郭佩佩，黃家懌，2，謝秋波，2

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510063）

面向華南區(qū)域的農(nóng)業(yè)環(huán)境和設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)

郭佩佩1，黃家懌1，2，謝秋波1，2

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510063）

針對我國設(shè)施園藝環(huán)境遠程監(jiān)測、診斷和調(diào)控技術(shù)的自動化、智能化水平低，人為干預(yù)明顯等問題，開發(fā)融傳感器監(jiān)測、視頻圖片采集、環(huán)境調(diào)控及設(shè)備診斷為一體的華南區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境和設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括溫室環(huán)境信息及視頻圖像的獲取、存儲、分析處理；溫室環(huán)境和現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)查詢；本地及遠程監(jiān)控；設(shè)備故障診斷、報警等功能，并整合了生產(chǎn)管理、銷售管理、采購管理、員工管理、庫存管理、配套設(shè)施設(shè)備管理、技術(shù)數(shù)據(jù)庫和栽培專家?guī)?，有助于提高栽培生產(chǎn)效率，降低管理成本，提升我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控技術(shù)水平，實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)、高質(zhì)、高效。

設(shè)施園藝 農(nóng)業(yè)環(huán)境 智能監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

設(shè)施園藝是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方面，與人民生活水平和質(zhì)量關(guān)系密切，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑[1]。其核心是人為調(diào)節(jié)和控制動植物生長環(huán)境因素，使其擺脫氣候、土地等條件的制約，創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，提高動植物生長效率，形成可控條件下集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效化生產(chǎn)[2-3]。荷蘭、以色列、日本、美國、等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達的國家，其在設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、種苗技術(shù)及規(guī)范化栽培技術(shù)、設(shè)施環(huán)境綜合調(diào)控及農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)水平等都具有較高的水平，居世界領(lǐng)先地位[4-5]。目前，日本、以色列、美國等國家建造了一些世界上最為先進的全封閉生產(chǎn)體系，可對在密閉環(huán)境中的光照、溫度、水、氣、肥等因素進行智能控制，并通過互聯(lián)網(wǎng)和視頻技術(shù)進行溫室遠程控制與管理診斷、實時環(huán)境監(jiān)測，采用機器人或機械手進行播種、移栽的“植物工廠”[6-7]。美國是最早開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的國家。到了20世紀(jì)80年代中期，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)有了較大發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從單一的病蟲害診斷轉(zhuǎn)向作物栽培、施肥、雜草控制、森林環(huán)保、生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益分析決策等應(yīng)用，尤以美國、日本和歐洲國家最為突出[8-10]。

而我國的設(shè)施園藝栽培總面積處于世界第一，但設(shè)施環(huán)境遠程監(jiān)測、診斷和調(diào)控技術(shù)自動化、智能化水平低，人為干預(yù)明顯，嚴(yán)重阻礙了設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效發(fā)展。突出問題表現(xiàn)在：①遠程診斷系統(tǒng)缺乏完整、可靠、實時更新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和生態(tài)信息的支撐；②對復(fù)雜環(huán)境和生態(tài)數(shù)據(jù)的綜合處理和快速分析能力不強；③作物種植和農(nóng)機設(shè)備操作過程模擬技術(shù)不成熟；④專家系統(tǒng)的功能不夠全面，靈活性和個性化有待進一步提高。

針對上述問題，本文采用基于Web的自組網(wǎng)技術(shù)、中間件技術(shù)、接口技術(shù)和自動化工控技術(shù)等，突破構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)智能調(diào)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，消除溫室物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)控的瓶頸，促進現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)種植設(shè)施相互融合發(fā)展，提升我國設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控技術(shù)水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)外部環(huán)境拓撲圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

