基于物联网的设施农业在线管控系统设计

杨洋 YANG Yang

（招商局重庆交通科研设计院有限公司信息中心，重庆 400067）

（Enterprise Information Center，China Merchants Chongqing Communications Research&Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400067，China）

0 引言

设施农业作为现代农业的重要组成部分，设施农业作为现代农业的重要组成部分，是近些年以来迅速发展起来的具有高集约化程度的新型农业生产技术。由于设施农业生产具有超时令和反季节生产的特点，因此，实施设施农业不仅能够有效的克服我国农业发展过程中资源环境瓶颈制约的问题，还能够有效的转变我国农业发展的方式以及增强农业的竞争力，从而有效的提高了我国土地的产出率、资源利用率和劳动生产率。

最初简单的塑料大棚和温室就是设施农业的环境，目前随着科技的发展正向着具有现代化大型温室和植物工厂发展。环境监测和控制是设施农业生产中应当重点解决的问题，这是因为在设施农业的生产过程中都是通过构建可控环境来保护农业生产的。传统的控制基础存在智能化程度不高的主要问题，而在提高设施农业自动化程度上，物联网技术为其提供了一种有效的手段[1]。

1 物联网的介绍

物联网作为一个信息系统，主要由感知层、网络层和应用层构成，其作为一个庞大的社会信息系统工程，更是一个涉及了国民经济各行各业、社会和生活各个领域无所不包括的庞大产业链。物联网的结构主要包括三部分：第一，感知层，通过智能卡、识别码、传感器等采集信息；第二，网络层，通过现有的通信网络、互联网以及广电网络用于传输信息；第三，应用层，通过分析处理和决策信息实现或完成特定的智能化应用和服务任务，从而实现物/物、人/物之间的识别与感知而充分发挥智能作用。

我国农业的发展急需要现代化的物质条件进行装备，用现代经营形式去推进，用现代发展理念去引领。因此，物联网的快速发展将会为我国农业发展与世界同步提供一个国际领先的全新平台，这也将极大的推动传统产业的改造升级[2-3]。

2 物联网设施农业在线管控系统

中国具有地域辽阔、自然灾害频发以及气候条件复杂多变的特点，中国作为一个农业大国要想解决三农问题，物联网技术为其提供了一个很好的发展基于。从目前中国现代农业发展的实际需求来看，如何对农业现场和养殖业以及相应病虫害的各种信息进行实时采集和处理是当前急需解决的问题。物联网在现代农业领域包括监视农作物灌溉情况、土壤气候变更以及大面积的地表检测、温度、降雨量、土壤pH值、畜禽环境状况以及大气等。根据这些检测信息进行科学的预测，除了能够有效帮助农业减灾抗灾外，还能通过帮助农民进行科学种植以有效提高农业的综合效益[4-5]。基于物联网的设施农业在线管控系统是利用农业设施设备结合物联网先进技术实现农业生产管理、农产品质量安全监控的系统，通过此系统实现农业现代化。系统功能具体包括：农作物以及环境信息采集、农业设施设备远程控制、语音/视频现场作业监控与指导、专家远程诊断、一键预警、实时告警、农产品质量安全控制、移动终端监控等。

2.1 体系架构 物联网设施农业在线管控系统体系结构，如图1所示。

感知层主要用于获取各种传感器数据，它是物联网设施农业在线管控系统的基础，但是其核心确实数据感知。感知层的各个节点作为只能传感器节点，能够自行组网传递到上层网关的接入点，然后通过网络层，网关将收集的感应数据提交到应用层进行处理。感知层主要通过部署在农场的各种传感器实时监测农业设施中的地表湿温度、土壤温度湿度、光线强度等，另外，通过农业设施控制器还可以对风机、遮阳布、水帘以及灌溉设备等进行控制。

图1 物联网设施农业管控系统体系结构

网络层建立在移动网络和互联网之上，主要传输设施农业的在线管控系统，主要包括信息存储查询和网络管理等功能。通过互联网和无线网络，网络层将接收到的感知层数据传输到对应的数据处理中心，交到应用层进行对应的处理。应用层作为设施农业在线管控系统的上层系统，主要用于存储、查询、分析、挖掘、理解传感器数据。在应用层中，最主要的一项技术就是云计算技术。

2.2 系统功能 设施农业在线管控系统主要功能模块如图2所示。

图2 系统功能模块

2.2.1 农业生产信息采集 在农场、大棚中布置若干传感器，用于实时采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳、光照、土壤 PH 值、土壤 N（氮）、P（磷）、K（钾）含量、风力等参数。

2.2.2 农业设施设备远程控制 通过无线控制器对设施设备远程控制，包括制风机、天窗、遮阳布、外遮阳、水帘、灌溉设施等，真正实现无人智能化作业。

2.2.3 语音/视频现场作业监控与指导 通过农场或者大棚内的无线音视频传感器，对现场信息实时的监控与作业指导。

2.2.4 专家远程诊断 对大棚或者露天农场的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、风力、土壤PH值等参数进行采集，并叠加到视频图像上，进行上传。农业专家可通过视频图像判断农作物生长情况、检查是否有病虫害、大棚的温度湿度是否合适，并可以检测土壤的PH值等信息，为现场工作人员提供相应的指导。

