面向農(nóng)業(yè)種植智能數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析網(wǎng)絡(luò)平臺的研究

朱強(qiáng)，方飛龍

（杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州，310000）

1 項目開展概況,國內(nèi)外有關(guān)同類科學(xué)研究項目情況

1.1 項目概況

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代種植土地是一個發(fā)達(dá)國家重要的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展根基業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè),我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為一個發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)種植土地大國,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代種植土地生產(chǎn)在當(dāng)前階段我國推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)政治社會體系建設(shè)及實現(xiàn)國民特色社會主義經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展中具體重要的經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)地位,良好的自然氣候及我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代種植土地生產(chǎn)中的環(huán)境地理條件必然是持續(xù)發(fā)展我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代種植土地生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)條件得以保證,我國幅員遼闊,過于依賴人工缺乏多樣化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)土地種植,制約了當(dāng)前階段我國發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

1.2 國外研究情況

國外對智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用智慧信息化的智能農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析及過程控制智慧農(nóng)業(yè)各種生產(chǎn)過程自動化控制過程數(shù)據(jù)控制管理系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)較早,始于20世紀(jì)70年代,采用模擬式和組合式兩種數(shù)控農(nóng)業(yè)儀表,采集現(xiàn)場各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)后并可以進(jìn)行各種實時作業(yè)指示和過程自動控制,80年代后期已經(jīng)出現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制過程管理技術(shù)系統(tǒng)。目前正積極研究開發(fā)和深入探究正在研制智慧農(nóng)業(yè)數(shù)控計算機(jī)一種可以采集現(xiàn)場農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)后并可以實時控制多種深層次生產(chǎn)因素的變化的新型綜合性智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制過程管理技術(shù)系統(tǒng),現(xiàn)在這種來自整個世界多地各國的智慧農(nóng)業(yè)過程控制管理系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)初步發(fā)展非常快,一些發(fā)達(dá)國家在已經(jīng)具有可以實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)條件基礎(chǔ)上向著完全可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)信息化,自動化,無人化的農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略方向快速推進(jìn)發(fā)展。

1.3 國內(nèi)研究情況

我國先后從歐美和日本的發(fā)達(dá)國家等地引進(jìn)了先進(jìn)的新型農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)過程控制管理系統(tǒng),但是只高度重視國外引進(jìn)了生產(chǎn)控制管理系統(tǒng), 1996年,江蘇理工大學(xué)毛罕平的企業(yè)研制成功了一套使用新型工控機(jī)器來進(jìn)行過程管理的新型植物施肥工廠監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)對棚內(nèi)溫度、濕度、光照、co2濃度、營養(yǎng)液和植物施肥等因素進(jìn)行過程綜合管理控制。目前中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院正在研制的新型工控智能大棚溫室建筑控制管理系統(tǒng),該控制系統(tǒng)由新型大棚建筑本體及棚內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)降溫控制系統(tǒng)、太陽能板及儲能降溫系統(tǒng)、熱風(fēng)降溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)及監(jiān)控計算機(jī)組成數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。但是由于我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平低,自動化及智慧數(shù)據(jù)分析層度不高,相關(guān)投資較大,人員素質(zhì)也不高,限制了智慧數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2 技術(shù)(包括產(chǎn)品)值對市場需求、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境效益影響分析

通過對每個莊家土地肥力和飲用水分的實時監(jiān)測,可以合理的進(jìn)行土地施肥和合理進(jìn)行澆水。據(jù)農(nóng)業(yè)專家初步統(tǒng)計,使用這種新的智慧智能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)技術(shù),每季度每個農(nóng)業(yè)莊家土地施肥用量可以有效控制節(jié)省30%的土地飲用水,不僅各種農(nóng)業(yè)土地使用資源和合理使用肥料成本同樣可以有效降低,更重要的一點也就是它還可以能有效控制提高各種經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物的各種綜合肥料產(chǎn)量。目前實際應(yīng)用到的智慧智能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)技術(shù)在目前對于我國中西部部分發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用最為廣泛,主要特點是廣泛應(yīng)用于各種諸如玉米、大豆等多種經(jīng)濟(jì)作物的合理開發(fā)種植,農(nóng)業(yè)管理工程師和技術(shù)人員不僅可以實時利用這些多種數(shù)據(jù)采集的綜合分析技術(shù)數(shù)據(jù)庫也可以實時進(jìn)行綜合應(yīng)用并對計算機(jī)進(jìn)行科學(xué)分析,根據(jù)每個農(nóng)業(yè)種植區(qū)的每個土地部分分別確定需要多少量的綜合肥料和多種生物殺蟲劑等的使用比例來合理控制調(diào)整各種肥料廠和噴灑處理器的各種綜合肥料使用量。

