張 蒙，劉 倩

（1.江蘇香河農業(yè)開發(fā)有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇原創(chuàng)藥物研發(fā)有限公司，江蘇 連云港 222000）

近日，國家發(fā)布了《2022 年數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展工作要點》（以下簡稱《工作要點》）。

《工作要點》明確了工作目標：到2022 年底，數(shù)字技術有力支撐農業(yè)基本盤，農業(yè)生產信息化水平穩(wěn)步提升。同時也部署了30 項重點任務。智慧農業(yè)建設被列入其中，主要包括以下方面內容：大力發(fā)展智慧農業(yè)的信息化基礎；加大農業(yè)生產場景窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署；加快推動農業(yè)大數(shù)據(jù)建設應用，重點建設國家農業(yè)農村大數(shù)據(jù)平臺，建立健全數(shù)據(jù)資源體系；加快推動農業(yè)數(shù)字化轉型，建設數(shù)字育種服務平臺；加快推進信息技術在農業(yè)生產經營中的應用，提高農業(yè)生產經營效率；強化農業(yè)科技創(chuàng)新供給；加強高端智能農機裝備研發(fā)制造，推進北斗智能終端在農業(yè)生產領域應用；同時，還要提高農田建設管理數(shù)字化水平，構建綜合監(jiān)測監(jiān)管平臺。

智慧農業(yè)簡單來說就是利用信息化應用技術諸如物聯(lián)網(wǎng)技術、5G 技術等，運用傳感器、采集器等前端設備完成數(shù)據(jù)采集，再通過軟件或者移動平臺實現(xiàn)對農業(yè)生產的監(jiān)控，提高農業(yè)的智慧化水平。另外從廣義上來說，智慧農業(yè)還能拓展至農業(yè)休閑、農業(yè)旅游、農業(yè)電子商務等業(yè)務方向。智慧農業(yè)是農業(yè)發(fā)展的必經階段，在傳統(tǒng)的農業(yè)中運用，是一種高級的農業(yè)發(fā)展階段，依托農業(yè)生產現(xiàn)場的各種傳感器（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等），完成對農業(yè)場景中基礎信息的采集，通過有線/無線的通信方式，完成數(shù)據(jù)傳輸，并在后臺的大數(shù)據(jù)平臺進行分析，以及通過定制化應用軟件的開發(fā)，實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)的數(shù)字化的遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理。

本文通過對新一代信息技術的調研，研究一種適配多種農業(yè)場景的通用性智慧型解決方案，盡可能實現(xiàn)現(xiàn)代生物技術、種植技術等與信息技術的融合，促進現(xiàn)代智慧農業(yè)的發(fā)展[1-2]。

1 現(xiàn)狀分析

中國是農業(yè)大國，古往今來，一直依托農業(yè)在發(fā)展，農業(yè)在中國的歷史進程中占據(jù)著重要的地位，中國“民以食為天”的俗語也體現(xiàn)了農業(yè)的重要性。但是近年來，隨著人口出生率的減少，農村人員進入城市進行現(xiàn)代化建設，人口紅利的優(yōu)勢正在漸漸變弱。現(xiàn)在農業(yè)發(fā)展也面臨著較為嚴重的勞動力不足問題。但農業(yè)關乎人民生計，國家對農業(yè)的重視程度很高，基于此，要結合新興技術的發(fā)展，依托科學手段，更有效地促進農業(yè)發(fā)展，降低農業(yè)對人力的需求。

智慧農業(yè)的發(fā)展離不開信息化應用技術的推廣應用，農業(yè)信息化則是智慧農業(yè)的發(fā)展基礎，其是一種數(shù)字化產業(yè)，與農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農業(yè)智能裝備、精準農業(yè)等構成了重要的業(yè)務模塊。

