面向华南区域的农业环境和设施智能监控系统

郭佩佩，黄家怿，2，谢秋波，2

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广州 510063）

面向华南区域的农业环境和设施智能监控系统

郭佩佩1，黄家怿1，2，谢秋波1，2

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广州 510063）

针对我国设施园艺环境远程监测、诊断和调控技术的自动化、智能化水平低，人为干预明显等问题，开发融传感器监测、视频图片采集、环境调控及设备诊断为一体的华南区域农业环境和设施智能监控系统。该系统包括温室环境信息及视频图像的获取、存储、分析处理；温室环境和现场设备参数查询；本地及远程监控；设备故障诊断、报警等功能，并整合了生产管理、销售管理、采购管理、员工管理、库存管理、配套设施设备管理、技术数据库和栽培专家库，有助于提高栽培生产效率，降低管理成本，提升我国农业物联网调控技术水平，实现设施农业生产的高产、高质、高效。

设施园艺 农业环境 智能监控 物联网

0 引言

设施园艺是农业生产的重要方面，与人民生活水平和质量关系密切，也是实现农业现代化的重要途径[1]。其核心是人为调节和控制动植物生长环境因素，使其摆脱气候、土地等条件的制约，创造适宜的生长环境，提高动植物生长效率，形成可控条件下集约化、标准化、高效化生产[2-3]。荷兰、以色列、日本、美国、等国是设施农业十分发达的国家，其在设施设备标准化、种苗技术及规范化栽培技术、设施环境综合调控及农业机械化技术水平等都具有较高的水平，居世界领先地位[4-5]。目前，日本、以色列、美国等国家建造了一些世界上最为先进的全封闭生产体系，可对在密闭环境中的光照、温度、水、气、肥等因素进行智能控制，并通过互联网和视频技术进行温室远程控制与管理诊断、实时环境监测，采用机器人或机械手进行播种、移栽的“植物工厂”[6-7]。美国是最早开始研究农业专家系统的国家。到了20世纪80年代中期，农业专家系统有了较大发展，应用领域从单一的病虫害诊断转向作物栽培、施肥、杂草控制、森林环保、生产管理、农业经济效益分析决策等应用，尤以美国、日本和欧洲国家最为突出[8-10]。

而我国的设施园艺栽培总面积处于世界第一，但设施环境远程监测、诊断和调控技术自动化、智能化水平低，人为干预明显，严重阻碍了设施农业的高效发展。突出问题表现在：①远程诊断系统缺乏完整、可靠、实时更新的农业生产环境和生态信息的支撑；②对复杂环境和生态数据的综合处理和快速分析能力不强；③作物种植和农机设备操作过程模拟技术不成熟；④专家系统的功能不够全面，灵活性和个性化有待进一步提高。

针对上述问题，本文采用基于Web的自组网技术、中间件技术、接口技术和自动化工控技术等，突破构建设施农业智能调控系统关键技术，消除温室物联网智能调控的瓶颈，促进现代信息技术、计算机科学技术与农业种植设施相互融合发展，提升我国设施农业物联网调控技术水平。

1 系统设计

图1 系统外部环境拓扑图

1.1 网络拓扑设计

构建系统外部运行环境（如图1所示），一方面利用信息融合技术、组态技术、动态域名技术和图像压缩技术，实现多通道、不同类别的农业生产现场环境信息和生态信息的实时在线获取、综合分析和远程传输，为温室环境调控提供依据；另一方面，采用工控技术实现对施肥系统、喷淋系统、调温系统、调湿系统、内外遮阳及补光系统等设备的自动化控制，当环境信息达到预先制定的条件时，自动启动温室内的相关设备，达到节水，省电，省人工，更省心。

1.2 系统架构设计

系统采用Java技术，通过软件手段解决分布式应用集成，通过信息控制完成跨过程、跨系统的信息交互与共享，符合SOA架构，支持JMS、SOAP、WSDL、XML等规范。平台的设计遵循整体规划、紧贴实际、适度超前、创新发展的基本原则，由基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层和表现层五个结构层面组成。各层面功能如图2所示。

图2 系统架构设计图

2 关键技术

2.1 构件库

构件库是保证平台应用系统具备可扩展性的主要手段。通过构件化的SOA将一个大的应用系统分解为成千上百个小的业务流程，每个业务流程可以用构件组合而成。当业务需求发生变化时，通过构件的重新组成，方便、快速地改变业务流程或实现新的业务需求，从而实现支撑服务平台的可扩展性和可配置性。

2.2 系统差异化控制

如何满足不同客户的差异化和个性化，是系统可持续应用所需解决的关键问题。通过元数据服务，实现系统差异化控制，可从元数据和语义层两个层次为用户提供个性化定制和配置应用。通过元数据，用户可以对数据库模型进行修改、扩展，甚至重新定义数据表结构、视图、字段、类型；通过语义层客户可以重新配置用户界面，可以自定义报表格式和内容。通过元数据服务，用户可在用户界面、工作流程和商务规则、数据模型扩展和存取控制等四大领域进行配置更改。

2.3 融合组态技术

利用信息融合技术、压缩技术、组态技术、工控技术，实现农业生产现场环境信息和生态信息的实时在线获取、综合分析和远程传输，以直观的图表、曲线、点阵等方式显示给用户，可根据作物需求提供各种声光报警，并根据环境数据与作物信息，指导温室设施的正确控制。

