江西省农业物联网综合服务平台的设计与实现

钟志宏，管帮富，姜振国，杨 眉，黄友土，熊倩华，兰 峰，赵 华，时 黛，高 蕊

(1.江西省农业信息中心，江西 南昌 330046;2.江西省畜牧技术推广站,江西 南昌 330046)



江西省农业物联网综合服务平台的设计与实现

钟志宏1，管帮富1，姜振国1，杨 眉2*，黄友土1，熊倩华1，兰 峰1，赵 华1，时 黛1，高 蕊1

(1.江西省农业信息中心，江西 南昌 330046;2.江西省畜牧技术推广站,江西 南昌 330046)

以设施温室环境为研究对象，基于设施温室蔬菜对环境条件的不同需求，设计搭建物联网农业综合服务平台。通过传感器、摄像头感知设施温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等环境因素以及生产实时画面，实现对设施温室环境的有效监测、监控。研究设施温室的病虫害测报防控系统能够和温室设备远程自动化控制，实现对设施温室环境的自动调节，有效减少病虫害对生产作业的有害影响，搭建农业综合服务平台，提高对设施温室环境的感知与病虫害的预警和综合诊断能力，为农业生产管理提供更为便捷的应用服务。农业综合服务平台可实现电脑PC端、手机客户端2种方式登录，使平台的应用更加广泛与便捷。

设施温室;物联网技术;环境监测;病虫害预警

为加快现代农业强省建设，按照“互联网+”思维，江西省农业厅率先运用PPP模式推进全省智慧农业建设。发展农业物联网技术已成为江西由传统农业大省向现代农业强省转型升级的关键点。开发建设一套全省标准统一、互联互通、数据共享的江西农业物联网综合服务平台，并在全省“百县百园”现代农业示范园区推广应用，可以避免各地自建体系、自成标准，有助于形成全省农业大数据，为我省农业生产提供精准化种植、可视化远程管理、智能化决策。

本文以设施温室环境为研究对象，基于设施温室蔬菜对环境条件的不同需求，研发多功能融合的新型集成化感知层产品、智能数据采集装置和控制装置，通过智能化操作终端可实现农作物种植产前、产中、产后的全过程监控、科学管理和即时服务，实现种植集约、高产、高效、优质、生态、安全和可追溯的目标，促进现代农业发展，形成基于物联网的农业综合服务平台，提供各自所需的信息服务以实现信息共享和交换。

1 系统组织结构

1.1 基于物联网的农业环境数据自动采集

针对目前种植环境指标监测困难、监测手段落后等缺点，将物联网技术应用到农业领域，采用物联网的三层体系结构进行设计，3个层次分别为感知层、网络层、应用层。以终端模块作为物联网的感知层，采集设施温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度，利用以太网、GPRS、4G等网络技术作为物联网的网络层，实时将种植环境参数传输到以管理软件平台为核心的物联网应用层，实现环境信息的实时监测，当监测到环境参数超标时，监测平台提示警报或通过短信方式向种植户报警，即使用户身在外地也可以通过互联网、手机实时查看温室内农作物种植环境的状态[1-3](图1)。

图1 基于物联网的农业环境数据

在物联网的感知层除了依赖各类环境数据传感器，平台利用安装具有360°调节视角高清网络球机，通过有线、无线局域网组建视频监控网络，对温室内的农作物生长状况进行全天候视频监控，完善所需的农业环境数据的采集，便于监测与观察。管理人员可以随时随地通过计算机或手机查看作物的生长情况及周边环境情况，对作业人员进行农事指导，减少人工现场巡查次数，提高生产效率。

1.2 病虫害测报与防控系统

病虫害测报与防控系统将设施温室监测影响农作物病虫害发生的关键因子，平台建立农业病虫害发生模型，利用智能算法，实现对病虫害发生的预测预报，并有针对性地进行防控指导。

通过在农作物种植园区设置多个重要节点，在每个节点布置若干个物联网自动监测设备，通过设备自动采集园区有害生物信息，利用无线网络，传输到数据中心，获取园区某块区域的有害生物种类、数量，通过与气象数据的耦合，分析园区有害生物种类数量与环境条件变化的相关性，有害生物自动监测使农作物种植园区有害生物监测预警变得更加完善。