智慧農業(yè)與相關現(xiàn)代科學技術的發(fā)展有著密切的關系，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、AI 等技術的快速發(fā)展，這些技術在大棚的溫控改造、大面積種植的信息化建設等方面得到了諸多的應用。在信息化配套生產的應用中產生了大量的基礎數(shù)據(jù)，主要為農業(yè)生產過程數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)、農業(yè)設備監(jiān)控數(shù)據(jù)等，大數(shù)據(jù)分析將有助于育種、病蟲防治，并且通過AI 的算法分析有助于實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)預警，在精準農業(yè)和設施農業(yè)方面取得了一定的成效。部分農業(yè)應用還建立了APP，便于實現(xiàn)與農業(yè)專家的遠程交流，通過數(shù)據(jù)對比，做到精準預防。而通過5G、衛(wèi)星等通信手段也促進了農用裝備的快速發(fā)展，提高了作業(yè)效率。

智慧農業(yè)于20 世紀80 年代首先在國外開始起步，隨后在美國以及歐美發(fā)達國家得到了快速的發(fā)展，并出臺了多項支持的政策，強調了農業(yè)生產經營要與大數(shù)據(jù)做結合，農產品流通要在互聯(lián)網(wǎng)端實現(xiàn)，農業(yè)裝備要進行信息化升級改造。

中國從2014 年開始進行智慧農業(yè)的推廣，相比于國外起步較晚。同時由于中國區(qū)域經濟發(fā)展差異，東部地區(qū)智慧農業(yè)發(fā)展優(yōu)于西部地區(qū)。在上海，已建設了浦東農業(yè)大數(shù)據(jù)中心，在新疆也建設了智慧棉花基地。中國智慧農業(yè)目前在技術論證和共性研發(fā)方面取得了一定的成績，但是在具體的業(yè)務應用方面發(fā)展還較為緩慢。

在目前國內智慧農業(yè)發(fā)展方面，中國正積極推進農業(yè)自動化水平升級，目前對農作物生長指標和環(huán)境參數(shù)關注度較高。隨著國內信息技術的廣泛使用，農業(yè)生產已經進入了大數(shù)據(jù)時代，不過由于智慧農業(yè)涉及的環(huán)境監(jiān)測、設備參數(shù)等采集種類多、數(shù)量大，需要研究合適的大數(shù)據(jù)分析技術，本文將針對這一需求，進行智能安全大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺設計，基于Hadoop 平臺，將數(shù)據(jù)信息進行云存儲，實現(xiàn)遠程訪問和遠程控制，并在農業(yè)溫室監(jiān)測中進行試用驗證?？梢詫r業(yè)設備狀態(tài)進行監(jiān)測和預警，根據(jù)環(huán)境情況進行輔助決策，幫助農業(yè)生產管理人員盡早發(fā)現(xiàn)問題，提升農業(yè)作業(yè)效率，提高經濟效益[3-4]。

2 面臨挑戰(zhàn)

當然智慧農業(yè)在發(fā)展過程中也存在一些共性問題，本文將重點分析技術方面存在的問題，主要包括以下2 個方面。

2.1 網(wǎng)絡通信

智慧農業(yè)體系需要構建網(wǎng)絡架構，在目前的情況下，國內很多地區(qū)的農業(yè)區(qū)域無法普及網(wǎng)絡通信，在東部較為發(fā)達地區(qū)或者試點示范地區(qū)，有相對完善的通信網(wǎng)絡，能夠適配農業(yè)信息系統(tǒng)以及農業(yè)網(wǎng)絡平臺。總體來說，目前中國智慧農業(yè)領域基礎通信設施尚待完善，通信資源嚴重缺乏，需要進行基礎信息化的改造升級。

2.2 大數(shù)據(jù)安全

智慧農業(yè)的數(shù)據(jù)分析，需要構建大數(shù)據(jù)分析平臺。隨著通信技術、網(wǎng)絡安全技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全需要得到更多的關注，需要構建自主的大數(shù)據(jù)安全管控平臺來保障數(shù)據(jù)采集、存儲、調用的數(shù)據(jù)安全，這將有助于智慧農業(yè)產業(yè)高質量的發(fā)展。

