物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在稻漁空間生態(tài)觀光園中的應(yīng)用

任凱德，董 雪

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司賀蘭縣供電公司，寧夏 銀川 750011）

0 引 言

寧夏稻漁空間生態(tài)觀光園位于銀川市賀蘭縣境內(nèi)，是寧夏標(biāo)志性的稻漁種養(yǎng)融合基地。近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，進一步推動了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。稻漁空間生態(tài)觀光園利用地方資源稟賦，采用現(xiàn)代多種傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能對其進行全方面的監(jiān)測，實現(xiàn)了水資源的集約利用，大大提高了稻漁種養(yǎng)的綜合利益，為寧夏現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了可靠的依據(jù)[1]。因此，以稻漁空間生態(tài)觀光園為例，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造寧夏第一個鄉(xiāng)村物聯(lián)平臺具有重要意義。

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對稻漁空間生態(tài)觀光園多方位智慧監(jiān)測的研究文獻較少，已有文獻分別從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、農(nóng)作物的生長環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測等方面進行研究。文獻[2]主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測農(nóng)作物的生長情況和一系列環(huán)境參數(shù)，從而將農(nóng)作物的實時生長狀況進行反饋，實現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)效率最大化。文獻[3]介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物病蟲疫情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，隨著農(nóng)業(yè)信息化程度的改善，極大地提升了重大病蟲疫情檢測系統(tǒng)自動化預(yù)警水平，促進糧食增產(chǎn)。文獻[4]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在使用節(jié)水灌溉功能時，可以快速高效地收集農(nóng)田和農(nóng)作物的詳細(xì)信息，并將獲得的信息進行歸納整合后通過無線通信技術(shù)傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，對其進行動態(tài)監(jiān)測。雖然以上文獻對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用都做了研究，但是只研究了該技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的部分作用，研究內(nèi)容比較單一。所以，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等相關(guān)方法對稻漁空間生態(tài)觀光園智慧監(jiān)測和控制尤為重要。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在稻漁空間生態(tài)觀光園的應(yīng)用概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最先出現(xiàn)于傳媒領(lǐng)域，是數(shù)字化信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的第三次革命[5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理是以信息傳感設(shè)備為載體，按照事先約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、監(jiān)測、采集等功能[6]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一項關(guān)鍵技術(shù)就是利用傳感器來實現(xiàn)對事物的監(jiān)測與反饋。

1.2 傳感器技術(shù)

隨著我國科技水平的逐漸提升，傳感器技術(shù)逐漸進入大眾的視野，該技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，其主要特征是能夠準(zhǔn)確傳遞和監(jiān)測出某一性態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)化為另一個需要的信息。由此可見，傳感器技術(shù)作為一種新興技術(shù)有利于稻漁空間生態(tài)觀光園的動態(tài)監(jiān)測。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在稻漁空間生態(tài)觀光園中的作用

近幾年來，稻漁空間生態(tài)觀光園結(jié)合自身屬地化優(yōu)勢迅速發(fā)展。由于氣候、水質(zhì)、土壤等多種因素的變化都會影響農(nóng)作物的發(fā)展，若不能對生態(tài)園進行全面智慧監(jiān)測，則必定會影響其綜合利益。綜上所述，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生態(tài)園進行立體監(jiān)測、遠程控制、策略控制、能效分析和安全管理，并借助多種傳感器采集氣象、土壤、水質(zhì)等25 種數(shù)據(jù)，通過融合數(shù)據(jù)后進行綜合打分，并反饋至掌上APP，用戶可以采用此數(shù)據(jù)做進一步種養(yǎng)優(yōu)化調(diào)整[7]。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為稻漁空間生態(tài)觀光園的發(fā)展提供了良好的條件，也為其發(fā)展提供了新的方向。