1.3 温室设备远程控制系统

在通过物联网所建立农业环境数据自动采集系统的基础上，结合所建立的病虫害预警系统，建立农业生产设备的远程控制系统，主要由测控模块、配电控制柜及安装附件组成，利用GPRS等无线通讯技术与管理监控中心连接，当环境采集系统监测到设施温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照等参数超标，以及通过监测实时视频发现农作物生长状况异常或发生病虫害，农户可及时通过计算机或手机远程控制相应设备，包括控制温室的卷帘机、风机和灌溉设备，改善作物的生长环境。通过设定环境因素阈值及系统逻辑运算和判断控制相应温室设备运作以调节温室环境，促进蔬菜生长、保障农产品质量。通过温室设备远程控制系统所形成的设施温室的环境自动控制系统如图2所示。

图2 环境自动控制系统

2 系统功能设计

基于物联网所形成的农业综合服务平台是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策，使用物联网实现农业应用、网络、感知的全面信息化[4-5]。基于物联网的农业综合服务平台主要包括农业环境数据自动采集、生产视频监控、农业病虫害预警及温室设备远程控制4个功能设计模块，其总体功能模块设计见图3。

图3 系统总体功能模块设计

3 系统实现与结果分析

3.1 环境指标自动采集系统

针对目前设施温室种植环境指标监测困难、手段落后等缺点,将物联网技术应用到农业领域，以终端模块作为物联网的感知层。采集室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照度，利用以太网、GPRS、4G等网络技术作为物联网的网络层，实时将种植环境参数传输到以管理软件平台为核心的物联网应用层，实现设施温室内环境信息的实时监测，当监测到环境参数超标时，监测平台提示警报或通过短信方式向种植户报警，即使户主身在外地也可以通过互联网、手机实时查看设施温室的状态[6-8](图4)。

图4 通过电脑PC端实时查看设施温室状态系统

3.2 生产视频监控系统

通过安装在设施温室内的高清网络球机，360°调节视角，对设施温室内蔬菜生长状况进行全天候视频监控，管理人员随时随地通过计算机或手机监控设施温室的情况，对管理人员进行农事指导，减少人工现场巡查次数，提高生产效率。从科学种植、提高管理水平和实现现代化种植的角度来看，视频监控是现代化农业发展的必然趋势。

图5 实时视频监控

3.3 农业病虫害自动预警

平台根据作物特点、生长环境、气象特征、病虫害种类和爆发征兆等信息，为各类数据制定相应指标，并实现对各类指标体系的编辑、维护等操作。根据指标体系设立相应阈值(阈值可动态变化、可根据专家建议自行设定)，并划分预警灾害等级，当前端数据达到预设阈值时，系统可自动判断灾情等级及影响范围。病虫害测报预警模型：每类病虫害爆发都有预兆或者引发条件,根据丰富的病害特征库，结合现场采集数据匹配病虫害指标体系，运用病虫害测报预警模型对农作物的病虫情信息进行识别与分析，并实时计量处理，当计算结果达到预警条件时，以图表等方式进行动态展示，包括病虫种类、发生密度、发生程度和预警等级[9-10]。如小麦锈病预警方式：在适合的温度(条锈病1.4～15 ℃、叶锈病15～20 ℃、秆锈病3～18 ℃)、湿度>80%、积温>150～160 ℃·d时，结合大田的风速风向，一旦爆发小麦锈病，可及时预测出传播覆盖范围。

平台采用计算机实测环境参数、状态极限值反馈报警保护。根据作物的各项参数设定温室环境的极限值和作物生长环境参数极限值报警保护系统，提高整个系统的安全性。具备短信报警、基地监控中心屏幕闪烁提示、远程WEB页面闪烁标注提醒等。

当病虫害发生后，采用专家咨询诊断的方式，本文系统专家咨询诊断整体架构如图6所示。

图6 系统专家咨询诊断整体架构图

通过平台客户端能够方便实现与远程前端的对讲，但前端不能轻易实现和监控中心的对讲。针对本项目要求“系统实现双向语音对讲”的需求，本方案在前端采用告警开关量的输入，使用报警联动的方式来触发。具体实现的方法就是通过网络摄像机的报警接口接入一个紧急呼叫按钮开关来触发报警，报警信息会传送至监控中心，监控中心通过告警信号建立一个通道与前端进行语音对讲。向农户提供在线指导和病虫害远程诊断服务，农户也可以通过平台进行在线咨询[11]。其示意图如图7所示。

