井翠清

(武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000)

引言

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可分為3大層，即感知層、傳輸層，應(yīng)用層。感知層應(yīng)用各種傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤氮磷鉀傳感器等來(lái)獲取植物的各類(lèi)信息，是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源；傳輸層由各種網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，其與行業(yè)實(shí)際需要結(jié)合。用戶運(yùn)用終端設(shè)備，如PC、手機(jī)等對(duì)農(nóng)田數(shù)字信息進(jìn)行查看、記錄、管理，并精確進(jìn)行灌溉、施肥、咨詢等。

近幾年，武威市積極響應(yīng)政府“三農(nóng)”政策，以及推出的各種強(qiáng)有力的農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中取得了一定成績(jī)，但取得的成果很有限，帶給農(nóng)民的收益很小。隨著武威市鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全力推進(jìn)，結(jié)合武威地域特點(diǎn)，以及市場(chǎng)的消費(fèi)需求，武威市開(kāi)始大力發(fā)展蔬菜種植大棚。新型蔬菜大棚，其規(guī)模和政府投入都是非常大的，應(yīng)學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，從品種、產(chǎn)量、質(zhì)量等各個(gè)方面做到大力提升，從而使農(nóng)民得到較高的經(jīng)濟(jì)收益，成為鄉(xiāng)村振興的有力抓手。為保證溫室大棚內(nèi)的環(huán)境適宜作物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，為作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件，幫助客戶提高效率、降低成本、增加收益、減少人力勞動(dòng)，可采用部署溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)。

本文從智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用層出發(fā)，對(duì)武威市智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行探究。

1 溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)模式

溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)核心要素是精確化數(shù)據(jù)采集，智能化統(tǒng)計(jì)分析，便捷化操作管理。本系統(tǒng)將形成“1平臺(tái)+多系統(tǒng)應(yīng)用”的模式。多種系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)中心、智能控制、生產(chǎn)指導(dǎo)、智能管理、風(fēng)險(xiǎn)防控、分析決策、視頻監(jiān)控。

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)采用Windows中文圖形操作界面，集環(huán)境中的光照強(qiáng)度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤pH、土壤溫濕度、土壤養(yǎng)分含量等要素監(jiān)測(cè)控制功能于一體，可對(duì)各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，用數(shù)字、圖形、圖像等多種方式實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)信息，并對(duì)信息進(jìn)行記錄、分析、綜合管理。用戶可在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)大棚內(nèi)的作物情況進(jìn)行精確掌握，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)中的各要素進(jìn)行全方位管控，聯(lián)動(dòng)控制大棚內(nèi)設(shè)備按需求運(yùn)行，讓作物處于有利于健康生長(zhǎng)的環(huán)境中。

2 溫室大棚智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)解決方案

溫室大棚智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)建設(shè)的意義是精準(zhǔn)管理、智能控制、節(jié)本增效。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀器實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤養(yǎng)分、土壤溫度、土壤水分等各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析并判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)存在超限或不利作物生長(zhǎng)時(shí)，下發(fā)指令到控制設(shè)備，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉大棚內(nèi)的指定設(shè)備運(yùn)行，從而及時(shí)有效地調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)所需的溫、濕、光、氣等條件。

3 溫室大棚監(jiān)控平臺(tái)功能

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)可接入多種溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，如自動(dòng)氣象站(可采集大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)輻射、雨量等)、土壤墑情傳感器(可采集土壤溫度、含水量、電導(dǎo)率)、多種養(yǎng)分傳感器(可采集K+、NH4+、NO3-)等。這些設(shè)備可不間斷地對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄與存儲(chǔ)，并以表格、曲線、圖形等多種展現(xiàn)方式直觀地呈現(xiàn)在用戶眼前，用戶可通過(guò)電腦、手機(jī)、平板等多種設(shè)備對(duì)大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，同時(shí)也可查閱歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 視頻監(jiān)控功能

系統(tǒng)采用高清攝像機(jī)部署監(jiān)控大棚實(shí)時(shí)場(chǎng)景，對(duì)大棚內(nèi)的全景和各區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，用戶可通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)查看、回放，近距離拉伸放大視頻圖像，清晰查看作物生長(zhǎng)細(xì)節(jié)及設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害、蟲(chóng)害等，同時(shí)也為安全生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)保證，便于風(fēng)險(xiǎn)排查、問(wèn)題落實(shí)。

3.3 智能控制功能

系統(tǒng)根據(jù)傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)置范圍時(shí)，聯(lián)動(dòng)控制溫室大棚的常用設(shè)備(如補(bǔ)光、通風(fēng)、灌溉、遮陽(yáng)、濕簾等設(shè)備)進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行，使大棚內(nèi)的環(huán)境始終處于作物最佳的生長(zhǎng)條件之下，讓農(nóng)作物健康成長(zhǎng)。

