wù)（即增加、修改、刪除、加載）和復(fù)雜的查詢服務(wù)等。

服務(wù)層是應(yīng)用層和其他層之間的邊界，涵蓋了業(yè)務(wù)邏輯層，是實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯的地方。服務(wù)層主要包含如下服務(wù)：系統(tǒng)管理服務(wù)支持系統(tǒng)基本信息如用戶、機(jī)器等的增刪改查;機(jī)器控制服務(wù)能夠向水肥一體機(jī)的PLC發(fā)送開始和停止工作的指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器工作的實(shí)時(shí)控制;數(shù)據(jù)采集服務(wù)按照一定周期讀取傳感器和機(jī)器數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)交互層相關(guān)接口保存到數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)檢索服務(wù)提供對(duì)傳感器和水肥歷史數(shù)據(jù)的條件查詢;策略服務(wù)包括對(duì)策略增刪改查的基本操作、智能化策略的計(jì)算生成功能、策略遠(yuǎn)程寫入到機(jī)器的功能;告警服務(wù)通過監(jiān)測傳感器和機(jī)器的實(shí)時(shí)數(shù)值，判斷是否存在異常，并將告警通知到用戶，再到告警解除功能。

應(yīng)用層位于結(jié)構(gòu)中的最頂層，它為最終用戶提供界面化的交互功能，平臺(tái)所有的交互都從該層進(jìn)入。通過界面，用戶能夠進(jìn)行機(jī)構(gòu)、機(jī)器等系統(tǒng)基本信息的錄入、修改、刪除等操作;用戶點(diǎn)擊按鈕遠(yuǎn)程控制機(jī)器的啟停;頁面實(shí)時(shí)刷新展示機(jī)器的工作狀態(tài)以及傳感器的數(shù)據(jù);策略管理支持用戶遠(yuǎn)程設(shè)置水肥工作參數(shù)、查看手動(dòng)和自動(dòng)添加的所有策略等，告警管理包括用戶設(shè)置告警條件、查看和解除告警等。

2 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要是對(duì)機(jī)構(gòu)、用戶、溫室、水肥機(jī)、傳感器以及角色權(quán)限的增刪改查。機(jī)構(gòu)下能夠設(shè)置多個(gè)子機(jī)構(gòu)和多個(gè)部門層級(jí)，基本滿足不同組織架構(gòu)的復(fù)雜情況;一個(gè)機(jī)構(gòu)里的用戶類型大致分為機(jī)構(gòu)管理員、農(nóng)事操作人員和查看人員，一個(gè)機(jī)構(gòu)只有一個(gè)機(jī)構(gòu)管理員，擁有本機(jī)構(gòu)里的最高權(quán)限。溫室包括地理位置、面積、種植作物等基本信息，水肥一體機(jī)包括型號(hào)、灌區(qū)（面積、流量等）等信息，傳感器的信息錄入主要是監(jiān)測類型、生產(chǎn)廠家等;機(jī)構(gòu)、溫室、水肥一體機(jī)和機(jī)構(gòu)、溫室、傳感器均為從屬關(guān)系。對(duì)一個(gè)普通用戶，除了給其賦予能限定操作或查看的角色，還可以給其分配本機(jī)構(gòu)內(nèi)具體管理的一個(gè)或多個(gè)溫室，達(dá)到更細(xì)粒度的權(quán)限控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集與展示模塊

本模塊主要包括傳感器與水肥一體機(jī)的數(shù)據(jù)采集與展示?？諝鉁貪穸?、土壤溫濕度、土壤EC值、光照強(qiáng)度等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)，采集模塊通過Internet從網(wǎng)關(guān)每一分鐘獲取一次所有傳感器的數(shù)據(jù)，并保存到平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。水肥一體機(jī)采用可編程邏輯控制器（PLC）控制機(jī)器的工作，輸出寄存器中的數(shù)據(jù)，如機(jī)器狀態(tài)、工作的設(shè)置參數(shù)、水肥數(shù)據(jù)等，根據(jù)具體PLC的性能，通過4G協(xié)議以不超過5 min/次的頻率傳輸至為其配置的獨(dú)立網(wǎng)關(guān)，采集模塊通過Internet從水肥一體機(jī)網(wǎng)關(guān)每隔1 h獲取1次澆灌的水肥數(shù)據(jù)，并增量保存到平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)展示模塊主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的展示，前臺(tái)使用ajax技術(shù)以分頁的形式讀取平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中所有傳感器數(shù)據(jù)和水肥歷史數(shù)據(jù)，并用表格和圖表2種方式展示傳感器所有數(shù)據(jù);展示前臺(tái)通過調(diào)用采集模塊的相應(yīng)接口，每10 s通過Internet從水肥一體機(jī)網(wǎng)關(guān)獲取機(jī)器的工作狀態(tài)，并刷新到展示界面，而水肥一體機(jī)的設(shè)置參數(shù)則只在被訪問時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取和展示。