3 項目主要內(nèi)容研究領(lǐng)域開發(fā)項目內(nèi)容、技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵

3.1 主要研究內(nèi)容

智能氣象數(shù)據(jù)采集分析平臺智能氣象監(jiān)控監(jiān)測平臺智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控智能物理一體化氣象監(jiān)控監(jiān)測平臺網(wǎng)絡(luò)智能物理綜合氣象監(jiān)控平臺運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)智能氣象傳感器。

系統(tǒng)的功能整體架構(gòu)設(shè)計主要架構(gòu)另一方面,主要架構(gòu)是指需要通過實現(xiàn)手機(jī)傳感器端的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)自動傳輸,繼電器及其他模擬輸出設(shè)備帶動的的調(diào)控控制設(shè)備,后臺管理算法應(yīng)用程序自動運(yùn)算,報警器等信息自動傳輸數(shù)據(jù)推送,遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)訪問。在各管理部分之間的相互關(guān)系以及層次結(jié)構(gòu)方面,數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)姆N類均可以采用無線數(shù)據(jù)傳輸或通過手機(jī)4gfi信號環(huán)境熱點進(jìn)行傳輸。管理系統(tǒng)首先采集了與種植區(qū)和作業(yè)部分?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的種植信息管理數(shù)據(jù),然后系統(tǒng)對所需要采集的種植數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時分析,并在手機(jī)wifi信號環(huán)境下,利用管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口在wiinternet或4g信號環(huán)境下可以進(jìn)行實時數(shù)據(jù)自動傳輸和管理服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫自動存儲等等操作,管理者可以通過遠(yuǎn)程管理服務(wù)器功能實現(xiàn)對種植農(nóng)作物早期生長種植情況數(shù)據(jù)進(jìn)行實時信息查詢及遠(yuǎn)程自動控制。

利用蘋果智能數(shù)據(jù)分析檢測監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建一體化監(jiān)控系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶可以自動控制種植場地降溫功能,種植園的場地環(huán)境管理員或者用戶仍然可以隨時隨地通過手機(jī)平板蘋果電腦或者蘋果智能手機(jī)直接注冊登陸使用蘋果云檢測監(jiān)控系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)對現(xiàn)場各種監(jiān)控設(shè)備的自動遠(yuǎn)程控制。在該監(jiān)控系統(tǒng)同時它還實現(xiàn)可以自動通過設(shè)定各種場地自動控制情況報警報告程序,當(dāng)周圍環(huán)境中沒有任何異常情況可能發(fā)生時,系統(tǒng)就功能可以同時會自動通過發(fā)送異常情況報警至專業(yè)種植場地管理員或者智能手機(jī),如,監(jiān)測員感到如果各種農(nóng)作物相關(guān)種植場地周圍環(huán)境的空氣溫濕度已經(jīng)達(dá)到超過80%,就功能可以同時會自動通過發(fā)送異常情況報警報告信息給專業(yè)種植場地管理員,提醒種植用戶需要注意及時有效預(yù)防各種水果相關(guān)種植環(huán)境中的疾病。如果環(huán)境監(jiān)測員用戶感到周圍環(huán)境中的溫度已經(jīng)達(dá)到接近35攝氏度時,系統(tǒng)就功能可以同時會自動通過直接打開蘋果降溫器的噴霧控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動監(jiān)測場地降溫,在沒有直接使用過的蘋果監(jiān)控智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測分析監(jiān)控檢測系統(tǒng)監(jiān)控控制系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)直接搭建蘋果一體化檢測監(jiān)控系統(tǒng)平臺前,12畝大的農(nóng)業(yè)水果園共至少可能需要1名專業(yè)種植場地管理員和4名專業(yè)種植場地工人,每天進(jìn)行記錄并且存檔,若使用了智能數(shù)據(jù)分析監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一體化平臺,預(yù)期可以取消管理員,減少1名工人,工作人員只需在手機(jī)上就能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測,自動控制園區(qū)設(shè)備,全程無需人工干預(yù)。

