李娜 江鑫 陳永琪 陳奇 郭玉霖

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能等新型信息技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，這些新型技術(shù)也逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施，使農(nóng)業(yè)逐漸向智能農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，而智慧農(nóng)業(yè)利用網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算，依托大量傳感器和網(wǎng)絡(luò)對(duì)種植地覆蓋，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)相關(guān)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行有效追蹤和管理。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的智慧農(nóng)業(yè)能有效提高產(chǎn)能，避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，但是由于構(gòu)建一整套的傳感器網(wǎng)絡(luò)成本極高，對(duì)于目前農(nóng)村形勢(shì)來(lái)說(shuō)是不可能大規(guī)模推廣的。而且物聯(lián)網(wǎng)目前是新型的信息技術(shù)，相對(duì)還不夠成熟，可能會(huì)出現(xiàn)高投入低收益的情況。為了解決此類問(wèn)題，本文采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的嵌入式技術(shù)，利用嵌入式技術(shù)搭建平臺(tái)，極大地降低了構(gòu)建平臺(tái)的成本。同時(shí)也使得對(duì)整套系統(tǒng)的控制變得簡(jiǎn)單，讓各個(gè)硬件設(shè)施發(fā)揮出最高的性能，而不沖突。這種方式有效地優(yōu)化了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，使其可以更迅速、更準(zhǔn)確地對(duì)相關(guān)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境做出有效追蹤和管理，并提出更充分、更有效的預(yù)判、分析和指導(dǎo)。

本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)存和分析，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的整理，同步分析相關(guān)農(nóng)作物的情況，進(jìn)而給出精確定位的科學(xué)診斷以及相關(guān)的指導(dǎo)建議，大幅度提升生產(chǎn)力。整套系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，構(gòu)建了一個(gè)高效的框架，使用成本和使用難度都大大下降。利用更低廉的生產(chǎn)投入實(shí)現(xiàn)更為理想的收入，同時(shí)避免了環(huán)境的破壞和資源的浪費(fèi)，使土地實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境收益。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)是以軟硬件相結(jié)合的方式構(gòu)建的，硬件裝配相關(guān)芯片，能夠通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)，遠(yuǎn)程遙感等相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)傳感器，收集各個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，打包上傳到軟件終端，在系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)分析，并連接大數(shù)據(jù)找到相關(guān)的方案，為用戶提供智能的解決方案，及時(shí)糾正異常情況，實(shí)現(xiàn)收益最大化。

系統(tǒng)以典型的智慧溫室大棚、智慧生態(tài)畜禽養(yǎng)殖、智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖作為虛擬對(duì)象，將生產(chǎn)場(chǎng)景與背景、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、種養(yǎng)殖簡(jiǎn)單生長(zhǎng)規(guī)律等虛擬，采用真實(shí)的工業(yè)通訊協(xié)議、真實(shí)的Web、App智慧農(nóng)業(yè)管控編程體系與平臺(tái)，完全開(kāi)放式地實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程虛擬預(yù)算、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程智慧控制、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備虛擬安裝與調(diào)試、智能農(nóng)業(yè)先進(jìn)算法研究等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)功能，產(chǎn)品同時(shí)也能作為成熟的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)備服務(wù)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)?；A(chǔ)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)圖

智能溫室大棚的建設(shè)主要包括溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度。根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)條件來(lái)改變溫室大棚內(nèi)的環(huán)境使農(nóng)作物能夠生長(zhǎng)在適宜的環(huán)境當(dāng)中，搭配各種外置傳感器，分別監(jiān)測(cè)空氣溫度、空氣濕度、當(dāng)前地點(diǎn)風(fēng)速、當(dāng)前地點(diǎn)的風(fēng)向、CO2濃度、pH值、土壤溫度、土壤濕度和光照等環(huán)境參數(shù)，并且通過(guò)Wi-Fi無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳儲(chǔ)存，在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后進(jìn)行整理分析。方便用戶遠(yuǎn)程查看目標(biāo)區(qū)域的各項(xiàng)信息。整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.2 遠(yuǎn)程控制

