王明義
(云南省曲靖市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,云南 曲靖 655000)
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為國家的第一產(chǎn)業(yè),基于各種現(xiàn)代化信息技術(shù)的影響下,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)生巨大變化,智能農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。智能農(nóng)業(yè)主要是通過新興科學(xué)技術(shù)來對農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行溫度、濕度及光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測,由此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用發(fā)揮著重要意義[1]。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將物與物聯(lián)系在一起形成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息處理后再傳遞通信。推動農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控平臺普及化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、云端化是國內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要任務(wù)之一[2]。
我國自古以來都是一個農(nóng)業(yè)大國,人多地少,主要經(jīng)濟(jì)形式是自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟(jì),男耕女織是長期以來形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。如何提高單位面積耕地的利用效率和產(chǎn)量是中國農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題。與此同時,伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,資源短缺,土壤退化,環(huán)境退化等一系列問題逐漸出現(xiàn)。對于我國的農(nóng)業(yè)而言,由于生產(chǎn)技術(shù)落后,基礎(chǔ)設(shè)施落后以及長期以來科技含量低,在近幾十年的生產(chǎn)過程中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和管理水平尚未得到全面提高。
我國政府部門高度重視現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,先后出臺多個政策文件,全力支持智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展?!吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》明確提出要健全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新推廣體系,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)的融合,實(shí)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程,推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,提高農(nóng)業(yè)智能化和精準(zhǔn)化水平。2016 年10 月,國務(wù)院印發(fā)《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃(2016—2020 年)》(以下簡稱《規(guī)劃》),對“十三五”期間全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基本目標(biāo)、主要任務(wù)、政策措施等作出了全面的部署安排。《規(guī)劃》中提出了“智慧農(nóng)業(yè)引領(lǐng)工程”,推進(jìn)信息化與農(nóng)業(yè)的深度融合,加快實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)行動,加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)、智能裝備的推廣應(yīng)用,推進(jìn)信息進(jìn)村入戶,力爭到2020 年農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)應(yīng)用比例達(dá)到17%[3]。物聯(lián)網(wǎng)是全球信息社會的基礎(chǔ)設(shè)施,在信息通信技術(shù)的基礎(chǔ)上提供先進(jìn)的技術(shù)服務(wù),是信息產(chǎn)業(yè)革命第三次浪潮和第四次工業(yè)革命的核心支撐,正在深刻改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)形態(tài)和社會生活方式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,推動了智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。農(nóng)業(yè)大棚利用人工建造的設(shè)施,使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步擺脫自然的束縛,打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)季節(jié)性的限制,實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品反季節(jié)上市。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境因素對于農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量有十分重要的影響,為了及時掌握農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境信息,可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),并對收集的環(huán)境信息進(jìn)行科學(xué)的分析與預(yù)測,制定針對性的措施,以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長的智能化管理[4-5]。
目前,智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)形成規(guī)模,在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力等方面已經(jīng)初見成效。溫室大棚作為一個相對可以調(diào)節(jié)的人工環(huán)境,多用于蔬菜、花卉、林木等作物的栽培和育苗。溫室內(nèi)的環(huán)境對于農(nóng)作物的生長有十分重要的影響,若采用人工勞作的方式對溫室大棚進(jìn)行管理,管理者無法準(zhǔn)確獲取溫室內(nèi)的環(huán)境信息,可能會因沒有及時調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境,而造成無法挽救的損失[6]。
