商 量

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011）

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物耕種大國，而非農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化普及應(yīng)用強(qiáng)國[1]。農(nóng)作物大田、水果種植園、日光溫室、春秋大棚的高產(chǎn)量主要依賴于農(nóng)藥、無機(jī)化肥的大量使用和投入，土壤板結(jié)、環(huán)境污染情況時常發(fā)生[2]，水肥利用率低、無機(jī)物流入水體造成水資源污染，由此導(dǎo)致的農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染代價沉重。

1 智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展背景

現(xiàn)階段，我國北方地區(qū)多數(shù)果蔬生產(chǎn)主要依靠種植戶的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及精心管理，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺乏系統(tǒng)科學(xué)的可持續(xù)指導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化、效率化，應(yīng)優(yōu)化農(nóng)業(yè)設(shè)施的生態(tài)環(huán)境控制方式、環(huán)境監(jiān)控信息獲取渠道，這是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要途徑之一[3-5]。IOT 云平臺節(jié)點(diǎn)由大量精度高、功耗低的智能傳感器組成，可以實(shí)時監(jiān)測、感知、采集多種環(huán)境信息，并對采集的指標(biāo)進(jìn)行及時有效處理[6]。

2 智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展政策

國家先后出臺了《中共中央 國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025 年）》《“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)產(chǎn)品出村進(jìn)城工程試點(diǎn)工作方案》等支持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策。

地區(qū)政策支持力度也在加大。如長治市人民政府辦公室發(fā)布《長治市支持第一產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展補(bǔ)充政策》（長政辦發(fā)〔2022〕21 號），要求深入實(shí)施“特”“優(yōu)”戰(zhàn)略，夯實(shí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，推進(jìn)第一產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，確保實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)保供，在執(zhí)行《長治市支持第一產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展補(bǔ)貼政策》（長政辦發(fā)〔2021〕29 號）的基礎(chǔ)上，制定地方補(bǔ)充獎補(bǔ)政策：在設(shè)施農(nóng)業(yè)、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場、種子種苗繁育基地、糧油種植、撂荒地復(fù)耕復(fù)種等方面制定具體的補(bǔ)貼措施，例如新完成智能化改造且實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光照、肥水等自動化管控的日光溫室、覆被式全鋼架大棚和連棟大棚，每畝補(bǔ)貼1萬元。

3 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測架構(gòu)

3.1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測的功能

通過對農(nóng)業(yè)大田、蔬菜大棚主要環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測及監(jiān)控，巡線數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳查詢，監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能結(jié)果分析，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時了解閾值狀態(tài)并做出預(yù)測預(yù)警，為科學(xué)決策提供依據(jù)[7]。監(jiān)測的主要任務(wù)包括：

1）采用實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測大田的二氧化碳、光照、溫濕度的變化情況以及土壤含水率、土壤溫度、土壤肥力等情況；

2）采用監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、管理、曲線成圖、報警等；

3）農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理中心、云數(shù)據(jù)中心以及總站數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)共享。

3.2 IOT智慧農(nóng)業(yè)管理云平臺

根據(jù)多年來對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的摸索，山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系現(xiàn)代農(nóng)業(yè)制造團(tuán)隊自主研發(fā)設(shè)計了智能化農(nóng)業(yè)管理平臺。該平臺結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品生長需求，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，提供環(huán)境監(jiān)控、資源整合、數(shù)據(jù)集成化管理以及農(nóng)業(yè)營銷社交等服務(wù)，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)后效率，打造一個全方位、高集成度的智能農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺[8]。

3.3 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的交互；

2）根據(jù)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究的個性化需求，形成一系列發(fā)布數(shù)據(jù)的機(jī)制，將數(shù)據(jù)采集的相關(guān)程序設(shè)計完善，部署在平臺上周期運(yùn)轉(zhuǎn)；

3）數(shù)據(jù)的瀏覽，對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、展現(xiàn)、基礎(chǔ)統(tǒng)計分析等初步應(yīng)用；

4）實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析人員的交流；

5）建立起農(nóng)友圈，通過農(nóng)業(yè)信息的交流，推動涉農(nóng)行業(yè)的共同發(fā)展；

6）建立農(nóng)業(yè)互助平臺，開設(shè)農(nóng)業(yè)專家問答及農(nóng)業(yè)信息整合平臺，打破農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)的經(jīng)營經(jīng)驗(yàn)交流模式；

7）打造農(nóng)業(yè)電商平臺，增加農(nóng)業(yè)收入。云平臺管理服務(wù)流程如圖1 所示。

圖1 云平臺管理服務(wù)流程

3.4 本研究云平臺的知識產(chǎn)權(quán)備案

本研究獲得的知識產(chǎn)權(quán)有：智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)件自動化系統(tǒng)（2022SR1145942）、積木式智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（2020SR1147314）、智慧農(nóng)業(yè)IOT 應(yīng)用系統(tǒng)（2021SR1491816）、一種智慧農(nóng)業(yè)積木式采集系統(tǒng)（2021SR1491837）。

4 監(jiān)測系統(tǒng)云平臺應(yīng)用

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)云平臺界面

本監(jiān)測系統(tǒng)堅持經(jīng)濟(jì)實(shí)用、科學(xué)先進(jìn)的原則，根據(jù)規(guī)范要求，監(jiān)控內(nèi)容有：