2 稻漁空間生態(tài)觀光園智慧物聯(lián)系統(tǒng)的重要技術(shù)應(yīng)用

稻漁空間生態(tài)觀光園物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)的總體邏輯架構(gòu)分為用戶層、展示層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)平臺層、基礎(chǔ)設(shè)施層，安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，共五大結(jié)構(gòu)層和兩大體系，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.1 結(jié)構(gòu)層和兩大體系的應(yīng)用

2.1.1 結(jié)構(gòu)層

系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施層包括首部設(shè)施、作物感知設(shè)施、環(huán)境感知設(shè)施和通信設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施[8]。其中，首部設(shè)施包括水肥一體化過濾系統(tǒng)；作物感知系統(tǒng)有蟲情監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)測系統(tǒng)；通信設(shè)施包括灌溉網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)線設(shè)施等[9]。

綜合能源服務(wù)平臺主要提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)。通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺為應(yīng)用層管理和數(shù)據(jù)分析提供保障。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和數(shù)據(jù)可視化；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)施管理數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)服務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)包括設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備安全和設(shè)備控制。

應(yīng)用服務(wù)層主要有試驗基地服務(wù)監(jiān)視/管理設(shè)施軟件，系統(tǒng)主要包括：土壤和氣象采集監(jiān)測模塊、病蟲害監(jiān)測模塊、農(nóng)情監(jiān)測模塊、智慧水肥一體化模塊、策略管理、設(shè)備管理、報警預(yù)警管理、視頻監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)一張圖和農(nóng)業(yè)云平臺等。

展示層主要通過移動端小程序和系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)Web端的試驗基地服務(wù)監(jiān)視/管理設(shè)施軟件展示，同時應(yīng)用智慧農(nóng)業(yè)一張圖實現(xiàn)全局展示。

用戶層主要包括生產(chǎn)農(nóng)戶、政府監(jiān)管部門、企業(yè)和其他。

2.1.2 兩大體系

安全保障體系是保障系統(tǒng)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全及安全管理等。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是支撐項目系統(tǒng)建設(shè)和運行的基礎(chǔ)、實現(xiàn)應(yīng)用協(xié)同和信息共享的需要、提高項目建設(shè)效率的需要、系統(tǒng)不斷擴充和持續(xù)改進的需要。

2.2 軟硬件系統(tǒng)功能建設(shè)

稻漁空間生態(tài)觀光園建設(shè)包含以下內(nèi)容：一個平臺，兩套系統(tǒng)、兩個端口。一個平臺是稻漁空間種養(yǎng)管理客戶側(cè)物聯(lián)服務(wù)平臺；兩套系統(tǒng)分別是智慧稻漁種養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)、智慧稻漁種養(yǎng)控制系統(tǒng)建設(shè)；兩個端口包括移動端（聚能慧APP）和Web 端。

客戶側(cè)物聯(lián)平臺硬件包括傳感器設(shè)備、蟲情測報燈、袍子捕捉儀、稱重設(shè)備、智能廣播系統(tǒng)、防水喇叭、智能電表、液位檢測儀。軟件由遠程控制的實現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對稻漁種養(yǎng)基地的環(huán)境、水體信息進行監(jiān)測并可對設(shè)備進行控制[10]。采用無線網(wǎng)絡(luò)來測量獲得作物、水產(chǎn)的最佳生長條件，可以為精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，通過策略系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)閾值或作物生長模型關(guān)聯(lián)硬件設(shè)備，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。綜合客戶側(cè)物聯(lián)平臺硬件和軟件功能可以實現(xiàn)對生態(tài)觀光園立體監(jiān)測、遠程控制、策略控制、能效分析和安全管理等功能[11]。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺各功能的研究

