大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應用

藍機滿 周君

（惠州工程職業(yè)學院 廣東省惠州市 516001）

物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)都是新時代的產(chǎn)物，其都是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，已經(jīng)在醫(yī)學、建筑、教育等多個領(lǐng)域有所應用。進入新時期我國農(nóng)業(yè)面臨一定挑戰(zhàn)，為了具備順應時代發(fā)展的能力，農(nóng)產(chǎn)業(yè)也借助信息技術(shù)構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)生態(tài)中的所有個體融為一體，擁有監(jiān)控、定位、跟蹤、識別及管理等功能，在農(nóng)田種植、畜牧養(yǎng)殖等工作中發(fā)揮積極影響。但僅憑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不足以滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，且物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還存在一些值得優(yōu)化的不足，如數(shù)據(jù)采集、儲存等，就需利用大數(shù)據(jù)技術(shù)加以彌補，拓寬物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和儲存功能。將大數(shù)據(jù)技術(shù)充分應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，有著推動性價值。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要功能分析

1.1 實時監(jiān)測環(huán)境

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以對環(huán)境加以實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息傳輸至終端設(shè)備。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以對農(nóng)作物的生長環(huán)境變化情況進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)環(huán)境存在問題或安全隱患時，系統(tǒng)可以快速將信息反饋至工作人員終端，或者直接控制對應設(shè)備預防和解決隱患。就比如，當監(jiān)測到農(nóng)作物生長環(huán)境缺乏水分時，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以控制噴水設(shè)備實施灌溉，為農(nóng)作物生長提供所需水分，確保農(nóng)作物生長質(zhì)量。這和傳統(tǒng)農(nóng)作物種植有著極大區(qū)別，進一步改善了我國農(nóng)作物生長條件。而且，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行時可結(jié)合監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，按照時間推移綜合環(huán)境變化情況，生成曲線圖，便于工作人員展開觀察和分析?？梢詮慕o出的曲線圖中判斷未來一段時間內(nèi)環(huán)境可能發(fā)生的變化，再結(jié)合農(nóng)作物實際情況擬合出適合農(nóng)作物生長的環(huán)境曲線。但是由于HBase不擁有挖掘函數(shù)，所以在此過程中還要發(fā)揮MapReduce計算框架的作用，通過計算框架對數(shù)據(jù)予以處理，最終呈現(xiàn)出可查閱的圖表[1]。

1.2 構(gòu)建農(nóng)作物生長模型

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以結(jié)合農(nóng)作物實際情況，構(gòu)建對應的生長模型。生長模型的建立是結(jié)合農(nóng)作物品種、生長所需養(yǎng)分、各階段生長情況等進行操作的。通過最終生成的模型能夠準確判斷農(nóng)作物從播種到成熟所需時間，并制定出施肥、驅(qū)蟲等措施的具體時間，確保最終農(nóng)作物的生長質(zhì)量。

1.3 地塊標注

地塊標注也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能之一。由于農(nóng)作物種植所需面積較為廣泛，需要通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把各地塊在地圖上進行標注，從而使工作人員更直觀了解各區(qū)域情況。在各地塊上安裝監(jiān)控，實時獲取地塊及內(nèi)部農(nóng)作物信息，為實時間監(jiān)測農(nóng)作物生長提供條件。在此基礎(chǔ)上，工作人員可以通過遠程操作查看各地塊情況，并不需要進入到農(nóng)田內(nèi)，有效節(jié)約了巡邏時間。工作人員只需點擊地圖上的地塊標識就可進入該地塊區(qū)域，了解農(nóng)作物健康、生長等情況。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備

2.1 遠程端口識別技術(shù)

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中融入大數(shù)據(jù)技術(shù)，需要應用到遠程端口識別技術(shù)，該技術(shù)屬于自動化技術(shù)的一種，能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。涉及到了多個傳感器，在將傳感器綜合后發(fā)揮自動識別功能，還可對信息數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換，之所以將其應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，主要用來監(jiān)測農(nóng)作物性能。而該技術(shù)的重要組成之一就是傳感器，通過傳感器獲得農(nóng)作物及周圍生長環(huán)境的信息，如農(nóng)作物是否存在病蟲害或其他質(zhì)量安全隱患，土壤和空氣溫濕度等，將這些搜集到的信息結(jié)合在一起形成農(nóng)業(yè)信息體系。傳輸級別則主要是由無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成，擁有Wi-Fi、Zigbee、藍牙等多種傳輸方式，均屬于無線傳播，大大提高了傳輸便捷與效率[2]。通過遠程端口識別技術(shù)能夠幫助工作人員實時監(jiān)測農(nóng)作物情況，而這是傳統(tǒng)農(nóng)作物監(jiān)測不具備的優(yōu)勢。