2.3 機(jī)器控制與水肥策略模塊

本模塊支持在管控平臺(tái)上手動(dòng)和自動(dòng)控制機(jī)器工作。查看監(jiān)控影像、傳感器數(shù)據(jù)以及當(dāng)前機(jī)器狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制機(jī)器是否立即澆灌、調(diào)整澆灌量，平臺(tái)發(fā)送開始和停止指令到機(jī)器的PLC即可實(shí)現(xiàn)控制。自動(dòng)控制機(jī)器，也就是水肥策略的制定，而水肥策略的設(shè)置又分為手動(dòng)和自動(dòng)：可以查看溫室中錄入的作物和面積等基本信息，然后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，在前臺(tái)手動(dòng)預(yù)設(shè)作物不同生育階段的水肥澆灌策略，包括澆灌次數(shù)、澆灌時(shí)間和澆灌量等，然后分時(shí)自動(dòng)地寫入到機(jī)器;也可以由平臺(tái)監(jiān)測傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)值，當(dāng)達(dá)到澆灌的閾值時(shí)，結(jié)合機(jī)理模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停肞enman-Monteith方程[22]和目標(biāo)產(chǎn)量法[23-24]確定本次時(shí)間段內(nèi)的水量和肥量，然后根據(jù)機(jī)器參數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī)器工作的時(shí)長或是澆灌升量，即時(shí)寫入機(jī)器后便控制機(jī)器開始工作。

2.4 告警模塊

告警模塊主要是監(jiān)控傳感器數(shù)值、水肥一體機(jī)工作是否正常和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)等，用戶可預(yù)設(shè)土壤EC值、pH值、土壤濕度，以及營養(yǎng)液EC值、pH值或水肥比例等數(shù)值的可接受范圍，根據(jù)獲取的水肥和傳感器數(shù)據(jù)，判斷各裝備是否正常聯(lián)網(wǎng)、各裝備監(jiān)測的數(shù)值是否處于正常范圍，如水肥濃度是否安全、水泵有無空轉(zhuǎn)、土壤有無鹽分積累等，異常則產(chǎn)生告警并通過首頁高亮、響鈴、發(fā)送短信等方式通知管理人員。

3 平臺(tái)開發(fā)與實(shí)踐

在平臺(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了便于后期維護(hù)和擴(kuò)展，選擇了當(dāng)下主流且前景良好的開發(fā)技術(shù)和框架。系統(tǒng)整體上采用B/S架構(gòu)，和C/S相比，它是建立在廣域網(wǎng)上的，適應(yīng)范圍廣、維護(hù)升級(jí)比較簡單;關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用開源的MySql;后臺(tái)開發(fā)使用Java語言，并選擇了基于Spring的能夠簡化編碼、配置和部署的Spring Boot框架，它使得開發(fā)工作更加省時(shí)、省心、省力，是未來發(fā)展的一個(gè)大趨勢，同時(shí)整合了持久層框架MyBatis，使得開發(fā)人員可以使用面向?qū)ο蟮木幊趟枷雭聿僮鲾?shù)據(jù)庫，免除了幾乎所有的JDBC代碼以及設(shè)置參數(shù)和獲取結(jié)果集的工作。前端采用Bootstrap，它是CSS、HTML和JS的集合，是一個(gè)快速開發(fā)Web應(yīng)用程序的前端工具包，為網(wǎng)頁提供自適應(yīng)布局和優(yōu)化的元素樣式。

本系統(tǒng)在Linux服務(wù)器上部署后，接入了試驗(yàn)基地中的3臺(tái)水肥機(jī)，并錄入其所屬溫室、種植作物、灌區(qū)等信息。水肥一體機(jī)類型分別為四灌區(qū)單肥、四灌區(qū)三肥和三灌區(qū)雙肥，均能在平臺(tái)界面上進(jìn)行統(tǒng)一展示和控制。圖2和圖3分別是實(shí)現(xiàn)的管理后臺(tái)中水肥機(jī)管理界面和管控前臺(tái)中控制臺(tái)界面。用戶如果擁有后臺(tái)管理權(quán)限、即機(jī)構(gòu)管理員類型的用戶，那么在登錄時(shí)可以選擇進(jìn)入管理后臺(tái)或是管控前臺(tái)，其中進(jìn)入管理后臺(tái)后也可以跳轉(zhuǎn)到前臺(tái);如果用戶沒有后臺(tái)管理權(quán)限，即只是農(nóng)事操作人員或是查看人員，則直接進(jìn)入管控前臺(tái)，控制臺(tái)每10 s刷新1次，實(shí)時(shí)地展示機(jī)器工作狀態(tài)與傳感器數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的智能水肥一體化管控平臺(tái)，包含4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，安全性高，易于維護(hù)和擴(kuò)展。平臺(tái)功能完備，充分考慮了實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了用戶、溫室和機(jī)器等基本信息的錄入管理和細(xì)粒度的權(quán)限控制、傳感器和機(jī)器狀態(tài)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看，還提供了水肥策略的手動(dòng)設(shè)置和自動(dòng)生成功能。應(yīng)用表明，管控平臺(tái)提高了傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù)的自動(dòng)化和智能化水平，更近一步方便了農(nóng)事管理， 且一定程度上提高了水肥施用的科學(xué)性。但是目前肥料施用的自動(dòng)策略主要是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行的計(jì)算分配，沒有結(jié)合當(dāng)前作物的實(shí)時(shí)養(yǎng)分含量，未來需要積累更多維度的數(shù)據(jù)，建立更加精細(xì)的養(yǎng)分模型，提高該部分的智慧化水平。

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