图7 系统专家咨询通信示意图

3.4 温室设备远程控制

远程控制系统由测控模块、配电控制柜及安装附件组成，利用GPRS等无线通讯技术与管理监控中心连接，当环境采集系统监测到设施温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照等参数超标时，户主可通过计算机或手机远程控制相应设备，例如控制温室的卷帘机、风机和灌溉设备，使设施温室内部达到适宜作物生长的环境，从而促进蔬菜生长、保障农产品质量(图8)。

图8 温室设备远程控制终端

依据预先设置的控制阈值，自动控制或按照短信提醒手动控制设施内的卷帘、风机、水帘、灌溉等执行设备，以调节设施内部小气候。用户可根据专家建议自行设置控制阈值。

系统实现自动控制，通过各种传感器接收各类环境因素信息，通过逻辑运算和判断控制相应温室设备运作以调节温室环境。调节环境温度、湿度。CO2发生装置按需比例调节环境CO2浓度，夏季室外屋顶喷淋，在保证室内光照强度的前提下，组合调节环境温度与通风，达到强制降低环境温度的效果。通过计算机对温室各电动执行器进行整体调节，自动调控到作物生长所需求的温、湿、光、水、气等条件[12-13]。举例如：设施温室黄瓜对温度、湿度要求较严，一般黄瓜叶面不能结露(如结露时间不能超过2 h)，因此要及时放风排出湿气。生长前期早上放风1 h，上午闭棚，温度升至28～32 ℃且不超过35 ℃，空气相对湿度保持在80%～90%。中午放风3 h，温度降至20～25 ℃，空气湿度保持在70%～85%为宜；傍晚闭棚，如夜间室外温度达到13 ℃，可整夜放风。

设施温室环境智能控制单元由测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，通过无

线网络与管理监控中心连接。根据温室设施温室内空气温湿度、土壤温度水分、光照强度及CO2浓度等参数，对环境调节设备进行控制，包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、灌溉电磁阀、CO2气肥机等设备。

3.5 手机客户端

本文系统不仅适用于电脑PC端，而且开发了手机客户端，支持Android 2.0、IOS 4.0及其以上版本的操作系统。户主可以通过手机终端实时监测数据，为及时做出相关种农技调整和制定新的规划方案提供数据支持，主要有以下功能：(1)提供每个监测点的实时环境参数，包括：空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳和光照强度；(2)提供数据查询，支持过去某一时段的数据查询，对一些突发事件提供数据依据；(3)提供历史曲线查看，通过对过去某一时段变化趋势的观察，可以总结出相应的变化规律，从中可以总结出一些宝贵经验；(4)提供实时报警功能，当监测到的任一个参数达到报警条件时，监测平台会提示数值闪烁报警和短信提醒，为相关管理人员提供报警提示；(5)根据监测结果，可远程控制相应设备，实现健康种植、节能降耗的目的；(6)监测应用平台使用简单，参数设置人性化，不需要复杂设置，不要需要专业知识，易于推广与普及。

系统开发了方便用户随时查看、管理、控制农业生产的手机软件。用户通过安装在手机上的客户端软件实时掌握农业生产信息。主要包括以下模块：(1)综合应用模块：实现手机客户端登陆用户密码管理、报警信息设置、基地基本信息管理等；(2)手机客户端远程采集模块：通过该模块可以实现实时采集显示农业生产的各项环境参数及其他信息，使用户实时了解农作物生长环境；(3)手机客户端远程控制模块：通过该模块，用户可以随时使用手机远程控制相应的农业生产执行设备的开启和关闭，通过手机掌控农业生产；(4)手机客户端视频接入模块：实现视频图像接入手机客户端，用户可以通过客户端软件实时查看生产基地的视频图像信息，了解农作物生长状态及基地状态，查看各种执行设备执行状态；(5)与平台接口模块：实现与平台及数据交换的接口，通过该接口模块，向平台及数据库发送请求，并反馈平台及数据库返回的信息，达到手机客户端与平台及数据库数据同步的目的；(6)手机客户端自动更新服务模块：实现手机客户端软件版本的远程自动更新，保障用数据传输规范及要求。

用户通过浏览器，下载安装手机客户端，注册登录系统，即可使用短信对温室设施温室各项采集数据的查询及各类系统设置，并可以通过手机客户端随时随地监测基地的情况，还能控制球机的转动，全面监控基地。该客户端操作方便、实用，并提供客户端自动升级服务，为用户提供更优质的产品[14-15]。