2.2 太陽能追蹤器

太陽能跟蹤器的安裝能夠?qū)r(nóng)作物將進行實時監(jiān)測，通過安裝太陽能電池板來實現(xiàn)跟蹤。在以往的設(shè)計上，都是把支架固定在指定位置，伴隨各個時段的太陽所在方位來影響太陽能跟蹤器，從客觀角度來看，這一點有待改進。當太陽所在角度不會影響到追蹤器時，追蹤器功能就得不到發(fā)揮。因此，在設(shè)計時改為由追蹤器來跟蹤太陽運動軌跡，提高追蹤效率，而且，因為太陽能追蹤器長時間暴露在光線下會產(chǎn)生足夠電能，供追蹤器完成追蹤工作。通過在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應用太陽能跟蹤器設(shè)備，既可以提高農(nóng)作物監(jiān)測質(zhì)量，又與節(jié)能降耗理念相對應，還可以合理選擇和利用農(nóng)田資源。

2.3 無線傳感器

將無線傳感器投入至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，主要是為了預防農(nóng)田發(fā)生火災等危險情況。無線傳感器在室外應用和室內(nèi)應用有一定區(qū)別，相比之下國內(nèi)關(guān)于無線傳感器的應用在溫室大棚內(nèi)已經(jīng)擁有比較完善的體系，但在室外農(nóng)田中一些地區(qū)還是首次使用，而有的地區(qū)則沒有使用過，屬于較新的一種大數(shù)據(jù)技術(shù)。其作為一項安全保障措施，可以有效預防農(nóng)田中發(fā)生火災、超載等情況。比如，在升降機運行時如果出現(xiàn)過熱或者超載情況，無線傳感器在反應后就會降低傳送帶運行速度，如果情況比較危險會直接停止傳送帶運作。工作人員也可以設(shè)定科學合理的溫濕度數(shù)據(jù)，當實際溫濕度超過預設(shè)值后，無線溫濕度傳感器就會發(fā)出警報，從而給工作人員展開改善工作提供有利條件。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的具體應用

3.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)階段應用比較廣泛的大數(shù)據(jù)技術(shù)就是Hadoop，只需通過相對簡單的編程就可構(gòu)建分布式計算框架。且該技術(shù)對服務器進行延伸，從最初的單臺服務器直接延伸至上千臺，每臺服務器都會提供不同的數(shù)據(jù)資源，這正是Hadoop的優(yōu)勢所在。對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，在收集到數(shù)據(jù)后需要將數(shù)據(jù)全部傳輸至HBase數(shù)據(jù)庫之中[3]。該數(shù)據(jù)庫屬于列式數(shù)據(jù)，和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫不同的是，在對該數(shù)據(jù)庫進行構(gòu)建時需結(jié)合列式數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方式。和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比可以發(fā)現(xiàn)，該類數(shù)據(jù)庫讀取速度更快，在對某個字段進行讀取時不用掃描整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只需讀取相應的列即可。且在擴展儲存量時，只需把節(jié)點添加至Hadoop集群之中后，再添加服務就能夠?qū)崿F(xiàn)儲存量擴大操作。當下關(guān)于HBase數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建并沒有一個規(guī)定形式，在實際的構(gòu)建過程中需結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實際情況，分別對列族、列、行健加以設(shè)計。

（1）在列族設(shè)計環(huán)節(jié)，需按照農(nóng)作物生長環(huán)境實際情況來設(shè)計，即通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測到的農(nóng)作物生長環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)并不是個體傳感器就可獲取到的，而是需要將該農(nóng)作物生長范疇內(nèi)的所有傳感器結(jié)合起來，以此獲得到的數(shù)據(jù)具有試驗價值。列族名需要將農(nóng)作物所在地塊種植地區(qū)、地塊及農(nóng)作物自身共同決定，這些因素也是列族名的編碼。其中，在地區(qū)上通常會使用區(qū)域編碼，比如大棚實驗區(qū)可以分成A、b、c等區(qū)[4]。在地塊編碼上，可以將一個大鵬懶作為單個地塊。農(nóng)作物則主要指農(nóng)作物品種，通常一個地塊內(nèi)的農(nóng)作物品種都是相同的，采集信息時也會便捷很多。

