韋劌

摘要：主要通過(guò)搭建物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培的過(guò)程中所產(chǎn)生的各種生產(chǎn)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制，可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)及閉環(huán)智能化控制，設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚中調(diào)節(jié)室內(nèi)小氣候的各種措施所使用的電動(dòng)設(shè)備，增加無(wú)線遠(yuǎn)程控制功能，并將各種控制開(kāi)關(guān)集成到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大平臺(tái)中，達(dá)到智能監(jiān)控與精準(zhǔn)管理一手抓?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施栽培中影響作物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括空氣溫濕度，光照強(qiáng)度，土壤水分等數(shù)據(jù)，無(wú)線遠(yuǎn)程智能控制器可根據(jù)用戶設(shè)定的在底層完成對(duì)風(fēng)機(jī)，濕簾，水泵，卷膜機(jī)等生產(chǎn)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的控制，并將數(shù)據(jù)及控制過(guò)程傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，及時(shí)的展現(xiàn)給園區(qū)管理員或用戶。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);設(shè)施栽培;智能監(jiān)控;精準(zhǔn)管理

中圖分類號(hào)：S668.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）07-0137-04

0 引言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)采用大量的傳感器采集節(jié)點(diǎn)、傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)、攝像監(jiān)控設(shè)備、儀器儀表等各類感知設(shè)備構(gòu)成智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采集農(nóng)作物種植的各種環(huán)境信息和生長(zhǎng)因素，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠地傳輸農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和計(jì)算，然后展現(xiàn)到智能操作終端上，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程更加自動(dòng)化、智能化，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，世界各國(guó)都在廣泛深入研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但還處于試驗(yàn)和示范階段。美國(guó)在農(nóng)業(yè)施肥噴藥、大型噴灌機(jī)的精準(zhǔn)控制等控制技術(shù)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;日本以輕便型智能農(nóng)機(jī)具為特征的精確農(nóng)業(yè)，提供智能化的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)操作終端，實(shí)現(xiàn)田間的施肥管理、收成的預(yù)測(cè)和病蟲害的控制防治;荷蘭建成溫室農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)體系，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的噴淋、滴灌灌溉和人工氣候系統(tǒng)，溫室的光照、需水量、需氧量實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量供給[1]。

近些年我國(guó)隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，大量人員進(jìn)入城鎮(zhèn)務(wù)工，導(dǎo)致農(nóng)村的務(wù)農(nóng)人數(shù)不斷減少，農(nóng)耕方式也由最初的小規(guī)模種植模式逐步向大規(guī)模種植模式轉(zhuǎn)變，這就要求農(nóng)業(yè)上利用自動(dòng)化和智能化的科學(xué)技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量和效率[4]。而目前，我國(guó)的農(nóng)業(yè)種植及管理工作大部分仍然是人工來(lái)完成，信息化、自動(dòng)化、智能化程度較低。雖然目前我國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平在逐漸的提升，在農(nóng)業(yè)方面的科技水平也取得了一定的成果，但是在智能監(jiān)測(cè)和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中依舊不是很穩(wěn)定。而物聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)代信息化技術(shù)的重要組成部分，將其運(yùn)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理上會(huì)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加精細(xì)化，還可以使人力成本降低，同時(shí)還能獲取到大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及信息，還可以對(duì)一些農(nóng)業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行智能化的遠(yuǎn)程控制，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的農(nóng)業(yè)種植。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧型農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著十分廣闊的前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)安裝空氣溫濕度、土壤水分濕度、PH值、空氣光照強(qiáng)度、風(fēng)速等多種傳感器，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)。借助數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，監(jiān)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況。利用變頻控制柜、電動(dòng)閥門等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器與云端平臺(tái)存儲(chǔ)分析并實(shí)時(shí)通信，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者提供云平臺(tái)的訪問(wèn)服務(wù)，從而及時(shí)干預(yù)生產(chǎn)，保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。如圖1所示。

系統(tǒng)架構(gòu)由設(shè)備層、傳輸層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中設(shè)備層由各種采集設(shè)備、控制設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，包括農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器和農(nóng)業(yè)動(dòng)植物本體（生命）信息傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、肥料濃度、土壤水分、動(dòng)植物自身生理狀況等農(nóng)業(yè)對(duì)象或動(dòng)植物行為等過(guò)程的信息獲取，并且由一定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)備如：風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)閥、濕簾等進(jìn)行有效的控制;傳輸層主要是將感知層獲取的各類數(shù)據(jù)信息，根據(jù)不同情況選擇不同的通訊方式，通過(guò)有線或無(wú)線方式傳輸?shù)綉?yīng)用層，在選擇通訊方式時(shí)要考慮墻體厚度及材質(zhì)、田間的地形地貌、遮擋物、作物高度對(duì)通訊的影響;服務(wù)層主要包括一些設(shè)備接入服務(wù)、PC端接入服務(wù)、移動(dòng)端接入服務(wù)、提供SDK服務(wù)以及FTP圖片服務(wù)等;業(yè)務(wù)層主要是給用戶提供一些業(yè)務(wù)服務(wù)，例如首頁(yè)展示、系統(tǒng)基礎(chǔ)管理、站點(diǎn)管理、設(shè)備管理、園區(qū)管理以及運(yùn)營(yíng)管理等;應(yīng)用層是由預(yù)設(shè)的應(yīng)用規(guī)則及農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)建立基于業(yè)務(wù)邏輯的管理控制策略和模型，將感知輸出的各種數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘決策，將有效的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)在終端設(shè)備，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供高效的信息服務(wù)和智能管理控制的具體措施，應(yīng)用可以做到閉環(huán)控制。