3.4 預(yù)警報(bào)警功能

系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的環(huán)境參數(shù)上下限，當(dāng)所監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)參數(shù)超過(guò)設(shè)置范圍，系統(tǒng)通過(guò)短信、APP、聲光等多種報(bào)警方式第一時(shí)間告知用戶，用戶可及時(shí)參考查看報(bào)警信息，與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)接，以采取智能決策。在出現(xiàn)誤差時(shí)有效采取人為干預(yù)，讓作物多一種安全保障，避免不必要的失誤。當(dāng)信息處理完畢之后，平臺(tái)自動(dòng)判斷運(yùn)行情況，停止報(bào)警信息發(fā)送。

3.5 生產(chǎn)管理功能

平臺(tái)可記錄作物生產(chǎn)過(guò)程中的農(nóng)事操作日志、農(nóng)資等投入品使用情況，對(duì)每個(gè)階段的農(nóng)事作業(yè)進(jìn)行精準(zhǔn)記錄，可作為規(guī)范種植的重要依據(jù)，同時(shí)平臺(tái)可提前下發(fā)任務(wù)日志，用戶通過(guò)手機(jī)等終端獲取任務(wù)通知，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)管理。用戶可根據(jù)平臺(tái)記錄數(shù)據(jù)，分析投入與產(chǎn)出比例，調(diào)整生產(chǎn)作業(yè)，便于數(shù)字化管理。

3.6 專(zhuān)家在線診斷功能

平臺(tái)接入在線專(zhuān)家及病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)作物出現(xiàn)某一種癥狀時(shí)，用戶第一時(shí)間可以選擇拍照上傳，通過(guò)與已有病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，分析作物可能出現(xiàn)的癥狀并告知解決辦法；如果數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法識(shí)別，則第一時(shí)間聯(lián)系在線專(zhuān)家，通過(guò)視頻近距離查看，排查并診斷，為用戶提供及時(shí)的處理措施與解決辦法。

3.7 大數(shù)據(jù)功能

平臺(tái)根據(jù)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)與種植大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，建立作物生長(zhǎng)模型，通過(guò)大數(shù)據(jù)科學(xué)指導(dǎo)不同階段所需采用的生產(chǎn)作業(yè)，快速找到解決方案，針對(duì)不同作物做出針對(duì)性數(shù)據(jù)指導(dǎo)，更智能、更便捷。

4 總體技術(shù)路線

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)作為系統(tǒng)的展現(xiàn)前臺(tái)，技術(shù)選擇應(yīng)充分考慮這一要求，兼顧目前的需要以及未來(lái)的發(fā)展，采用Java Spring加Spring MVC加My batic(SSM)技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建，體現(xiàn)出先進(jìn)、靈活、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。根據(jù)建設(shè)要求，本管理平臺(tái)總體技術(shù)路線與技術(shù)架構(gòu)應(yīng)基于多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于Json數(shù)據(jù)支持、API技術(shù)，支持Portal業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)JSR 168、JSR 286以及WSRP2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。平臺(tái)采用B/S架構(gòu),采用Java作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,屬性數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用H5加CSS3。

采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)框架技術(shù)以及組件化設(shè)計(jì)方法，不但滿足當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)需求，也能平滑擴(kuò)展建設(shè)，并符合“互聯(lián)網(wǎng)+”整體技術(shù)規(guī)范和可持續(xù)發(fā)展。

5 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

本次設(shè)計(jì)的IT平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)基于Java技術(shù)架構(gòu)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，采用分層的設(shè)計(jì)方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、應(yīng)用支撐層、公共服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層4個(gè)層次，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

5.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層提供整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟硬件支撐環(huán)境。包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、儲(chǔ)存等硬件基礎(chǔ)設(shè)施，以及Windows、Linux、JDK等軟件基礎(chǔ)設(shè)施。

5.3 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層是為各子系統(tǒng)提供運(yùn)行支撐平臺(tái)。采用Spring MVC加Mybatis技術(shù)，為B/S架構(gòu)提供界面支撐。

5.4 公共服務(wù)層

公共服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)都需要使用的公共服務(wù)，在應(yīng)用支撐層基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)來(lái)提供。包括以下功能：數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出，封裝了常用數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出的方法等；數(shù)據(jù)訪問(wèn)，封裝了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的常用操作；日志記錄，封裝了應(yīng)用中對(duì)日志記錄的功能，可以應(yīng)用在系統(tǒng)日志、操作日志、審計(jì)日志；異常處理，封裝了對(duì)系統(tǒng)異常的處理，包括捕捉、記錄、提醒通知等處理；緩存處理，封裝了對(duì)數(shù)據(jù)緩存的處理，包括緩存的創(chuàng)建、緩存的訪問(wèn)、緩存的更新、緩存時(shí)間的設(shè)定等功能；數(shù)據(jù)字典，封裝了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)字典的管理功能；數(shù)據(jù)同步，封裝了對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)同步對(duì)接的相關(guān)功能；權(quán)限管理，提供了基于角色的權(quán)限管理。

