時(shí)生樂，魏素盼

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

智慧農(nóng)業(yè)是數(shù)字中國(guó)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是鄉(xiāng)村振興的重要組成部分之一，它將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，并與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程結(jié)合，提高產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后效率，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、智能化、自動(dòng)化等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對(duì)降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率等具有重要意義。

文章針對(duì)目前智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中存在無線通信距離短、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)功耗大、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)成本高、農(nóng)業(yè)智能化程度低等問題，采用新興LoRa無線通信技術(shù)，研究利用實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗、智能化、多維度、多尺度的農(nóng)作物信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 新穎的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)采用感知層、傳輸層、應(yīng)用層三層典型架構(gòu)，通過對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行深入分析，結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)新需求和生產(chǎn)、管理過程中存在的智能化程度低、缺少數(shù)據(jù)分析處理等突出問題，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上加入數(shù)據(jù)層，設(shè)計(jì)包含感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層四層架構(gòu)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)具有智能感知、數(shù)據(jù)挖掘分析、數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程智能控制等功能。

感知層主要通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲取植物生長(zhǎng)環(huán)境信息，如監(jiān)測(cè)土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、植物養(yǎng)分含量等參數(shù)，通過攝像頭獲取植物生長(zhǎng)狀況圖像信息，將采集數(shù)據(jù)通過傳輸層發(fā)送到云平臺(tái)，同時(shí)感知層接收上層發(fā)來的控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉、遠(yuǎn)程施肥、遠(yuǎn)程噴藥等遠(yuǎn)程智能化控制。

傳輸層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，一方面，傳輸層將感知層采集的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層進(jìn)行存儲(chǔ)分析，另一方面，傳輸層將數(shù)據(jù)傳輸層發(fā)送的控制信息發(fā)送到感知層，進(jìn)而對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能并為應(yīng)用層提供服務(wù)，數(shù)據(jù)層首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、清洗、轉(zhuǎn)化、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理，其次將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，然后基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行挖掘分析，最后將數(shù)據(jù)分析結(jié)果信息提供給上層應(yīng)用使用。

應(yīng)用層主要通過各種終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，用戶可以通過電腦、平板、手機(jī)等設(shè)備對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨時(shí)隨地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況，可以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程灌溉、遠(yuǎn)程施肥、遠(yuǎn)程噴藥等遠(yuǎn)程控制，可以根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量和分析可能發(fā)生的病蟲害等，還可以將拍攝的農(nóng)作物病狀視頻和圖片遠(yuǎn)程與專家溝通，建立視頻會(huì)議進(jìn)行病蟲害的診斷與防治。

2 一體化集成數(shù)據(jù)采集基站

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)感知層部署了大量的傳感器，這些傳感器對(duì)農(nóng)作物周圍環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。由于傳感器故障、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素，采集的數(shù)據(jù)不一定都是正確的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，不能直接存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此需要對(duì)這些非結(jié)構(gòu)化、包含噪音的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除無效和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化處理之后才能存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。設(shè)計(jì)基于LoRa技術(shù)的一體化集成數(shù)據(jù)采集基站，將各種傳感器合理的集成到一個(gè)基站上，從而減少投放數(shù)量和便于最后設(shè)備的回收，進(jìn)而提升農(nóng)業(yè)智能化程度、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。該集成采集基站分為地下和地上兩個(gè)部分，地下將土壤水分傳感器、土壤酸堿度傳感器等采集土壤數(shù)據(jù)信息的傳感器放置于基站地下部分，而將溫度傳感器、光照傳感器、攝像頭等采集農(nóng)作物周圍生長(zhǎng)環(huán)境信息的傳感器設(shè)備合理放置于集成采集基站地上部分，這樣在一個(gè)集成采集基站上可以同時(shí)采集多種傳感器數(shù)據(jù)，并且減少傳感器的占地面積。同時(shí)，基站使用基于LoRa無線通信技術(shù)，該技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離通信等優(yōu)點(diǎn)，使用該技術(shù)可以減少中繼結(jié)點(diǎn)使用數(shù)量，降低設(shè)備功耗，減少生產(chǎn)勞動(dòng)成本。

3 傳感器數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)感知層部署了大量的傳感器，這些傳感器對(duì)農(nóng)作物周圍環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。由于傳感器故障、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素，采集的數(shù)據(jù)不一定都是正確的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，不能直接存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此需要對(duì)這些非結(jié)構(gòu)化、包含噪音的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除無效和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化處理之后才能存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。本系統(tǒng)對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理，然后將結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)分類存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后通過從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取與分析任務(wù)相關(guān)的傳感器歷史數(shù)據(jù)，通過匯總或聚集等操作，把數(shù)據(jù)變換和統(tǒng)一成適合挖掘的形式，創(chuàng)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為數(shù)據(jù)挖掘分析提供數(shù)據(jù)支撐。

4 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析

數(shù)據(jù)層能夠把感知層收集的傳感器數(shù)據(jù)做統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后根據(jù)分析任務(wù)的需要建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，最后在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘分析。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于分類、聚類等的數(shù)據(jù)挖掘算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，云服務(wù)平臺(tái)使用這些算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、處理，實(shí)現(xiàn)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警、農(nóng)作物種植預(yù)測(cè)、農(nóng)作物遠(yuǎn)程智能化控制，農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)，減少勞動(dòng)力及農(nóng)資投入，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、智慧化，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從以人力為中心轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化和可視化的生產(chǎn)和管理。

5 總 結(jié)

文章針對(duì)當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的LoRa無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出較為先進(jìn)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理，并能夠?qū)μ幚砗蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)農(nóng)作物實(shí)施遠(yuǎn)程控制，為農(nóng)作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智慧化方向發(fā)展。