2 主要技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

2.1 移動(dòng)通信技術(shù)

移動(dòng)通信是移動(dòng)體之間的通信，或移動(dòng)體與固定體之間的通信。移動(dòng)通信是進(jìn)行無(wú)線通信的一種現(xiàn)代化技術(shù)，它是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要成果之一[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)逐漸成為社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步的重要工具。移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了1G、2G、3G、4G和5G的發(fā)展歷程，1G以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，已經(jīng)被淘汰;2G以數(shù)字語(yǔ)音傳輸技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了通話的功能;3G是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)，能同時(shí)傳送聲音和數(shù)據(jù)信息;4G是集3G與WLAN與一體，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像等，4G有著不可比擬的優(yōu)越性;5G是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，它的性能目標(biāo)是高速率、少延遲、省能源以及能降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。

本課題將采用4G網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，將監(jiān)測(cè)到的農(nóng)田環(huán)境信息以及農(nóng)業(yè)種植的相關(guān)控制設(shè)備接入平臺(tái)。將相關(guān)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)以及設(shè)備接入平臺(tái)后，為了保證設(shè)備能長(zhǎng)期穩(wěn)定在線，采用了建立心跳幀的方法實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)服務(wù)器的雙向連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)上傳和及時(shí)接受平臺(tái)下發(fā)的設(shè)備控制指令。

2.2 無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)[2]是一種遠(yuǎn)距離傳輸通訊方式，它不經(jīng)由導(dǎo)體或纜線傳播數(shù)據(jù)信息。目前，比較成熟的無(wú)線通信方式主要包括Wifi、NB-IOT、ZigBee、LoRa等，各種通信方式都有其各自的性能如表1所示。由于農(nóng)業(yè)的環(huán)境比較復(fù)雜，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的通訊方式，而不能將現(xiàn)有的通訊技術(shù)簡(jiǎn)單搬來(lái)使用。如果在布設(shè)中有一定的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，那么在選擇通訊方式時(shí)要考慮墻體厚度及材質(zhì)，因?yàn)閴w厚度及材質(zhì)會(huì)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)之間信息通訊產(chǎn)生一定的影響;而對(duì)于大田作物來(lái)說(shuō)，田間的遮擋物、田間的地形地貌、作物的高度也同樣會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)通訊有影響。在表1中，ZigBee和Wifi的傳輸距離不長(zhǎng)，適合用在溫室大棚、智慧家居等場(chǎng)景。LoRa的傳輸距離較遠(yuǎn)而且功耗低，在布設(shè)規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中可以使用。而NB-IOT構(gòu)建的蜂窩網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有完全在野外農(nóng)業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)覆蓋，因此本課題不采用NB-IOT無(wú)線通信的方式。本課題目前大多為大棚種植區(qū)，主要監(jiān)控和采集一些設(shè)施栽培傳感器的數(shù)據(jù)，因此采用ZigBee通信技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)施栽培環(huán)境信息監(jiān)測(cè)站以及灌溉控制節(jié)點(diǎn)的通信功能。在實(shí)際的布設(shè)過(guò)程中，根據(jù)園區(qū)的情況按需求布設(shè)合適數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，從而有效的感知園區(qū)信息有效和進(jìn)行設(shè)備智能化的控制。

2.3 信息感知技術(shù)

信息感知技術(shù)[2]的核心是傳感器，它是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化信息的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。通過(guò)在栽培園區(qū)部署傳感器，采集園區(qū)影響作物生長(zhǎng)是數(shù)據(jù)參數(shù)，如：空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度等。這些傳感器的部署為監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境和精細(xì)化管理控制提供了有效的數(shù)據(jù)和技術(shù)解決方案。農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)主要包括電化學(xué)感知技術(shù)、光學(xué)感知技術(shù)、電學(xué)感知技術(shù)以及遙感學(xué)感知技術(shù)。電化學(xué)感知是以修飾電極、待測(cè)物質(zhì)分別作為轉(zhuǎn)化元件和敏感源，把電流、電勢(shì)或者電導(dǎo)等作為特征檢測(cè)信號(hào)的機(jī)理。光學(xué)感知的傳感器不需要與被檢測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電極，穩(wěn)定性與重復(fù)性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。電學(xué)感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中主要用于溫度、濕度的測(cè)量。遙感學(xué)的理論基礎(chǔ)是物質(zhì)成分在不同波段電磁波下的光譜吸收和反射特征。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)對(duì)大面積露天農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)和管理具有很好的作用，可以讓農(nóng)作物種植種類分散、地域復(fù)雜等難題得到很好的解決。在本課題的研究中，主要應(yīng)用到了電學(xué)感知技術(shù)和遙感學(xué)感知技術(shù)，用以采集栽培作物園區(qū)的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)，如空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度等。