針對一些共性問題，本文在構建大數(shù)據(jù)智能管控平臺時，也做了相應的安全考慮，在細化需求的基礎上，更大程度地保障數(shù)據(jù)安全[5]。

3 基于大數(shù)據(jù)的農業(yè)智能監(jiān)測平臺研究

在農業(yè)監(jiān)測應用領域，對環(huán)境、病蟲的監(jiān)測很重要，因為會持續(xù)危害農作物的生長。而一般農業(yè)生產的危害事件，如果在早期能夠有效發(fā)現(xiàn)并采取相應的防治手段，這將會達到一個很好的效果。本文將圍繞這個研究熱點開展技術研究和論證，構建基于大數(shù)據(jù)分析的農業(yè)智能監(jiān)測平臺，來實現(xiàn)監(jiān)測的預警防治。通過平臺的構建完成對環(huán)境、關鍵因素等數(shù)據(jù)信息的采集，實現(xiàn)對農作物生產因素數(shù)據(jù)的及時獲取。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法大多以人力采集為主，需人員現(xiàn)場采集標本信息，并對照相應的評判手冊來進行相應問題的匯總。此種模式存在信息滯后、統(tǒng)計量大、統(tǒng)計誤差大等問題。本文構建的基于大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測平臺，由移動終端和能夠聚合存儲空間及屬性數(shù)據(jù)的服務端構成，具備數(shù)據(jù)采集、處理及瀏覽、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等功能，為確保數(shù)據(jù)能夠集成在統(tǒng)一的平臺，采用基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互。

在農作物生產現(xiàn)場，部署常規(guī)的溫濕度監(jiān)測傳感器、視頻監(jiān)控、病蟲監(jiān)測設備、土壤監(jiān)測傳感器等，并利用北斗定位等完成前端數(shù)據(jù)的采集，完成數(shù)據(jù)采集后，利用5G/4G 將數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺。

基于大數(shù)據(jù)分析的農業(yè)智能監(jiān)測平臺主要用于農作物環(huán)境監(jiān)測、生產設備的遠程控制及數(shù)據(jù)存儲等，其系統(tǒng)架構主要分為4 層，如圖1 所示。

圖1 總體架構

第一層為感知層。傳感數(shù)據(jù)通過感知層連接，通過網(wǎng)絡將基礎數(shù)據(jù)傳輸給平臺層智能監(jiān)測平臺，主要包括生長燈、排風扇、水泵、溫濕度、土壤酸堿度、視頻監(jiān)控、環(huán)境因子等。第二層為平臺層，給大數(shù)據(jù)分析提供處理計算環(huán)境，主要有應用集成框架、大數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)處理架構、態(tài)勢顯示框架、數(shù)據(jù)總線服務、大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)部署服務、系統(tǒng)時統(tǒng)服務等。第三層為服務層，主要提供必要的運行環(huán)境，主要有協(xié)議適配服務、格式轉換服務、數(shù)據(jù)訪問服務、基礎測控服務等。第四層為應用層，將實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的農業(yè)智能監(jiān)測平臺主要功能，主要包括環(huán)境監(jiān)測、情報處理、態(tài)勢感知、態(tài)勢顯示、輔助決策、病蟲監(jiān)測、雨水監(jiān)測、土壤監(jiān)測、記錄回放、光照監(jiān)測、配置管理等。該架構保障了系統(tǒng)服務的高可用性及高可靠性。

本文的大數(shù)據(jù)分析平臺基于Hadoop 平臺，采用多服務器集群方式，并且在每個服務器單獨安裝Hadoop平臺，在每個服務器上都能達到獨立數(shù)據(jù)分析功能。數(shù)據(jù)存儲基于HDFS（分布式文件系統(tǒng)），在具體的農業(yè)場景應用中，對該數(shù)據(jù)平臺進行了部分定制化的開發(fā)。主要實現(xiàn)功能如圖2 所示。