圖1

3.1.1 空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

通過對種植區(qū)域內(nèi)二氧化碳及氧氣濃度的數(shù)據(jù)采集分析,從而控制空氣調(diào)節(jié)設(shè)備,從而控制種植區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量,保證種植區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3.1.2 溫度及濕度監(jiān)控系統(tǒng)

溫濕度環(huán)境是農(nóng)作物良好生長的一個重要因素,通過溫濕度變送器數(shù)據(jù)采集分析,從而能較好的控制溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備,創(chuàng)造一個適合農(nóng)作物生長的良好環(huán)境。

3.1.3 光照監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)農(nóng)作物所接受光照強(qiáng)度大小特點,通過光照度傳感器數(shù)據(jù)采集分析,結(jié)合溫濕度的數(shù)據(jù),完成自動灌溉功能。

3.1.4 土壤監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)用戶可以通過配套土壤濕度變化傳感器及配套土壤水中氮磷鉀濃度傳感器實時進(jìn)行土壤數(shù)據(jù)采集分析,從而全功能通過配套的農(nóng)田灌溉及農(nóng)業(yè)施肥檢測設(shè)備進(jìn)行施肥,完成土壤的濕度條件及肥料配比。

3.1.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

平臺可將視頻監(jiān)控文件傳送給后臺管理系統(tǒng),后臺管理系統(tǒng)把視頻文件進(jìn)行處理,通過互聯(lián)網(wǎng)的形式,可以利用手機(jī)終端進(jìn)行查看,業(yè)主及企業(yè)相關(guān)管理機(jī)關(guān)可通過手機(jī)視頻了解農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)場情況。

3.1.6 管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)主要對采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、數(shù)據(jù)采集分析,權(quán)限設(shè)置,產(chǎn)生數(shù)據(jù)報表。實現(xiàn)用戶界面顯示、參數(shù)設(shè)置、控制溫度調(diào)節(jié)、權(quán)限自動管理,報表自動打印等多項功能。

（1）人機(jī)界面

可采用西門子的WINCC,昆侖通態(tài)MCGS,組態(tài)王等組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計。

主界面:數(shù)據(jù)點顯示(如溫度,濕度,光照,土壤鉀磷元素配比等),也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)定值設(shè)置,定值超出范圍做相應(yīng)的報警顯示,還可以進(jìn)行設(shè)備控制(如灌溉或噴淋,施肥等)。

（2）參數(shù)存儲及設(shè)置

系統(tǒng)可對不同參數(shù)進(jìn)行參數(shù)限制值設(shè)定,并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時間間隔設(shè)置。

圖2

（3）報警信息處理

報警產(chǎn)生后,集控室本地發(fā)生報警的同時,并把報警信息通過短信的方式發(fā)給管理人員或相關(guān)的工程師,相關(guān)人員可采取恰當(dāng)措施,避免事故發(fā)生。

圖3

（4）權(quán)限管理

系統(tǒng)采用分級授權(quán)管理,能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶訪問系統(tǒng)權(quán)限的控制,對用戶的維護(hù)和管理,包括用戶的增加、刪除、修改等。

（5）報表打印

向報表用戶自動提供實時查詢管理界面,可以對一個報表文件中的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時查詢和數(shù)據(jù)過濾,并且還支持實時輸出exexcele的報表及輸入報表中的打印機(jī)等功能。

圖4

3.2 技術(shù)關(guān)鍵

(1)實現(xiàn)多源化數(shù)據(jù)處理及存儲。

(2)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智能預(yù)警技術(shù)。

(3)通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行PID的模糊控制。

(4)時間序列中缺失點的修正。

4 結(jié)束語

業(yè)內(nèi)的種植現(xiàn)場智能環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)控與動態(tài)分析監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺主要包括智能互聯(lián)網(wǎng)、移動智能互聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)等,依托實時部署在全國農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)現(xiàn)場的農(nóng)業(yè)環(huán)境空氣溫濕度、土壤水分、氧氣和其他二養(yǎng)化碳排放濃度、紅外感應(yīng)等各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)終端生產(chǎn)內(nèi)部環(huán)境的優(yōu)化智能農(nóng)業(yè)感知、智能農(nóng)業(yè)預(yù)警、智能農(nóng)業(yè)決策、智能數(shù)據(jù)分析、專家講師在線技術(shù)指導(dǎo),為優(yōu)化農(nóng)業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境提供農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化智能種植、可視化管理和智能決策。