2.4 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在大多栽培園區(qū)，由于采用的傳感器采集節(jié)點(diǎn)使用電池供電，導(dǎo)致采集的參數(shù)單一、采集數(shù)據(jù)周期過(guò)長(zhǎng)[3]。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中大多為了降低功耗、延長(zhǎng)傳感器的生命周期，就不得不降低采集頻率，但這樣就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性變低，并且不能實(shí)時(shí)的對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)的控制管理。這是其中一個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集所面臨的困難。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的部署通常結(jié)合作物種植的實(shí)際過(guò)程人為預(yù)先設(shè)定確定的方式。本課題主要通過(guò)Modbus-RTU通信協(xié)議的搭載，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)。如圖2所示。系統(tǒng)給各個(gè)從機(jī)傳感器設(shè)置了各自的總線訪問(wèn)地址，終端控制器通過(guò)輪詢的方式與各個(gè)傳感器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)這樣的設(shè)計(jì)方式，可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)并獲取能實(shí)時(shí)進(jìn)行多種類型數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，保證了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[2]是專門為物聯(lián)網(wǎng)制定的云平臺(tái)，是以“互聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)，將其用戶端擴(kuò)展和延伸到物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念，它可以實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備的無(wú)線接入以及海量數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)。云平臺(tái)主要研究的問(wèn)題有：設(shè)備接入?yún)f(xié)議適配、設(shè)備連接規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)等常見(jiàn)問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的終端數(shù)量是海量級(jí)別的，比起普通互聯(lián)網(wǎng)的終端數(shù)量要多出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)一般具有以下幾個(gè)功能：（1）設(shè)備通信。這是最基本的功能。在進(jìn)行通信之前，需要定義要相關(guān)的通信協(xié)議，還要提供不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入方案，例如2/3/4G、NB-loT、LoRa等。在需要時(shí)，提供一定的設(shè)備端SDK及SDK源代碼，這樣可以減少一定的客戶端工作量。（2）設(shè)備管理。每個(gè)設(shè)備需要有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)方便管理，并且要控制設(shè)備的接入權(quán)限，管理設(shè)備的在線、離線狀態(tài)，設(shè)備的在線升級(jí)、設(shè)備注冊(cè)、刪除、禁用等功能。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。必須要有可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)海量的連接數(shù)量和海量的數(shù)據(jù)信息。（4）安全管理。必須要對(duì)各種接入設(shè)備的安全連接做出充分保障，并且要有不同的權(quán)限級(jí)別。（5）人工智能處理技術(shù)。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)信息，很多都是需要進(jìn)行分析和處理的，這些數(shù)據(jù)里蘊(yùn)含著對(duì)人類生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究極高的價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)有幾大公司都在積極建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，比如華為的“Ocean Connect”、百度的“天工”、阿里巴巴的“阿里物聯(lián)”、中國(guó)移動(dòng)的“OneNET”以及通訊的“QQ物聯(lián)”。這些物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)都為用戶提供設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全管理、服務(wù)應(yīng)用等一站式服務(wù)。

課題采用阿里云作為設(shè)備接入的智能物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，只需要配置一些簡(jiǎn)單參數(shù)，就可以將農(nóng)作物種植園區(qū)的各種設(shè)備接入云平臺(tái)。該平臺(tái)是設(shè)備、平臺(tái)及應(yīng)用三級(jí)聯(lián)動(dòng)的宏觀調(diào)控的架構(gòu)。首先將園區(qū)檢測(cè)站各種傳感設(shè)備獲取到的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓力、土壤PH值、土壤水分、土壤溫度、二氧化碳值、渦輪流量值、園區(qū)風(fēng)速等數(shù)據(jù)信息以通過(guò)4G網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳送給云平臺(tái)。然后在云端，可以獲悉農(nóng)作物種植園區(qū)的各種作物生長(zhǎng)環(huán)境因子、環(huán)境氣象因子，讓用戶能更清晰的了解作物生長(zhǎng)的情況以及設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，從而讓用戶根據(jù)需要控制各種設(shè)備的運(yùn)行，讓平臺(tái)將這些控制指令下發(fā)到園區(qū)監(jiān)測(cè)站的控制設(shè)備中?？梢愿鶕?jù)用戶的實(shí)際需求設(shè)計(jì)平臺(tái)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)管理、操作權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)信息可視化展示以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3 結(jié)論與展望

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還存在著一些問(wèn)題，但是隨著科技的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮極其重要的作用，同時(shí)這也是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。中國(guó)農(nóng)業(yè)將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

參考文獻(xiàn)

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