（2）在對列進行設(shè)計時主要取決于傳感器標識。由于在相同地塊中所采集的數(shù)據(jù)較多，且各種數(shù)據(jù)都需采集許多次，就可以將相同地塊中的傳感器數(shù)據(jù)放置相同列族之中，便于后續(xù)分析。以大棚為例，比如一個大棚為單個地塊，在一個大棚當中一共有12個溫度傳感器，這就說明在單個地塊中能夠同時采集12個不同的數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)全部傳輸至列族中加以保存。

（3）在行健設(shè)計上。由于對農(nóng)作物生長環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作是24小時不間斷的，環(huán)境情況會及時變化，不同時間段的數(shù)據(jù)存在差異。但這種做法會使數(shù)據(jù)量非常大，因此物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會定期篩選所收集到的數(shù)據(jù)信息，并將其傳輸至數(shù)據(jù)庫中。當數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)量達到上限時，系統(tǒng)就會在激活分析方法的前提下篩選內(nèi)部數(shù)據(jù)，將一些不具有實用性的數(shù)據(jù)予以篩出。對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的HBase數(shù)據(jù)庫來說，行健發(fā)揮重要作用，其可以直接決定數(shù)據(jù)庫運行效率，所以通常情況下行健名稱都比較精短，比如有時會以秒的時間來命名行健。

3.2 數(shù)據(jù)采集入庫

進入HBase數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一般都是決定農(nóng)作物生長質(zhì)量的數(shù)據(jù)，比如環(huán)境與土壤的溫濕度、水分、光照等。從我國農(nóng)作物物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀來看，其并不能有效收集這些數(shù)據(jù)，而融入大數(shù)據(jù)技術(shù)后的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅可以有效采集這些數(shù)據(jù)信息，還可以展開相應的定量分析與統(tǒng)計工作。可以說，大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)彌補了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不足之處，同時也進一步推動國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)業(yè)進步。且通過大數(shù)據(jù)技術(shù)所采集到的數(shù)據(jù)具有時效性與可靠性，因為大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠監(jiān)測農(nóng)作物及周圍環(huán)境各階段的變化情況，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳獢?shù)值，將其傳輸至數(shù)據(jù)庫中加以儲存，為后續(xù)農(nóng)作物生長及生長模型建立提供有力依據(jù)。

3.3 智能控制

在大數(shù)據(jù)技術(shù)引入后，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以使用智能控制技術(shù)分別對農(nóng)作物生長環(huán)境的通風、水分、溫濕度、光亮等情況加以控制。工作人員可以通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置相應數(shù)值，當農(nóng)業(yè)檢測儀所監(jiān)測到實際數(shù)值比預期數(shù)值高或低時，智能控制技術(shù)就會展開相應改善，使數(shù)值逐漸趨于預定值。在監(jiān)測到農(nóng)作物生長出現(xiàn)反常情況時，也會及時發(fā)出警報。通過智能控制技術(shù)可以在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)置相應參數(shù)，農(nóng)作物生長環(huán)境則會跟隨所設(shè)計參數(shù)產(chǎn)生變化，為農(nóng)作物提供一個舒適的生存環(huán)境[5]。

3.4 融入PC端

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的PC端主要包含視頻監(jiān)控和專家指導兩部分。首先在視頻監(jiān)控方面，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中融入該功能，工作人員可以實時查閱和觀察農(nóng)作物實際情況。系統(tǒng)通過監(jiān)控、錄像、回放及拍攝等功能，將農(nóng)作物真實生長情況呈現(xiàn)在工作人員眼前，為管理工作提供極大便捷。其次在專家指導上，主要是指當農(nóng)作物出現(xiàn)病蟲害或其他安全隱患時，工作人員可及時查詢病蟲害名稱、由來，找尋有效地防范與解決對策，保障農(nóng)作物健康生長。

4 結(jié)束語

綜上所述，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)擁有實時監(jiān)測環(huán)境、構(gòu)建農(nóng)作物生長模型、地塊標注等功能，但在數(shù)據(jù)采集與儲存等方面還略有不足，需借助大數(shù)據(jù)技術(shù)輔助。當前大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中深有涉及，在此基礎(chǔ)上，需要應用遠程端口識別技術(shù)、太陽能追蹤器、無線傳感器等硬件支撐才能進一步完善農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運作時，大數(shù)據(jù)技術(shù)在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集入庫、智能控制及融入PC端等方面均有應用，為監(jiān)測農(nóng)作物生長情況起到關(guān)鍵作用，最終推動我國農(nóng)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型。