構(gòu)建系統(tǒng)外部運行環(huán)境（如圖1所示），一方面利用信息融合技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、動態(tài)域名技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)，實現(xiàn)多通道、不同類別的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境信息和生態(tài)信息的實時在線獲取、綜合分析和遠程傳輸，為溫室環(huán)境調(diào)控提供依據(jù)；另一方面，采用工控技術(shù)實現(xiàn)對施肥系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、調(diào)濕系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽及補光系統(tǒng)等設(shè)備的自動化控制，當(dāng)環(huán)境信息達到預(yù)先制定的條件時，自動啟動溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，達到節(jié)水，省電，省人工，更省心。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用Java技術(shù)，通過軟件手段解決分布式應(yīng)用集成，通過信息控制完成跨過程、跨系統(tǒng)的信息交互與共享，符合SOA架構(gòu)，支持JMS、SOAP、WSDL、XML等規(guī)范。平臺的設(shè)計遵循整體規(guī)劃、緊貼實際、適度超前、創(chuàng)新發(fā)展的基本原則，由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和表現(xiàn)層五個結(jié)構(gòu)層面組成。各層面功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)件庫

構(gòu)件庫是保證平臺應(yīng)用系統(tǒng)具備可擴展性的主要手段。通過構(gòu)件化的SOA將一個大的應(yīng)用系統(tǒng)分解為成千上百個小的業(yè)務(wù)流程，每個業(yè)務(wù)流程可以用構(gòu)件組合而成。當(dāng)業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時，通過構(gòu)件的重新組成，方便、快速地改變業(yè)務(wù)流程或?qū)崿F(xiàn)新的業(yè)務(wù)需求，從而實現(xiàn)支撐服務(wù)平臺的可擴展性和可配置性。

2.2 系統(tǒng)差異化控制

如何滿足不同客戶的差異化和個性化，是系統(tǒng)可持續(xù)應(yīng)用所需解決的關(guān)鍵問題。通過元數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)差異化控制，可從元數(shù)據(jù)和語義層兩個層次為用戶提供個性化定制和配置應(yīng)用。通過元數(shù)據(jù)，用戶可以對數(shù)據(jù)庫模型進行修改、擴展，甚至重新定義數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)、視圖、字段、類型；通過語義層客戶可以重新配置用戶界面，可以自定義報表格式和內(nèi)容。通過元數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶可在用戶界面、工作流程和商務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)模型擴展和存取控制等四大領(lǐng)域進行配置更改。

2.3 融合組態(tài)技術(shù)

利用信息融合技術(shù)、壓縮技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、工控技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境信息和生態(tài)信息的實時在線獲取、綜合分析和遠程傳輸，以直觀的圖表、曲線、點陣等方式顯示給用戶，可根據(jù)作物需求提供各種聲光報警，并根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)與作物信息，指導(dǎo)溫室設(shè)施的正確控制。

2.4 安全機制

采用當(dāng)前較為先進的“保護-響應(yīng)-檢測-恢復(fù)”反饋控制自適用模型來保證整個系統(tǒng)的安全性。采用多種分級防御機制，互相配合，提供深度防御，在不同情況下以不同方式確保應(yīng)用安全，防范內(nèi)外部風(fēng)險。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

為了方便用戶使用，開發(fā)了Web系統(tǒng)和手機APP兩種登錄方式，其登錄界面分別如圖3所示。用戶采用上述任意一種方式登錄系統(tǒng)后，出現(xiàn)圖4所示的主界面。該界面左側(cè)的系統(tǒng)功能列表，主要包括系統(tǒng)功能管理、視頻監(jiān)控信息展示、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)上傳下載、專家系統(tǒng)等六大模塊。

圖3 系統(tǒng)平臺登錄界面

圖4 系統(tǒng)主界面

通過視頻監(jiān)控信息展示、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備管理這三大模塊，可以遠程實時獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的土壤成分/養(yǎng)分信息、土壤特征信息、作物生長小氣候信息、圖像信息、作物種類和生長狀態(tài)信息、病蟲害信息和地理空間定位信息等參數(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場的實時動態(tài)，并可根據(jù)獲取的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)對施肥系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、調(diào)濕系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽及補光系統(tǒng)等設(shè)備的自動化控制，如圖5所示。同時通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程集中控制。