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，會(huì)在檢測(cè)地點(diǎn)安裝一系列儀器、設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控一般自動(dòng)化，但是也有手動(dòng)控制操作。其原理是通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)地點(diǎn)在同一局域網(wǎng)絡(luò)下所有設(shè)備的遠(yuǎn)程操控的功能，最終效果為用戶可以在軟件端中實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

2.3 預(yù)警系統(tǒng)

針對(duì)不同農(nóng)作物的所需環(huán)境，查找相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)立一個(gè)報(bào)警線，在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸分析時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警線的數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符時(shí)(即數(shù)據(jù)差別在預(yù)設(shè)誤差值以外)，會(huì)通過(guò)軟件端對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，以提醒用戶出現(xiàn)異常，方便用戶及時(shí)采取調(diào)整環(huán)境的措施，避免造成不必要的損失，使得農(nóng)作物處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，能夠正常生長(zhǎng)發(fā)育，保證了最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 報(bào)表管理

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集到的各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)中進(jìn)行二次數(shù)據(jù)整理，整理后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在表格中，繪制對(duì)應(yīng)的圖像(所繪制的具體圖表看設(shè)定圖表格式)，可以實(shí)時(shí)調(diào)出查看，并進(jìn)行疊加分析，找到規(guī)律性，便于后期的人為觀測(cè)分析，并能及時(shí)采取預(yù)防(或治理)措施。

2.5 視頻監(jiān)控

目前市面上大量使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了非數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的意外發(fā)現(xiàn)，如動(dòng)物偷食、人為破壞等，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)，在檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置視頻采集點(diǎn)(攝像頭)，每個(gè)攝像頭都將實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)的軟件端，凡是在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的攝像頭都可以通過(guò)軟件端進(jìn)行觀看，通過(guò)關(guān)聯(lián)攝像頭可以更好地觀看農(nóng)作物的現(xiàn)場(chǎng)狀況(攝像頭可以通過(guò)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換監(jiān)控方向)，達(dá)到實(shí)時(shí)觀察農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)以及避免園區(qū)農(nóng)作物丟失的目的。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

在作物生長(zhǎng)范圍內(nèi)安裝傳感設(shè)備，并覆蓋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)約定的協(xié)議可以將農(nóng)業(yè)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)相連接?；赪i-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器采集的各種信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理，發(fā)布在軟件端，并給予相關(guān)解決措施，讓用戶及時(shí)做出調(diào)試，智能控制農(nóng)作物生長(zhǎng)的最優(yōu)環(huán)境，以達(dá)到最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的條件。

3.1 技術(shù)解析

Wi-Fi技術(shù)的使用，把各種傳感器設(shè)備與局域網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

RDID技術(shù)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)中通過(guò)接收頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的控制。

傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，主要是用于信息交換和傳輸，同時(shí)具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的功能。

3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

3.2.1 節(jié)省人員投入

通過(guò)該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠基本實(shí)現(xiàn)范圍區(qū)內(nèi)的自動(dòng)化控制，大大減少了農(nóng)業(yè)作業(yè)人員投入，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2.2 節(jié)省資源投入

通過(guò)大量的傳感器對(duì)目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠相對(duì)準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)的基本情況，并進(jìn)行科學(xué)的施肥、灌溉、除蟲等操作，大大減少了化肥、灌溉用水和農(nóng)藥的使用。

3.2.3 保護(hù)環(huán)境

對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的智能監(jiān)測(cè)，減少了大量不必要的物資投入，降低了肥力過(guò)剩、土地鹽堿化等環(huán)境問(wèn)題，保持了良好的土地肥力，延長(zhǎng)使用時(shí)限，保護(hù)了環(huán)境。

3.2.4 增加產(chǎn)量，提升品質(zhì)

