基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 浩

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410126）

智慧農(nóng)業(yè)是按照工業(yè)發(fā)展理念，以信息和知識(shí)為生產(chǎn)要素，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)跨界融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入和個(gè)性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[2]，為智慧農(nóng)業(yè)提供了重要基礎(chǔ)。智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚是應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)典型代表[3]，在智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)人才培養(yǎng)中，并非所有的教育和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都具備在智慧農(nóng)業(yè)大棚中開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)條件，而隨著沙盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)向通用模塊化方向發(fā)展，能夠在軟硬件層面以有限的資源集中體現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，因此可利用沙盤模型模擬真實(shí)大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。以沙盤展現(xiàn)的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景為教學(xué)引例，以其運(yùn)行過(guò)程為教學(xué)演示、以系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為教學(xué)內(nèi)容，形成有效的教學(xué)方式與手段[4]。除應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)外，也可針對(duì)真實(shí)的智慧農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)管理，以沙盤系統(tǒng)為載體，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)大棚生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行智能化分析并據(jù)此進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控。為此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可同時(shí)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)和智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理的農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)，為智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)架構(gòu)，即感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層（圖1），在學(xué)校教室內(nèi)或戶外制作智慧農(nóng)業(yè)沙盤模型，在沙盤有限的空間內(nèi)集中體現(xiàn)智慧溫室大棚的上述4個(gè)系統(tǒng)層次。

智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)以沙盤實(shí)體模型為載體（圖2），由環(huán)境感知和控制系統(tǒng)與配套軟件系統(tǒng)（服務(wù)管理平臺(tái)）構(gòu)成。沙盤可獨(dú)立模擬智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，為智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供實(shí)操環(huán)境，還可與實(shí)際存在的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚相配套，支持觸控一體機(jī)、Web 應(yīng)用或利用智能手機(jī)App 通過(guò)4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控大棚生產(chǎn)環(huán)境，并可基于對(duì)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，手動(dòng)或自動(dòng)地對(duì)大棚內(nèi)的控制設(shè)備下達(dá)指令，調(diào)控大棚生產(chǎn)環(huán)境，為大棚提供可視化、全天候、自動(dòng)化的智能管理平臺(tái)。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)沙盤實(shí)體

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)搭建

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè) 在沙盤或真實(shí)大棚內(nèi)安裝工業(yè)級(jí)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、土壤水分、光照度等生長(zhǎng)環(huán)境指標(biāo)，如采用CO2濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)CO2濃度；采用雨水傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)是否下雨及雨量的大??；采用風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)量大??；采用風(fēng)向傳感器穩(wěn)定準(zhǔn)確地采集環(huán)境風(fēng)向信號(hào)；采用土壤酸堿度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)部土壤pH等。采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信等方式，以ARM智能網(wǎng)關(guān)為核心[5]，傳輸給服務(wù)管理平臺(tái)進(jìn)行分析處理。

2.1.2 視頻監(jiān)控 通過(guò)部署攝像頭實(shí)時(shí)捕獲大棚內(nèi)部影像，用戶通過(guò)服務(wù)管理平臺(tái)可在控制中心的顯示器上實(shí)時(shí)查看大棚的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，還可通過(guò)PC或手機(jī)APP遠(yuǎn)程訪問(wèn)的方式觀看大棚內(nèi)實(shí)時(shí)影像，對(duì)大棚內(nèi)部各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)控。

2.2 軟件開發(fā)

以云服務(wù)為核心，整體使用spring +hibernate 框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)基于云計(jì)算平臺(tái)的服務(wù)管理平臺(tái)，所有代碼開放獲取，便于用戶使用和學(xué)習(xí)。采用通用分組無(wú)線服務(wù)（4G、5G、WIFI）組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入，使用websocket作為服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間、服務(wù)器和客戶端之間創(chuàng)建全雙工的數(shù)據(jù)通訊通道，便于云服務(wù)器推送和接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、查詢、分析通過(guò)應(yīng)用NET．ASP 及Flash技術(shù)在云平臺(tái)上開發(fā)和部署Web門戶網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)。為保證平臺(tái)用戶的安全性，登陸采用仿oauth2.0 的token 認(rèn)證機(jī)制，token 存儲(chǔ)放在redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶密碼通過(guò)根據(jù)時(shí)間變化的md5 加密后保存。使用Validate.js 的jquery 插件保證用戶輸入form 的格式正確性。

由感知層采集獲得的空氣、水、土壤等環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)使用Datatable.js 的jquery插件為用戶提供清晰明了的數(shù)據(jù)表格，方便用戶進(jìn)行排序和查詢等相關(guān)操作。通過(guò)jstl標(biāo)簽將數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)輸出，使用chart.js的插件繪制數(shù)據(jù)折線圖，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)走勢(shì)圖進(jìn)行對(duì)比分析，并利用歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境中各種因子的發(fā)展趨勢(shì)，提前發(fā)出預(yù)警。平臺(tái)管理指令的下達(dá)通過(guò)ajax 異步提交網(wǎng)絡(luò)通訊請(qǐng)求，使用socke.js 與服務(wù)器建立連接，獲取傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及向網(wǎng)關(guān)發(fā)送實(shí)時(shí)控制指令，對(duì)水泵、植物生長(zhǎng)燈、加濕器、加熱器、溫室窗簾等實(shí)現(xiàn)控制。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

智慧農(nóng)業(yè)沙盤在湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用以來(lái)，學(xué)生依托沙盤模擬的真實(shí)智慧溫室大棚生產(chǎn)情景開展實(shí)訓(xùn)，直觀地感受大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)硬件設(shè)備的運(yùn)作過(guò)程，同時(shí)可在手機(jī)端的APP 和PC上登錄大棚管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，并可對(duì)各硬件設(shè)備下達(dá)控制指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，對(duì)模擬的大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠在模擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)參與真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境管理的操作體驗(yàn)，由此更好地了解智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)在智慧溫室大棚中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)訓(xùn)過(guò)程更好地掌握所學(xué)的智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)理論知識(shí)，進(jìn)而極大地提升了教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐技能，獲得了師生的積極評(píng)價(jià)。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，在拓寬教學(xué)領(lǐng)域、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式方面發(fā)揮較大的推動(dòng)作用，促進(jìn)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的職業(yè)化、專業(yè)化、現(xiàn)代化。

4 結(jié)語(yǔ)

基于標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，融合多種信息技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)，模擬真實(shí)的大棚作物生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)軟件代碼開源，可針對(duì)不同學(xué)校的教學(xué)要求和教學(xué)條件進(jìn)行二次開發(fā)，自行定制軟硬件功能，對(duì)系統(tǒng)各組件和模塊自由拆分和重組，以更好地滿足教學(xué)或課題研究的需求，使用上優(yōu)于普通的電氣聯(lián)動(dòng)沙盤。使用該系統(tǒng)開展教學(xué)實(shí)訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)較好的演示效果，促進(jìn)教師和學(xué)生對(duì)智慧農(nóng)業(yè)，特別是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和理解。另外，可將沙盤作為農(nóng)業(yè)智慧溫室大棚管理的載體，提高對(duì)大棚生產(chǎn)活動(dòng)的管理效能。