農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用覆蓋范圍廣、安全性高、低功耗的NB-IoT 無線通信技術(shù)和解析速度快、報(bào)文頭小、機(jī)制簡單的CoAP 輕量級物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控[7]。首先搭建采集終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸;然后搭建CoAP 服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)采集終端與CoAP 服務(wù)器之間通信;最后開發(fā)環(huán)境監(jiān)控平臺和微信小程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)查看、設(shè)備管理等功能。綜合分析,農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的功能有:①數(shù)據(jù)信息采集:溫室內(nèi)的農(nóng)作物對溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息較為敏感,采集終端需要配備溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境信息的采集。②數(shù)據(jù)展示:為了方便對溫室大棚的管理,設(shè)計(jì)PC 端平臺與微信小程序手機(jī)端,通過調(diào)用服務(wù)端接口,實(shí)現(xiàn)在不同端對溫室大棚環(huán)境信息的顯示。③遠(yuǎn)程配置:可以根據(jù)農(nóng)作物對環(huán)境因子的敏感程度,設(shè)置不同的采集周期,實(shí)現(xiàn)對采集終端的遠(yuǎn)程管理。④數(shù)據(jù)預(yù)測:將收集的環(huán)境信息,通過環(huán)境預(yù)測模型進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)預(yù)測。
農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)由嵌入式采集終端、CoAP 服務(wù)器、環(huán)境監(jiān)控平臺和微信小程序等部分組成,采用了傳感器技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能等技術(shù),形成了一套較為完善的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采集終端采用STM32 芯片作為主控制器,通過溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器對溫室內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行采集,此外,采集終端配備NB-IoT 無線通信模塊,將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT 無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至CoAP 服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解析、處理以及存儲。環(huán)境管理平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程配置、數(shù)據(jù)的分析與顯示。微信小程序?qū)崿F(xiàn)在移動端對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息的查看與管理。
3.2.1 總體結(jié)構(gòu)
采集終端是農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施,穩(wěn)定的硬件平臺為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了重要的保障[8]。采集終端根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)際需求,對外圍設(shè)備進(jìn)行選型分析并對硬件模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采集終端總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。
圖2 采集終端總體結(jié)構(gòu)
由圖2 可知,采集終端主要由主控制模塊、傳感器模塊、電源模塊、NB-IoT 模組組成。主控制器是采集終端的核心部分,負(fù)責(zé)對各種外圍設(shè)備進(jìn)行調(diào)度與控制,以實(shí)現(xiàn)采集終端的正常工作;傳感器模塊由溫濕度傳感器與光照傳感器組成,負(fù)責(zé)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度和空氣中的溫濕度,并將數(shù)據(jù)信息傳輸至主控制器;NB-IoT 通信模組負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的交互,主控制器通過AT 指令將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至CoAP 服務(wù)器,并接收CoAP 服務(wù)器下發(fā)的指令,以實(shí)現(xiàn)采集終端與CoAP 服務(wù)器之間的通信;SIM 卡為NB-IoT 通信模組的入網(wǎng)提供重要的保證;電機(jī)作為采集終端的控制設(shè)備,能夠調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境,確保農(nóng)作物生長在適宜的環(huán)境下;電源模塊負(fù)責(zé)為傳感器、主控器以及NB-IoT 通信模組等器件提供持續(xù)的工作電壓,確保采集終端穩(wěn)定有效的運(yùn)行。
3.2.2 軟件功能設(shè)計(jì)
采集終端的總體工作流程如圖3 所示。設(shè)備上電后,對系統(tǒng)時鐘、串口、NB-IoT 通信模組等模塊進(jìn)行初始化工作,初始化完成后對農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采集完成后先與采集終端設(shè)定的環(huán)境閾值進(jìn)行對比,若超出閾值范圍采集終端利用電機(jī)自動進(jìn)行環(huán)境調(diào)控,然后等到存儲周期到達(dá)時將數(shù)據(jù)存儲至FLASH 中;當(dāng)?shù)竭_(dá)上報(bào)周期時進(jìn)行NB-IoT 通信模塊的入網(wǎng)流程;終端入網(wǎng)后與服務(wù)器進(jìn)行連接,讀取并上傳FLASH 中存儲的數(shù)據(jù),若服務(wù)器中有向采集終端下發(fā)的配置信息時,需要將配置信息下發(fā)并更改設(shè)備參數(shù),等到下次設(shè)備激活時應(yīng)用新的配置參數(shù);配置完成后,刪除FLASH 中已上報(bào)的數(shù)據(jù);然后對MCU以外耗電的元件進(jìn)行斷電,MCU 進(jìn)入睡眠狀態(tài),等待下一次喚醒。