在手机客户端上可以添加任何想要查看的监控点信息。添加完成后即可在设备列表里查看到。通过设备列表可以打开该监控点的实时图像监控。查看实时监控图像。打开客户端，进入手机客户端主界面(图9)。

图9 手机客户端主界面

4 结论与讨论

本文以设施温室环境为研究对象，基于设施温室蔬菜种植对环境条件的不同需求，进行了基于物联网的农业综合服务平台设计与实现研究。通过“统一设计架构、统一开发标准、统一数据格式”软件工程设计思路，打造一个开放互联、汇聚全省现代农业数据的省级物联网综合服务平台，突出平台的开放性和可定制性，着力打造为广大农民朋友提供公共服务的新型物联网平台，推广覆盖到更多农业生产一线和实体。

2015年该物联网平台已部署在江西省凤凰沟、青原区、赣县、丰城市、永修县等5个现代农业示范园内，为推广农业物联网技术提供范本承担应用与推广功能。2016年在另外5个现代农业示范园开始建设，未来实现物联网平台全省农业生产的覆盖。

物联网平台通过传感器、摄像头感知设施温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等环境因素以及生产实时画面，实现对设施温室环境的有效监测、监控。利用以太网、GPRS、4G等网络技术，实现信息传输，与设施温室内布设的生产实时视频监控网络，实现对设施温室环境的有效感知监控，在此基础上，研究设施温室的病虫害预警与防控方法、温室设备的远程及自动化控制，实现对设施温室环境的自动调节，有效减少病虫害对作物的影响，集合形成农业综合服务平台，提高对设施温室环境的感知、病虫灾害的预警和综合诊断能力，为农业生产管理提供更为便捷的应用服务，并依此开发出农业综合服务平台系统的电脑PC端和手机客户端2种系统实现平台，使系统的应用更广泛与便捷，并对系统的各项功能模块进行验证检测，增加了系统实施可靠性。

下一阶段工作将重点深入以下方面的研究：(1)对平台中的设施温室环境监测体系进行计算模拟与评估中，对系统进一步优化研究，以提高环境因素监测的准确度。(2)提高平台的适用性，完善系统数据库中种植各类作物环境因素指数与阀值，并以此提高对卷帘机、通风机等设施温室设备的有效精确控制，加强设施温室的环境调节能力。(3)进一步研究设施温室农业病虫害预警与防治方法，加强设施温室对于病虫害的抵御能力，并提供更多的应用来完善系统的各模块功能，提高系统实用性。

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(责任编辑：曾小军)

Design and Implementation of Jiangxi Agricultural IOT Integrated Service System

ZHONG Zhi-hong1, GUAN Bang-fu1, JIANG Zhen-guo1, YANG Mei2*, HUANG You-tu1,XIONG Qian-hua1, LAN Feng1, ZHAO Hua1, SHI Dai1, GAO Rui1

(1. Agricultural Information Center of Jiangxi Province, Nanchang 330046, China;2. Animal Husbandry Technology Popularization Station of Jiangxi Province, Nanchang 330046, China)

In this paper, the greenhouse environment is taken as the research object, and an agricultural IOT (Internet of Things) integrated service system is designed and constructed based on the various environmental condition demands of vegetable crops in the greenhouse. Through sensor and camera, this system can automatically collect the real-time images of vegetable production, and can effectively monitor the air temperature, air humidity, soil temperature, soil humidity, carbon dioxide concentration, illumination intensity and other environmental factors in the greenhouse. The designed greenhouse disease and insect pest forecasting and control system with remote-control equipments can realize the automatic control of greenhouse environment, and effectively reduce the occurrence rate of diseases and insect pests. The constructed agricultural IOT integrated service system can improve the sensibility to greenhouse environment, and enhance the ability of early warning and comprehensive diagnosis of diseases and insect pests. This system can be logined by PC or mobile client, which makes its utilization more extensive and convenient.

Greenhouse; IOT technology; Environmental monitoring; Early warning of disease and insect pest

2016-08-02

国家级星火计划项目(2015GA730006)。

钟志宏，女，江西赣州人，农艺师，从事农业信息化研究。*通讯作者：杨眉。

S625.5

A

1001-8581(2016)11-0075-05