1）智慧大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、大田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；

2）土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，蟲情、苗情監(jiān)測系統(tǒng)；

3）水肥一體系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)；

4）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)。

4.2 智慧大田環(huán)境監(jiān)測

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用高度集成的傳感器，芯片全量程標(biāo)定485 輸出，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系現(xiàn)代農(nóng)業(yè)制造團(tuán)隊自主研發(fā)數(shù)采系統(tǒng)，集顯示、上傳、控制功能于一體，可與市面上常見的傳感器連接。設(shè)備數(shù)據(jù)采用7 寸觸摸中控屏實(shí)時顯示，并可通過內(nèi)置5G 傳輸模塊上傳至農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。同時，監(jiān)測平臺可發(fā)出命令控制繼電器，實(shí)現(xiàn)大田澆灌、電機(jī)聯(lián)動、設(shè)備開啟和關(guān)閉等功能，為植物營造最佳的生長環(huán)境。

4.2.1 傳感器監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)計流程

傳感器監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)計流程為：運(yùn)用氣體質(zhì)量和監(jiān)測點(diǎn)建立監(jiān)測網(wǎng)→建立工作基點(diǎn)，安裝農(nóng)業(yè)主機(jī)設(shè)備→數(shù)據(jù)自動采集及傳輸→通過對數(shù)據(jù)的處理、對比，分析大田、大棚的環(huán)境情況→通過環(huán)境情況自動做出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)大田、大棚硬件設(shè)備的運(yùn)行和關(guān)閉→繪制數(shù)據(jù)分析曲線圖，提交資料。

4.2.2 設(shè)備安裝要求

設(shè)備安裝要求為：1）遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源；2）遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道；3）盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；4）遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾。

4.2.3 環(huán)境參數(shù)傳感器

通過與農(nóng)業(yè)主機(jī)相連，可做到將大田、大棚的空氣溫濕度、光照、二氧化碳、土壤溫濕度、土壤pH值、土壤EC值等數(shù)據(jù)，上傳至農(nóng)業(yè)主機(jī)，通過云平臺中控屏查看實(shí)時數(shù)據(jù)。同時，通過智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，可在Web 端或手機(jī)App、小程序查看數(shù)據(jù)。平臺連接農(nóng)業(yè)主機(jī)監(jiān)測數(shù)值如表1所示。

表1 平臺連接農(nóng)業(yè)主機(jī)監(jiān)測數(shù)值

4.2.4 設(shè)備特點(diǎn)

設(shè)備特點(diǎn)為：1）一體式設(shè)計，高度集成化，安裝工藝簡化，安裝方便；2）低功耗設(shè)計，極大延長續(xù)航時間；3）云服務(wù)功能，實(shí)時掌控接收機(jī)狀態(tài)以及外部供電狀態(tài)；4）遠(yuǎn)程控制功能，可以通過網(wǎng)頁云端實(shí)現(xiàn)控制。

4.3 土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測主要通過土壤墑情傳感器，搭配太陽能供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測?，F(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備自動采集土壤墑情實(shí)時數(shù)據(jù)，并利用5G 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；監(jiān)控中心自動接收、存儲各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中[9]。

4.4 蟲情、苗情監(jiān)測

4.4.1 監(jiān)測原理

通過對農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器布局，對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的播種、施肥、采摘等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，從而方便管理人員遠(yuǎn)程在線查看農(nóng)作物生長狀況，方便質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫部門、上級主管部門對生產(chǎn)過程的有效監(jiān)督和及時干預(yù)，方便信息技術(shù)管理人員對現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息和圖像信息的獲取、備份和分析處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)也為以后獲取生物信息提供了必要的基礎(chǔ)條件[10]。

4.4.2 監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)計流程

監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)計流程為：根據(jù)實(shí)地情況和監(jiān)測點(diǎn)建立監(jiān)測網(wǎng)→根據(jù)實(shí)地情況確定紅外蟲情測報燈和攝像頭整體安裝設(shè)計和布局→數(shù)據(jù)自動采集及傳輸→通過對抓拍數(shù)據(jù)的分析、比較，分析蟲子種類情況，并對蟲情做有效預(yù)測→通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)有效地分析和判斷農(nóng)作物長勢，判斷苗情→通過大數(shù)據(jù)平臺分析，減少人為干預(yù)。

4.4.3 設(shè)備安裝要求

設(shè)備安裝要求為：1）遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源；2）遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道；3）盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；4）遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾。

5 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對園區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)及苗情、蟲情數(shù)據(jù)等的可視化展示，可遠(yuǎn)程查看和管理采集數(shù)據(jù)。通過平臺設(shè)定環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)警值，系統(tǒng)自動預(yù)警，生成預(yù)警事件，通過手機(jī)短信及網(wǎng)頁報警提示管理人員及時進(jìn)行處理和控制。IOT 云平臺可將大田和大棚空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及環(huán)境預(yù)警事件信息以圖表、曲線的形式形成統(tǒng)計報表，管理人員據(jù)此做出科學(xué)合理的作物生長管理、分析與決策。