5.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能模塊。從系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊來(lái)劃分，主要包括智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用平臺(tái)、微信移動(dòng)端應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集與解析、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、AI模擬訓(xùn)練。

6 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)較為完整的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

6.1 系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

維護(hù)本平臺(tái)運(yùn)行的系統(tǒng)參數(shù)；對(duì)用戶、組織結(jié)構(gòu)和角色管理進(jìn)行統(tǒng)一管理。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的不同功能需要由不同的用戶或角色進(jìn)行操作，因此需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行授權(quán)，系統(tǒng)權(quán)限應(yīng)包含功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限2部分；功能權(quán)限是指系統(tǒng)用戶對(duì)功能可使用的權(quán)利，而數(shù)據(jù)權(quán)限是指不同的用戶只能使用被賦予權(quán)限的數(shù)據(jù)，不能查看其它用戶或其它部門(mén)的數(shù)據(jù)等。

授權(quán)管理要求：支持靈活、可配置的權(quán)限配置管理，包括按照崗位、組織機(jī)構(gòu)等分配權(quán)限；權(quán)限配置功能需有可視化界面并詳細(xì)闡述解決方案。

6.2 基礎(chǔ)管理子系統(tǒng)

本系統(tǒng)基地、田塊等不可固定在系統(tǒng)代碼中，通過(guò)基地管理系統(tǒng)維護(hù)，做到可擴(kuò)充和推廣?？稍黾有薷暮蛣h除基地、設(shè)備及所在位置的地理坐標(biāo)。

6.3 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集是本平臺(tái)的一個(gè)核心，參考本行業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)劃，并結(jié)合武威農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所的特點(diǎn)，構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)的行業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)形成相應(yīng)行業(yè)、單位的數(shù)據(jù)采集模板，實(shí)現(xiàn)采集的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為符合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)劃，可用于統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)表、分析表等。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換應(yīng)用數(shù)據(jù)，是原始數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、交換的整個(gè)數(shù)據(jù)生命周期。采集轉(zhuǎn)換結(jié)果為系統(tǒng)分析和統(tǒng)計(jì)方法提供數(shù)據(jù)支撐。

采集功能要求：數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，包括大氣土壤等數(shù)據(jù)平采、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)組裝處理、數(shù)據(jù)加工轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)度等；數(shù)據(jù)校驗(yàn)，全面覆蓋各類(lèi)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則且支持?jǐn)U展；在采集工具中固化采集規(guī)則，同一系統(tǒng)的二次采集可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)采集；基礎(chǔ)資料可維護(hù)。

本模塊設(shè)計(jì)規(guī)劃數(shù)據(jù)采集實(shí)施方案，完成數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)采集實(shí)施方案包括數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)流程；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)采集提交物。

6.4 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析主要包括采集數(shù)據(jù)分析、AI智能訓(xùn)練、作物生長(zhǎng)分析。

采集數(shù)據(jù)分析，分析土壤墑情、土壤營(yíng)養(yǎng)、大氣、水質(zhì)、生長(zhǎng)狀況數(shù)據(jù)分析；AI智能訓(xùn)練，制作AI模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)前期展示，通過(guò)大量數(shù)據(jù)錄入不斷訓(xùn)練和校正，最終達(dá)到自動(dòng)識(shí)別圖片并采集數(shù)據(jù)的效果；作物生長(zhǎng)分析，通過(guò)光譜分析采集衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤和大氣數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)，診斷作物營(yíng)養(yǎng)，將現(xiàn)有數(shù)據(jù)、采集的數(shù)據(jù)與模型結(jié)合，得出對(duì)生產(chǎn)種植有指導(dǎo)作用的結(jié)果并展示。

6.5 遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)展示

本模塊主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容，分別制作4個(gè)子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)：視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制、設(shè)備監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制、圖片/影像展示；數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)：各種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表；大數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)：用人力圖和大數(shù)據(jù)方式展示，內(nèi)容有農(nóng)作物分類(lèi)應(yīng)用、種植物種、面積、數(shù)量等，主要向高層領(lǐng)導(dǎo)展示匯報(bào)，為決策提供參考；微信移動(dòng)端子系統(tǒng)：以微信公眾號(hào)和小程序方式，向用戶展示推薦施肥的模型，在某時(shí)某地算出施肥方案，對(duì)農(nóng)戶種植有指導(dǎo)作用。

6.6 日志管理子系統(tǒng)

系統(tǒng)提供日志記錄，以便系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)方便管理員查看錯(cuò)誤發(fā)生的具體時(shí)間、原因等。日志管理包括日志查看、查詢、清空、導(dǎo)出等功能。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供在系統(tǒng)上查看設(shè)備的在線狀況，用戶可以及時(shí)了解各設(shè)備的運(yùn)作狀況。發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可以查看發(fā)生錯(cuò)誤的環(huán)節(jié)，方便定位排錯(cuò)。