2.4 安全机制

采用当前较为先进的“保护-响应-检测-恢复”反馈控制自适用模型来保证整个系统的安全性。采用多种分级防御机制，互相配合，提供深度防御，在不同情况下以不同方式确保应用安全，防范内外部风险。

3 系统实现

为了方便用户使用，开发了Web系统和手机APP两种登录方式，其登录界面分别如图3所示。用户采用上述任意一种方式登录系统后，出现图4所示的主界面。该界面左侧的系统功能列表，主要包括系统功能管理、视频监控信息展示、生产现场监测数据获取、现场生产设备管理、数据上传下载、专家系统等六大模块。

图3 系统平台登录界面

图4 系统主界面

通过视频监控信息展示、生产现场监测数据获取、现场生产设备管理这三大模块，可以远程实时获取农业生产现场的土壤成分/养分信息、土壤特征信息、作物生长小气候信息、图像信息、作物种类和生长状态信息、病虫害信息和地理空间定位信息等参数和生产现场的实时动态，并可根据获取的环境参数，实现对施肥系统、喷淋系统、调温系统、调湿系统、内外遮阳及补光系统等设备的自动化控制，如图5所示。同时通过互联网实现对现场设备的远程集中控制。

专家系统模块通过充分发挥Internet收集、共享知识和数据的优势，使其多媒体用户界面友好、操作方便，且可以不受时间和地理位置限制，实现灵活访问，摆脱了传统专家系统的孤立性，使知识信息具有更高的共享度。具有从生产管理、销售管理、采购管理、员工管理、库存管理、配套设施设备管理，至技术数据库、栽培专家库等功能，可根据市场与价格、栽培技术水平、劳力等因素综合考虑进行管理。

4 结语

图5 温室控制器（PLC）实物图及其主要功能示意图

将现代信息技术和计算机科学技术应用于设施农业生产，构建华南区域设施农业专家信息系统服务平台，能实时通过互联网和移动网络掌握农业现场的作物和环境信息，为用户提供决策管理的信息支持与设施装备的远程自动控制，有助于全面提高农作物的科学管理水平、单位面积产出率和资源利用率，降低环境问题给农业生产带来的不良影响，提高设施利用率和生产效益，对实现农业高效可持续发展模式具有重要的促进意义。

[1]任争毅，潘娟娟，顾沛雯.等.设施园艺病虫害远程诊断与监控系统的构建[J].西北农业学报，2010，19（3）：62-65，162.

[2]叶宏宝，徐志福，石晓燕，等.设施农业环境智能监控管理平台设计与实现[J].浙江农业学报，2014，26（2）：467-472.

[3]姚於康.国外设施农业智能化发展现状、基本经验及其借鉴[J].江苏农业科学，2011，（1）：3-5. [4]张晓文.设施农业的发展现状与展望[J].农机推广与安全，2006（11）：6-8.

[5]刘霜.温室环境智能化监控技术的研究[D].福州：福建农林大学，2003.

[6]DaviesW J，SallyWikinson，Brian Loveys. Stomatal control by chemical signaling and the exploitation of this mechanism to increase water use eggiciency in agriculture[J].New Phytologist，2002（153）：449-460.

[7]新浪网.日本植物工厂简介[EB/OL].（2012-02-12）[2015-03-01].http://blog.sina. com.cn/s/blog_548c43da0100zwk0.html.

[8]孙敏，姚海燕.园艺植物专家系统研究概况与发展趋势[J].安徽农业科学，2012，40（2）：1213-1216.

[9]武向良，高聚林，赵于东，等.农业专家系统研究进展及发展方向[J].农机化研究，2008（1）：235-238.

[10]刘继芬.世界主要国家农业专家系统、计算机决策系统和计算机模拟模型技术的应用现状[J].农业网络信息，2004（5）：42-43.

Intelligent Management System of Agricultural Environment and Facilities in South China Region

Guo Peipei1,Huang Jiayi1,2,Xie Qiubo1,2
(1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Co.,Ltd,Guangzhou 510630; 2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630)

To the problems of low intelligence and automation level as well as frequent human intervention on remote monitoring,diagnosis and control technology of protected horticultural environment,we developed an intelligent management system for monitoring and controlling agricultural environment and facilities in greenhouses with the functions of sensor detection,video image acquisition,environment control and equipment diagnosis. The system achieved real-time acquisition,storage and analysis of video surveillance and environmental data.It also realized information inquiry,automatic remote control,equipment fault diagnosis,warning messages sending, production management,sales management,purchasing management,staff management,inventory management,equipment management,technology database and cultivation expert database．The results showed that the system can help to improve cultivation productivity,reduce management costs,raise technical equipment level,and realize high-yield,high-quality and efficient on agricultural production..

horticulture,agricultural environment,intelligent monitoring,internet of things

“十二五”农村领域国家科技计划课题 （2014BAD08B03-4-1），广东省科技计划资助项目（2014A020208031），土壤植物机器系统技术国家重点实验室开放课题基金资助项目（2014-SKL-06），2013年省级现代农业产业发展建设专项资金项目

郭佩佩（1988－），女，硕士，主要从事农业信息与智能装备技术的研究。Email:guopp@e-jiankun.com