通過(guò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境分析和調(diào)整，使得農(nóng)作物處于最優(yōu)的生長(zhǎng)條件，極大地提高了種子的存活率，大大縮短了育種和成熟的周期，因?yàn)榫_的施肥灌溉，農(nóng)作物的品質(zhì)也大幅度提高。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，選取不同類型的外置傳感器，收集檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并上傳至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，平臺(tái)對(duì)于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次整理，對(duì)相應(yīng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)平臺(tái)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心和大腦，承擔(dān)著數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析、報(bào)警、制表等功能，是串聯(lián)起所有儀器設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)展示如圖3所示。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)的主要功能為實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警信息、報(bào)表管理以及系統(tǒng)管理。其中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示以及預(yù)警包括目標(biāo)區(qū)域農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息、農(nóng)作物個(gè)體生長(zhǎng)狀況信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、預(yù)警，前端高清視頻的查看和回放。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和決策指導(dǎo)，即系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制作表格并繪制各種圖表，如農(nóng)作物生長(zhǎng)于環(huán)境對(duì)比圖，并對(duì)這些圖表進(jìn)行疊加分析展示，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)的大數(shù)據(jù)搜索，指導(dǎo)用戶進(jìn)行優(yōu)化。策略編輯界面如圖4所示。

遠(yuǎn)程操控功能指，用戶可以通過(guò)軟件端(手機(jī)App或者PC端)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制設(shè)備，如查看到相關(guān)作物有缺水的情況，用戶可以手動(dòng)開(kāi)啟灌溉設(shè)備，也可以通過(guò)設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)灌溉操作。

當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式依然以傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為主，對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的管控仍停留在依靠經(jīng)驗(yàn)上。以當(dāng)前情況來(lái)說(shuō)，種植環(huán)境監(jiān)測(cè)困難，技術(shù)十分落后。系統(tǒng)將現(xiàn)在新興的信息工程技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))應(yīng)用在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，建立起一個(gè)集環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、情況預(yù)警、生長(zhǎng)狀況分析于一體的綜合性農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控(環(huán)境監(jiān)控和視頻監(jiān)控)等多項(xiàng)便利功能。只要有網(wǎng)絡(luò)，管理人員和用戶都可以通過(guò)軟件端登錄到該系統(tǒng)的平臺(tái)上，查看各種環(huán)境參數(shù)、歷史曲線、視頻監(jiān)控等信息。由于采用了新興的連接技術(shù)，操作極其簡(jiǎn)單，只需專業(yè)人士定期對(duì)該系統(tǒng)各組件進(jìn)行檢查和調(diào)試，極大地方便了用戶，且便于用戶能夠隨時(shí)隨地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和管理，讓農(nóng)作物處于最優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)研究和應(yīng)用推廣越來(lái)越受到社會(huì)重視，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)形勢(shì)紛紛進(jìn)行現(xiàn)代化改造，這對(duì)于促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的影響。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加強(qiáng)農(nóng)作物種植地的自動(dòng)化管理，注重農(nóng)作物在種植過(guò)程中各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的合理運(yùn)用，對(duì)生長(zhǎng)空間的優(yōu)化、改革產(chǎn)生了巨大的幫助，通過(guò)科學(xué)有效的方法擴(kuò)大產(chǎn)能、提升品質(zhì)。滿足當(dāng)下人們對(duì)生活物質(zhì)需求的同時(shí)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的改革做出新的嘗試，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、產(chǎn)量、質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、機(jī)械化與智能化。利用和發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是我國(guó)“四化同步”的國(guó)家戰(zhàn)略，是加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需求，有助于促進(jìn)信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化深度融合，推動(dòng)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的改造升級(jí)。

隨著智慧農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，其會(huì)形成一個(gè)行政引領(lǐng)、社會(huì)保障、市場(chǎng)促進(jìn)、民眾支持的良性循環(huán)模式，體現(xiàn)了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的潛力和可能性，對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展發(fā)揮巨大的價(jià)值。