摘 要：在山區(qū)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要根據(jù)相應(yīng)的地理環(huán)境制定相應(yīng)的方案。不同高差的土地，對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)有相應(yīng)的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集土壤的濕度、不同高度下空氣的溫度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)中心的運(yùn)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)，并指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。文中借助物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)運(yùn)算，構(gòu)建梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境管理策略，可以為較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)提供一定的實(shí)踐借鑒。

關(guān)鍵詞：梯田；山地環(huán)境監(jiān)測(cè)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；大數(shù)據(jù)分析；農(nóng)業(yè)環(huán)境采集；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

陽(yáng)泉市的地形為山地丘陵模式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為分散。在農(nóng)作物種植中，村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期依靠種植經(jīng)驗(yàn)獲取農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)管理策略。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的深入，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)逐步被應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中[1]。農(nóng)業(yè)種植類的物聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于山地農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)獲取、野外數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、地形和水文數(shù)據(jù)的獲取及處理。本文對(duì)陽(yáng)泉市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討，根據(jù)陽(yáng)泉市的地形、水文、植物特點(diǎn)等因素，提出了科學(xué)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

在陽(yáng)泉市的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境有一定的條件要求。陽(yáng)泉市地處太行山脈，在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中，土壤的含水程度、土壤的化學(xué)性質(zhì)、農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度和光照等條件對(duì)作物的生長(zhǎng)和收獲都有著重要的影響。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)各類生產(chǎn)要素的監(jiān)控越來(lái)越精細(xì)化和智慧化[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，使得人們可以在高效采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，制定相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)策略，從而得到高效穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[3]。

在陽(yáng)泉市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，以目前流行的各類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器為技術(shù)支撐，加強(qiáng)對(duì)陽(yáng)泉市山地類型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的采集和感知判斷能力；將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)泉市梯田的小規(guī)模自動(dòng)化種植。

2 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的架構(gòu)

在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)則將相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)劃分為山地農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)感知層、遠(yuǎn)程設(shè)備接入層、物聯(lián)網(wǎng)通信層、數(shù)據(jù)處理層和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用層[4]。

數(shù)據(jù)感知層用于對(duì)陽(yáng)泉市山地農(nóng)業(yè)特有地形進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。其中包含梯田類土壤墑情感知器、氣壓氣象測(cè)定儀、土壤保水度傳感器和梯田溫度變化傳感器。這些傳感器能夠自動(dòng)采集梯田類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，并自動(dòng)上傳至相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理器。

在山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在多種類型的傳感器，這些傳感器類型不同，所以這些傳感器之間的連通性問(wèn)題是接入層需要解決的首要問(wèn)題。在接入層需要實(shí)現(xiàn)這些傳感器數(shù)據(jù)互訪問(wèn)。在此采用可以兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)、RS 485、RS 232等的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣能夠滿足陽(yáng)泉市梯田的傳感器數(shù)據(jù)傳輸需求[5]。

在山地類型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建較為困難。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，在陽(yáng)泉市的梯田物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中采用了GPRS和5G 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以保證數(shù)據(jù)規(guī)模較大時(shí)能夠及時(shí)快速地傳輸。

在陽(yáng)泉市的梯田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)層的功能包括梯田環(huán)境類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和山地采集數(shù)據(jù)預(yù)處理。在陽(yáng)泉市的梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳感器分布的立體性非常強(qiáng)，農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的空間位置信息較多，在此處由數(shù)據(jù)層對(duì)梯田類環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。在梯田類物聯(lián)網(wǎng)中，需要將采集到的山地梯田類數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差剔除和缺失數(shù)值補(bǔ)充，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用做準(zhǔn)備[6]。

在數(shù)據(jù)采集與處理之后，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層對(duì)采集的梯田類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與生產(chǎn)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)的挖掘與分析建立陽(yáng)泉市梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此對(duì)陽(yáng)泉市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出決策。

3 陽(yáng)泉市梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

3.1 梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體框架

在陽(yáng)泉市構(gòu)建的梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由梯田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能水肥灌溉系統(tǒng)、山地?cái)?shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、信息融合處理系統(tǒng)構(gòu)成。在陽(yáng)泉市梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，針對(duì)梯田環(huán)境溫度、坡面濕度、一天中CO2的濃度變化、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一采集并傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)集成控制平臺(tái)。在梯田類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)施構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，獲取不同高度層次的農(nóng)作物生長(zhǎng)圖像信息，對(duì)這些農(nóng)作物生長(zhǎng)圖像信息進(jìn)行深度學(xué)習(xí)算法的信息融合分析。對(duì)陽(yáng)泉市的特有農(nóng)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)信息進(jìn)行分析，借助物聯(lián)網(wǎng)中的信息融合技術(shù)，對(duì)梯田生產(chǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)、作物長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)信息進(jìn)行相應(yīng)的信息融合，制定相應(yīng)的梯田類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)控策略[7]。

在梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)層，建立梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)模塊和梯田大數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)模塊。通過(guò)陽(yáng)泉市梯田類的數(shù)據(jù)采集傳感器獲取相關(guān)的農(nóng)業(yè)原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建陽(yáng)泉市梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用HDFS分布式存儲(chǔ)，預(yù)處理數(shù)據(jù)以支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在數(shù)據(jù)匯總中根據(jù)梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。在梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層中，引入Apache Spark大數(shù)據(jù)引擎處理采集的綜合農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)。在對(duì)梯田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的分析過(guò)程中，采用聚類算法和迭代計(jì)算建立山地農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析與計(jì)算的模型。利用這些處理后的數(shù)據(jù)提升陽(yáng)泉市梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。

在梯田物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交互功能設(shè)計(jì)時(shí)，主要涉及采集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和采集的梯田數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。通過(guò)交互層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與挖掘的可視化，提高非專業(yè)計(jì)算機(jī)操作人員對(duì)數(shù)據(jù)的理解度[8]。

3.2 梯田類物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.2.1 梯田監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

在陽(yáng)泉市梯田類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)主要包括梯田高差環(huán)境感知、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、梯田生產(chǎn)環(huán)境控制、梯田生產(chǎn)綜合管理平臺(tái)、用戶管理平臺(tái)。梯田高差環(huán)境感知模塊主要由梯田類環(huán)境檢測(cè)傳感器組成，主要檢測(cè)不同的梯田高程溫度變化、水汽蒸發(fā)強(qiáng)度、不同高度處的CO2濃度、整個(gè)梯田的迎光面光照強(qiáng)度及光照差[9]。除上述基本功能外，還對(duì)各種異常數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行報(bào)警，包括梯田內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況、光纖或無(wú)線信號(hào)傳輸故障、梯田數(shù)據(jù)模型決策類異常等。在環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括梯田的傳感器閾值獲取、山區(qū)信息推送、實(shí)時(shí)的農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控、報(bào)警指標(biāo)的限定。

3.2.2 梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

根據(jù)陽(yáng)泉市梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，按照選擇的傳感器和通信類型，在構(gòu)建山區(qū)梯田類型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，需要解決農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、客戶訪問(wèn)的快速響應(yīng)等問(wèn)題。在梯田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，將HDFS作為梯田類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組件，在梯田類物聯(lián)網(wǎng)中采用流式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問(wèn)類型，使得采集到的梯田環(huán)境信息可以分塊分類別在不同的機(jī)器上進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。

采集的梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)初始值為原始數(shù)據(jù)，通常缺乏整體性和規(guī)律性，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策無(wú)法形成有效支撐，因此需要借助高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)行聚類算法和決策樹(shù)算法處理梯田農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)陽(yáng)泉市的算力應(yīng)用分布，把大數(shù)據(jù)計(jì)算放置在相關(guān)的學(xué)院大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行。通過(guò)對(duì)梯田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷年數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測(cè)農(nóng)作物在一年中的生長(zhǎng)情況。在梯田的灌溉中，可以采用隨機(jī)的C4-5算法進(jìn)行農(nóng)作物澆灌模型構(gòu)建。在梯田的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可以收集相關(guān)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，構(gòu)建水肥一體的灌溉數(shù)據(jù)庫(kù)，并最終形成梯田灌溉數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而對(duì)陽(yáng)泉市的梯田灌溉進(jìn)行分析與指導(dǎo)。

3.3 系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

在梯田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，硬件資源主要包括各類型農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器、高性能計(jì)算機(jī)以及綜合控制系統(tǒng)。在梯田物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的傳感器見(jiàn)表1所列。

對(duì)于梯田類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析操作，與相關(guān)的高校進(jìn)行合作，在大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將分析的結(jié)論通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至系統(tǒng)的控制中心，然后對(duì)整個(gè)梯田的生產(chǎn)做出調(diào)整。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，按照梯田類物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求，將功能逐層分解設(shè)計(jì)，按照梯田物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括HDFS分布式存儲(chǔ)計(jì)算模塊、大數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸模塊、大數(shù)據(jù)中心的算法實(shí)現(xiàn)模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊、梯田農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理與查詢模塊[10]。

針對(duì)陽(yáng)泉梯田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，分布在梯田中的各類傳感器通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)服務(wù)器的處理，最后將梯田的各類環(huán)境數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。在梯田的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)主要是植物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度、空氣的濕度、土壤的pH值、日均光照等數(shù)值型數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

在測(cè)試中，主要的種植對(duì)象為水果玉米和紅薯，在梯田搭設(shè)混合生產(chǎn)大棚，設(shè)置相應(yīng)的傳感器，采集大棚中的CO2濃度、濕度、作物生長(zhǎng)的根系溫度、土壤的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)等。通過(guò)Java 語(yǔ)言編寫相應(yīng)的處理程序，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，應(yīng)用Hadoop進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和相應(yīng)規(guī)劃調(diào)控的執(zhí)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)構(gòu)建梯田類型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以為較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)提供一定的技術(shù)支撐。在梯田類的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，對(duì)不同高度和濕度的環(huán)境有不同的種植策略。系統(tǒng)可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)針對(duì)不同的環(huán)境進(jìn)行種植策略推薦。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以被逐步推廣應(yīng)用在其他領(lǐng)域。

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[10]鄒文虎.基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 [J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022，26（35）：116-122.