基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境構(gòu)建與應(yīng)用

摘 要：在山區(qū)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要根據(jù)相應(yīng)的地理環(huán)境制定相應(yīng)的方案。不同高差的土地，對農(nóng)作物的生產(chǎn)有相應(yīng)的影響。針對這一問題，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集土壤的濕度、不同高度下空氣的溫度和光照強度等環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，經(jīng)過大數(shù)據(jù)中心的運算服務(wù)，實現(xiàn)對農(nóng)作物的生長指標(biāo)的預(yù)測，并指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。文中借助物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)運算，構(gòu)建梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境管理策略，可以為較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)提供一定的實踐借鑒。

關(guān)鍵詞：梯田；山地環(huán)境監(jiān)測；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；大數(shù)據(jù)分析；農(nóng)業(yè)環(huán)境采集；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

陽泉市的地形為山地丘陵模式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為分散。在農(nóng)作物種植中，村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期依靠種植經(jīng)驗獲取農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)管理策略。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的深入，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)逐步被應(yīng)用在現(xiàn)實生產(chǎn)中[1]。農(nóng)業(yè)種植類的物聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于山地農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)獲取、野外數(shù)據(jù)的存儲、地形和水文數(shù)據(jù)的獲取及處理。本文對陽泉市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行了深入的探討，根據(jù)陽泉市的地形、水文、植物特點等因素，提出了科學(xué)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

在陽泉市的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對農(nóng)作物的生長環(huán)境有一定的條件要求。陽泉市地處太行山脈，在農(nóng)業(yè)種植過程中，土壤的含水程度、土壤的化學(xué)性質(zhì)、農(nóng)作物生長的溫度和光照等條件對作物的生長和收獲都有著重要的影響。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對各類生產(chǎn)要素的監(jiān)控越來越精細(xì)化和智慧化[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，使得人們可以在高效采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，制定相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)策略，從而得到高效穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[3]。

在陽泉市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計和實現(xiàn)中，以目前流行的各類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器為技術(shù)支撐，加強對陽泉市山地類型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的采集和感知判斷能力；將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)陽泉市梯田的小規(guī)模自動化種植。

2 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的架構(gòu)

在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)則將相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)劃分為山地農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)感知層、遠(yuǎn)程設(shè)備接入層、物聯(lián)網(wǎng)通信層、數(shù)據(jù)處理層和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用層[4]。

數(shù)據(jù)感知層用于對陽泉市山地農(nóng)業(yè)特有地形進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。其中包含梯田類土壤墑情感知器、氣壓氣象測定儀、土壤保水度傳感器和梯田溫度變化傳感器。這些傳感器能夠自動采集梯田類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，并自動上傳至相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理器。

在山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在多種類型的傳感器，這些傳感器類型不同，所以這些傳感器之間的連通性問題是接入層需要解決的首要問題。在接入層需要實現(xiàn)這些傳感器數(shù)據(jù)互訪問。在此采用可以兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)、RS 485、RS 232等的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣能夠滿足陽泉市梯田的傳感器數(shù)據(jù)傳輸需求[5]。

在山地類型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建較為困難。隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，在陽泉市的梯田物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中采用了GPRS和5G 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以保證數(shù)據(jù)規(guī)模較大時能夠及時快速地傳輸。

在陽泉市的梯田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)層的功能包括梯田環(huán)境類數(shù)據(jù)存儲和山地采集數(shù)據(jù)預(yù)處理。在陽泉市的梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳感器分布的立體性非常強，農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的空間位置信息較多，在此處由數(shù)據(jù)層對梯田類環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，對整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。在梯田類物聯(lián)網(wǎng)中，需要將采集到的山地梯田類數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差剔除和缺失數(shù)值補充，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用做準(zhǔn)備[6]。

在數(shù)據(jù)采集與處理之后，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層對采集的梯田類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與生產(chǎn)分析，通過數(shù)據(jù)的挖掘與分析建立陽泉市梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)模型，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此對陽泉市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出決策。

3 陽泉市梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計框架

3.1 梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體框架

在陽泉市構(gòu)建的梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由梯田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能水肥灌溉系統(tǒng)、山地數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、信息融合處理系統(tǒng)構(gòu)成。在陽泉市梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，針對梯田環(huán)境溫度、坡面濕度、一天中CO2的濃度變化、光照強度等數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一采集并傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)集成控制平臺。在梯田類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實施構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，獲取不同高度層次的農(nóng)作物生長圖像信息，對這些農(nóng)作物生長圖像信息進(jìn)行深度學(xué)習(xí)算法的信息融合分析。對陽泉市的特有農(nóng)作物生長趨勢信息進(jìn)行分析，借助物聯(lián)網(wǎng)中的信息融合技術(shù)，對梯田生產(chǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)、作物長勢預(yù)測信息進(jìn)行相應(yīng)的信息融合，制定相應(yīng)的梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)控策略[7]。

在梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)層，建立梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)源存儲模塊和梯田大數(shù)據(jù)分析存儲模塊。通過陽泉市梯田類的數(shù)據(jù)采集傳感器獲取相關(guān)的農(nóng)業(yè)原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建陽泉市梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫。利用HDFS分布式存儲，預(yù)處理數(shù)據(jù)以支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在數(shù)據(jù)匯總中根據(jù)梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。在梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層中，引入Apache Spark大數(shù)據(jù)引擎處理采集的綜合農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)。在對梯田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的分析過程中，采用聚類算法和迭代計算建立山地農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析與計算的模型。利用這些處理后的數(shù)據(jù)提升陽泉市梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。

在梯田物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交互功能設(shè)計時，主要涉及采集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)管理和采集的梯田數(shù)據(jù)的傳輸問題。通過交互層設(shè)計，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與挖掘的可視化，提高非專業(yè)計算機操作人員對數(shù)據(jù)的理解度[8]。

3.2 梯田類物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控設(shè)計

3.2.1 梯田監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

在陽泉市梯田類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中，環(huán)境監(jiān)控設(shè)計主要包括梯田高差環(huán)境感知、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、梯田生產(chǎn)環(huán)境控制、梯田生產(chǎn)綜合管理平臺、用戶管理平臺。梯田高差環(huán)境感知模塊主要由梯田類環(huán)境檢測傳感器組成，主要檢測不同的梯田高程溫度變化、水汽蒸發(fā)強度、不同高度處的CO2濃度、整個梯田的迎光面光照強度及光照差[9]。除上述基本功能外，還對各種異常數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行報警，包括梯田內(nèi)的設(shè)備運行情況、光纖或無線信號傳輸故障、梯田數(shù)據(jù)模型決策類異常等。在環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計包括梯田的傳感器閾值獲取、山區(qū)信息推送、實時的農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控、報警指標(biāo)的限定。

3.2.2 梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境數(shù)據(jù)采集與存儲

根據(jù)陽泉市梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點，按照選擇的傳感器和通信類型，在構(gòu)建山區(qū)梯田類型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時，需要解決農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的存儲、客戶訪問的快速響應(yīng)等問題。在梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，將HDFS作為梯田類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的存儲組件，在梯田類物聯(lián)網(wǎng)中采用流式數(shù)據(jù)存儲訪問類型，使得采集到的梯田環(huán)境信息可以分塊分類別在不同的機器上進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

采集的梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)初始值為原始數(shù)據(jù)，通常缺乏整體性和規(guī)律性，這樣的數(shù)據(jù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策無法形成有效支撐，因此需要借助高性能計算機運行聚類算法和決策樹算法處理梯田農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)陽泉市的算力應(yīng)用分布，把大數(shù)據(jù)計算放置在相關(guān)的學(xué)院大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行。通過對梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷年數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測農(nóng)作物在一年中的生長情況。在梯田的灌溉中，可以采用隨機的C4-5算法進(jìn)行農(nóng)作物澆灌模型構(gòu)建。在梯田的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可以收集相關(guān)作物的生長規(guī)律，構(gòu)建水肥一體的灌溉數(shù)據(jù)庫，并最終形成梯田灌溉數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而對陽泉市的梯田灌溉進(jìn)行分析與指導(dǎo)。

3.3 系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計

在梯田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計中，硬件資源主要包括各類型農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器、高性能計算機以及綜合控制系統(tǒng)。在梯田物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中應(yīng)用的傳感器見表1所列。

對于梯田類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析操作，與相關(guān)的高校進(jìn)行合作，在大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將分析的結(jié)論通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至系統(tǒng)的控制中心，然后對整個梯田的生產(chǎn)做出調(diào)整。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，按照梯田類物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計要求，將功能逐層分解設(shè)計，按照梯田物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點進(jìn)行程序設(shè)計。系統(tǒng)包括HDFS分布式存儲計算模塊、大數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸模塊、大數(shù)據(jù)中心的算法實現(xiàn)模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊、梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理與查詢模塊[10]。

針對陽泉梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲采用MySQL數(shù)據(jù)庫，分布在梯田中的各類傳感器通過移動通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過大數(shù)據(jù)服務(wù)器的處理，最后將梯田的各類環(huán)境數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。在梯田的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，采集的數(shù)據(jù)主要是植物生長的環(huán)境溫度、空氣的濕度、土壤的pH值、日均光照等數(shù)值型數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)測試

在測試中，主要的種植對象為水果玉米和紅薯，在梯田搭設(shè)混合生產(chǎn)大棚，設(shè)置相應(yīng)的傳感器，采集大棚中的CO2濃度、濕度、作物生長的根系溫度、土壤的營養(yǎng)指標(biāo)等。通過Java 語言編寫相應(yīng)的處理程序，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，應(yīng)用Hadoop進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和相應(yīng)規(guī)劃調(diào)控的執(zhí)行。

4 結(jié) 語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動強度。通過構(gòu)建梯田類型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以為較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)提供一定的技術(shù)支撐。在梯田類的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中，對不同高度和濕度的環(huán)境有不同的種植策略。系統(tǒng)可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)針對不同的環(huán)境進(jìn)行種植策略推薦。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以被逐步推廣應(yīng)用在其他領(lǐng)域。

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