圖2為物聯(lián)網(wǎng)平臺各功能實現(xiàn)的技術(shù)路線圖。其中，在全面監(jiān)測方面，共計配置了21 類、102 個傳感器，采集氣象、土壤、水質(zhì)等25 種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對稻園區(qū)立體化的信息采集和監(jiān)測，數(shù)據(jù)融合后進行綜合評定打分，農(nóng)戶可以借助掌上APP 獲取數(shù)據(jù)結(jié)果，進一步做種養(yǎng)優(yōu)化調(diào)整。在遠程控制方面，共計建設(shè)增氧機、投料機、蟲情監(jiān)測設(shè)備等3 類9 臺設(shè)備，農(nóng)戶可通過掌上APP 實現(xiàn)對增氧機、投料機等設(shè)備遠程控制。在策略控制方面，通過設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與時間的聯(lián)動制定策略，根據(jù)采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比對實現(xiàn)增氧機開關(guān)、水位控制閥的自動控制。在能效分析方面，安裝2 塊智能電表實現(xiàn)設(shè)備用能分析，電能供給方面用光伏板儲能發(fā)電，做到發(fā)電量原地消納的同時給出農(nóng)戶節(jié)能節(jié)水建議[12]。在安全管理方面，共計安裝8 個攝像頭和8 臺公放，實現(xiàn)園區(qū)全可視化監(jiān)控。同步投資1 套水稻種植追溯系統(tǒng)，對作物生長進行跟蹤分析，深挖作物生長潛力。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺各功能實現(xiàn)的技術(shù)路線圖

3 稻漁空間生態(tài)觀光園智慧物聯(lián)平臺展示

稻漁空間生態(tài)觀光園智慧物聯(lián)平臺系統(tǒng)構(gòu)建包括1 個平臺（物聯(lián)服務(wù)平臺），2 套系統(tǒng)（監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)），2 個端口，可實現(xiàn)立體監(jiān)測、遠程控制、策略控制、能效分析和安全管理五大功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 智慧物聯(lián)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測系統(tǒng)由稻水監(jiān)測、蟲情監(jiān)測以及物聯(lián)稱重設(shè)備、水質(zhì)信息傳感器、氣象站以及物聯(lián)網(wǎng)電子秤組成。設(shè)備均通過無線采集終端以GPRS/4G 方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心指導(dǎo)生產(chǎn)。圖4為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，圖5為氣象監(jiān)測系統(tǒng)。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

圖5 氣象監(jiān)測系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由水閘、增氧機、投料機等設(shè)備組成，可以實現(xiàn)管理人員對設(shè)備的遠程控制。通過設(shè)定數(shù)據(jù)閾值或作物生長模型關(guān)聯(lián)實現(xiàn)自動啟停。圖6為增氧機、圖7為控制閥。

圖6 增氧機

圖7 控制閥

圖8為物聯(lián)網(wǎng)控制柜，主要實現(xiàn)前端電機接入以及后端平臺聯(lián)動，實現(xiàn)設(shè)施的智能化控制。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)控制柜

綜上，物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了稻漁空間生態(tài)觀光園區(qū)地塊數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)等多源信息的集合展示，以及智慧農(nóng)業(yè)管理和業(yè)務(wù)空間數(shù)據(jù)遠程可視化管理。

4 結(jié) 語

稻漁空間生態(tài)觀光園智慧物聯(lián)平臺建設(shè)充分利用地方資源優(yōu)勢，秉持“以種帶養(yǎng)、以養(yǎng)促種”的種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展理念，以循環(huán)農(nóng)業(yè)為技術(shù)路線、以“無污染零排放”為技術(shù)特點，構(gòu)建一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)耕作模式。在賀蘭縣農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上提供了新的引領(lǐng)，探索了新途徑，形成了新格局，摸索了新辦法，建立了新機制。

（1）將電力能源服務(wù)與新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，開拓了農(nóng)村市場企業(yè)化用能服務(wù)的藍海市場。拓展鄉(xiāng)村觀光農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)電氣化，促進鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)電能替代和用能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了鄉(xiāng)村用電增供擴銷。

（2）預(yù)計園區(qū)資源成本較同期節(jié)約20%，人工成本較同期節(jié)約10%，農(nóng)戶收入較同期增長7%左右，水資源同比利用率預(yù)計可提升15%，水稻年產(chǎn)量預(yù)計可以同比提升6%。