專家系統(tǒng)模塊通過充分發(fā)揮Internet收集、共享知識和數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，使其多媒體用戶界面友好、操作方便，且可以不受時間和地理位置限制，實現(xiàn)靈活訪問，擺脫了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的孤立性，使知識信息具有更高的共享度。具有從生產(chǎn)管理、銷售管理、采購管理、員工管理、庫存管理、配套設(shè)施設(shè)備管理，至技術(shù)數(shù)據(jù)庫、栽培專家?guī)斓裙δ埽筛鶕?jù)市場與價格、栽培技術(shù)水平、勞力等因素綜合考慮進行管理。

4 結(jié)語

圖5 溫室控制器（PLC）實物圖及其主要功能示意圖

將現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，構(gòu)建華南區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)專家信息系統(tǒng)服務(wù)平臺，能實時通過互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)掌握農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的作物和環(huán)境信息，為用戶提供決策管理的信息支持與設(shè)施裝備的遠程自動控制，有助于全面提高農(nóng)作物的科學(xué)管理水平、單位面積產(chǎn)出率和資源利用率，降低環(huán)境問題給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的不良影響，提高設(shè)施利用率和生產(chǎn)效益，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展模式具有重要的促進意義。

[1]任爭毅，潘娟娟，顧沛雯.等.設(shè)施園藝病蟲害遠程診斷與監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，19（3）：62-65，162.

[2]葉宏寶，徐志福，石曉燕，等.設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境智能監(jiān)控管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，26（2）：467-472.

[3]姚於康.國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、基本經(jīng)驗及其借鑒[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，（1）：3-5. [4]張曉文.設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)機推廣與安全，2006（11）：6-8.

[5]劉霜.溫室環(huán)境智能化監(jiān)控技術(shù)的研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2003.

[6]DaviesW J，SallyWikinson，Brian Loveys. Stomatal control by chemical signaling and the exploitation of this mechanism to increase water use eggiciency in agriculture[J].New Phytologist，2002（153）：449-460.

[7]新浪網(wǎng).日本植物工廠簡介[EB/OL].（2012-02-12）[2015-03-01].http://blog.sina. com.cn/s/blog_548c43da0100zwk0.html.

[8]孫敏，姚海燕.園藝植物專家系統(tǒng)研究概況與發(fā)展趨勢[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：1213-1216.

[9]武向良，高聚林，趙于東，等.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究進展及發(fā)展方向[J].農(nóng)機化研究，2008（1）：235-238.

[10]劉繼芬.世界主要國家農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、計算機決策系統(tǒng)和計算機模擬模型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004（5）：42-43.

Intelligent Management System of Agricultural Environment and Facilities in South China Region

Guo Peipei1,Huang Jiayi1,2,Xie Qiubo1,2
(1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Co.,Ltd,Guangzhou 510630; 2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630)

To the problems of low intelligence and automation level as well as frequent human intervention on remote monitoring,diagnosis and control technology of protected horticultural environment,we developed an intelligent management system for monitoring and controlling agricultural environment and facilities in greenhouses with the functions of sensor detection,video image acquisition,environment control and equipment diagnosis. The system achieved real-time acquisition,storage and analysis of video surveillance and environmental data.It also realized information inquiry,automatic remote control,equipment fault diagnosis,warning messages sending, production management,sales management,purchasing management,staff management,inventory management,equipment management,technology database and cultivation expert database．The results showed that the system can help to improve cultivation productivity,reduce management costs,raise technical equipment level,and realize high-yield,high-quality and efficient on agricultural production..

horticulture,agricultural environment,intelligent monitoring,internet of things

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題 （2014BAD08B03-4-1），廣東省科技計劃資助項目（2014A020208031），土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室開放課題基金資助項目（2014-SKL-06），2013年省級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)專項資金項目

郭佩佩（1988－），女，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息與智能裝備技術(shù)的研究。Email:guopp@e-jiankun.com