2.2.5 一键预警 针对极端气候，实现一键预警，即通过控制中心的一个按键，实现对风机、天窗、遮阳布、外遮阳、水帘、灌溉设施等设施的全面控制。

2.2.6 实时告警与区域定位 通过设定温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境参数的阈值，当系统监控到农场或者大棚中的相关环境参数超过预设的数值时，系统自动向监控中心以及用户手机发送告警信号，监控人员并可以迅速定位到告警区域。

2.2.7 农产品质量安全控制 为了保证向消费者提供的农产品安全可靠且质量高，应当将企业的农产品安全提升到一个新的高度，这就需要对农产品安全进行全程监控管理。具体为：为了实现物流运输的安全管理，可采用最新的激光、红外以及识别、定位和传感器等高新技术；在对农产品的质量和安全进行管理时，将农业企业档案数据作为基础，围绕“生产、库存、销售”三条主线，对农产品的生产环境、生产活动和销售状况实施电子化管理；结合目前先进的条码技术对农产品流通进行编码，从而建立农产品生产全过程的追溯管理，从而让消费者充分了解农产品的种源情况、生产基地环境质量、用料用药情况以及加工销售等各个环节。

2.2.8 移动终端监控 系统支持基于Web的PC或者手机管理监控。

3 系统实现

3.1 软件平台 基于面向对象的模块化设计思想、多线程以及基于云计算的分布式处理技术等是“基于物联网的设施农业在线管控系统”软件架构的基本设计理念，如图3所示。

数据过滤模块和数据接受模块处于最低层。根据实现设置的过了配置采集用户关系的原始数据是数据过滤模块的功能，除了缓解服务器压力外，还便于用户分析数据。数据接受模块的功能主要是用于接受感知各传感器层获得的各种传感数据。数据处理模块将系统采集到的数据计算处理后，并按照一定的存储格式将数据存储到关系数据库。最顶层是设施农业系统的管控应用，即应用层。通过部署在农场的各种传感器对农业设施中的空气温度湿度、光线强度以及土壤的有效成分等进行实时监测，同时将关系化后的检测数据通过网络上传到应用服务平台，应用服务平台的计算服务器对监控数据进行实时分析，不仅为设施农业管控应用服务提供依据，更是设施农业管控应用的基础。采用C/C++编程语言开发数据采集、数据过滤以及数据处理模块，采用Java程序语言开发Web服务器程序。

图3 软件平台

3.2 网络架构 设施农业在线管控系统网络架构是基于物联网建立的，其中包括四部分，即农业设施部分、网络部分、应用中心部分和客户终端，如图4所示。每个农业设施可以根据需要部署各种不同累的传感器，每个传感器都带有Zigbee无线通讯模块,设施内的传感器节点采用自组网方式来构建农业设施内部网。在每个农业设施设置一个控制中心，控制中心将汇总的各种传感器数据通过Zigbee技术上传到应用服务中心。基于云计算构建的应用服务中心，每个农业设施都可以通过GPRS、互联网技术连接到统一应用的服务中心。此中心通过采集、存储、分析以及运算传感器的数据，并依靠中心平台构建各种类型的应用服务分析处理数据，同时给出相应的操作建议。

图4 物联网设施农业在线管控系统网络架构

通过互联网以及3G等网络，设施农业的管理人员和操作人员通过使用计算机终端或手机远程从云计算应用中心获取各种数据和应用服务，同时对各种智能控制系统远程控制和调整设施。为了提高农业的产量和质量，必须确保农作物具有一个良好的生长环境，因此，根据参数的变化就可以调整和控制灌溉系统以及保温系统等基础设施。

4 结束语

本文在分析物联网在设施农业中的应用时，从感知层、网络层和应用层三方面进行，并提出了利用物联网设施农业在线管控系统，实现农业生产信息采集、农业设施设备远程控制、语音/视频现场作业监控与指导、专家远程诊断、一键预警、实时告警与区域定位、农产品质量安全控制、移动终端监控，实现农业信息采集自动部署、自组织传输和智能控制；为了降低设备成本，提高农业集约化生产程度的同时还应当简化系统的复杂性；传统农业逐渐向信息和软件为中心的生产模式过渡，为我国农业从粗放型向精细化过渡有着重要的促进作用。物联网技术对于农业应用来说任重道远，是挑战，更是机遇，物联网科技的发展必将深刻影响现代农业的未来。

[1]管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术，2010,6(3):24-27.

[2]孙忠富,杜克明,尹首一.物联网发展趋势与农业应用展望[J].农业网络信息，2010(5):5-8.

[3]张凌云.物联网技术在农业中的应用[J].广东农业科学，2011(16):146-149.

[4]周小波.基于物联网技术的设施农业在线测控系统设计[J].太原科技大学学报，2011,32(3):182-185.

[5]何成平.基于无线传感网络的设施农业智能监控系统[J].常州轻工职业学院学报，2009,2(4):22-26.

[6]陈勇，曹玉保，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程，2012,20（22）:104-106.

[7]李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程，2012,2(1):1-6.

[8]左梁.信息化与农业现代化融合的重要切入点农业物联网[A].第十五届中国科协年会第10分会场：信息化与农业现代化研讨会论文集[C].2013-05-25.