圖3 采集終端的總體工作流程
3.3.1 總體結(jié)構(gòu)
環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、存儲與顯示,并繪制環(huán)境數(shù)據(jù)的變化曲線。為了方便用戶訪問環(huán)境監(jiān)控平臺,采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
CoAP 服務(wù)器為數(shù)據(jù)接收模塊,負(fù)責(zé)接收從采集終端發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù),并將其進(jìn)行解析處理,然后將環(huán)境數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)存儲采集的環(huán)境數(shù)據(jù)以及環(huán)境監(jiān)控平臺所需的數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)控平臺為用戶交互模塊,負(fù)責(zé)處理采集的數(shù)據(jù),并將歷史數(shù)據(jù)以曲線的形式進(jìn)行展示。
3.3.2 功能模塊
環(huán)境監(jiān)控平臺包含4 大功能模塊,分別為用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、設(shè)備管理模塊和環(huán)境預(yù)測模塊[9]。
圖5 環(huán)境監(jiān)控平臺功能模塊
(1)用戶登錄:通過對現(xiàn)有的主流認(rèn)證鑒權(quán)方案進(jìn)行調(diào)研,并結(jié)合服務(wù)端的實(shí)際需求,用戶登錄模塊采用JWT 來實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控平臺服務(wù)端的認(rèn)證與鑒權(quán),用戶在環(huán)境監(jiān)控平臺登錄界面進(jìn)行登錄,將輸入的用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證,若用戶名不存在則結(jié)束,用戶名存在對用戶名和密碼進(jìn)行加密,使用JwtUtil 生成Token信息,此后訪問其他頁面時均需要攜帶Token 信息進(jìn)行驗(yàn)證。
(2)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì):數(shù)據(jù)庫為環(huán)境監(jiān)控平臺提供所需的數(shù)據(jù)資源。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中需要預(yù)留部分字段,以便應(yīng)用程序后期的擴(kuò)展。在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)時,需要考慮服務(wù)器整體的業(yè)務(wù)處理流程和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,還應(yīng)該設(shè)計(jì)合理數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu),主要包括用戶數(shù)據(jù)表、設(shè)備表、數(shù)據(jù)表、設(shè)備配置表等表信息。
(3)設(shè)備管理:設(shè)備管理模塊功能主要包括設(shè)備的添加、查看、修改和刪除。通過該模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速擴(kuò)展,將采集終端注冊在到環(huán)境監(jiān)控平臺中,實(shí)現(xiàn)與CoAP 服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備管理模塊通過環(huán)境監(jiān)控平臺對設(shè)備進(jìn)行注冊,并將設(shè)備信息存入數(shù)據(jù)庫中。
(4)環(huán)境預(yù)測:農(nóng)業(yè)環(huán)境預(yù)測模型整體框圖如圖6 所示,首先對原始農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值填補(bǔ),然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理并構(gòu)造合理的數(shù)據(jù)集,將數(shù)據(jù)集分為測試集與訓(xùn)練集兩部分;將生態(tài)農(nóng)業(yè)的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,對算法模型進(jìn)行訓(xùn)練,使用優(yōu)化模型的方法進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整;最后將生態(tài)農(nóng)業(yè)的測試集數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中得出預(yù)測結(jié)果,并利用各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對預(yù)測方法進(jìn)行性能評價。
圖6 農(nóng)業(yè)環(huán)境預(yù)測模型整體
目前,手機(jī)操作系統(tǒng)主要分為iOS 和Android 兩大操作系統(tǒng),為了讓不同操作系統(tǒng)的用戶使用原生的應(yīng)用程序需要開發(fā)兩個版本,大大延長了開發(fā)的周期。微信小程序運(yùn)行在微信平臺之上,不受手機(jī)操作系統(tǒng)的影響,可以輕松調(diào)用微信原組件,快速完成小程序的開發(fā)。由于微信小程序具有開發(fā)成本低、開發(fā)環(huán)境配置簡單、操作界面簡潔方便、無須下載安裝便能直接使用等優(yōu)勢。因此,環(huán)境監(jiān)控平臺移動端采用微信小程序進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控[10]。
綜上所述,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要支撐,也為農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控提供了一個嶄新的思路,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚內(nèi),打造智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),可及時掌握農(nóng)作物的生長狀態(tài)、按需施肥、澆水、補(bǔ)充光照、通風(fēng)、供暖等功能,做到了精準(zhǔn)施控,精準(zhǔn)調(diào)節(jié),以保證農(nóng)作物始終處于最適宜的生長環(huán)境中,對于提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量、增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要的意義。