圖2 大數(shù)據(jù)平臺功能架構

本文的應用場景選取農作物溫室生產環(huán)境。通過大數(shù)據(jù)分析技術的應用，取得了較好的成果。

在該應用場景下，設置了智能網(wǎng)關模塊，用于對環(huán)境及生產數(shù)據(jù)的采集。在農業(yè)設備的智能監(jiān)控模塊部分則完成了作業(yè)設備的數(shù)據(jù)可視化、遠程監(jiān)控、遠程控制。并對涉及到的系統(tǒng)中硬件進行了集中化的管理，可進行定制化設置。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為核心應用系統(tǒng)，在農作物溫室環(huán)境中，構建了知識圖譜、生產管理分析、智能多維分析等應用，并且能夠基于專家系統(tǒng)、云計算、深度學習算法等新興技術手段更好地進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)該場景的輔助決策，定期調整施肥量、翻地次數(shù)等，更好地指導作業(yè)生產，提高農業(yè)物的產量和質量。之后部署用戶管理模塊，便于對用戶信息的管理以及訪問權限的控制，保障信息安全等。最后對監(jiān)測平臺進行了實地測試，試驗中的點數(shù)據(jù)采集數(shù)量150 個，大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)過程用時0.7 s，定位精度可達到1 m 以內，實現(xiàn)了環(huán)境、病蟲害等的可視化顯示。分析產生影響的原因以及田地、大棚、氣象條件等所產生的影響，給出了專家建議。并且對相關作業(yè)設備的數(shù)據(jù)進行了狀態(tài)監(jiān)測，能夠實現(xiàn)對作業(yè)設備的遠程運維。

本平臺基于大數(shù)據(jù)，結合5G/4G、先進傳感器等應用技術，設計了一套基于大數(shù)據(jù)分析的農業(yè)智能監(jiān)測平臺，并完成了異構數(shù)據(jù)的集成處理，之后在綜合管控平臺，以可視化的形式進行了展示，知識圖譜以及專家系統(tǒng)能夠提供輔助決策。同時，對Hadoop 平臺框架進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)對海量農業(yè)數(shù)據(jù)的分析。并在具體的應用場景中進行了試用，根據(jù)實驗情況可知，該平臺架構設計合理，功能使用達到預期要求，能夠有效促進農作物的生長，同時能夠高效監(jiān)測作業(yè)設備。

4 結論

本文對智慧農業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了淺析，并對國內外發(fā)展情況做了調研，提出了一種適合國內的基于大數(shù)據(jù)農業(yè)智能監(jiān)測平臺設計方法，并在相關場景中進行了應用。未來，隨著科學技術的發(fā)展以及信息應用技術細分領域的快速發(fā)展，未來智慧農業(yè)的發(fā)展將更加多元化和更加智能化，同時也要認識到智慧農業(yè)的技術發(fā)展固然重要，但是信息智慧農業(yè)復合型人才的培養(yǎng)也很重要，另外，也要更多地關注新興技術的適配性，例如區(qū)塊鏈、元宇宙新興技術演變，在智慧農業(yè)領域究竟能夠實現(xiàn)什么方式的結合，這也是未來可以探討的一個研究點。當然，最為重要的是國家對智慧農業(yè)的支撐以及服務保障。智慧農業(yè)是智慧鄉(xiāng)村的一個組成部分，未來國家會在該領域投入更多的資源，來加強基礎設施的建設，相信在國家的宏觀布局和政策指引下、農業(yè)從業(yè)人員的重視下，智慧農業(yè)的發(fā)展也會越來越好。智慧農業(yè)的發(fā)展對新興技術的發(fā)展也會產生反向作用，雙發(fā)達到一個良性的互動以及促進作用。大數(shù)據(jù)的應用不僅局限于在農作物生長過程中，也可應用在農產品銷售模式方面，更大程度地推廣新農產品，促進智慧農業(yè)產業(yè)高質量的發(fā)展。