设施农业远程监控与智能决策支持系统的研究

张艮龙,尹 蓉

(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006;2.山西省农业科学院果树研究所，山西 太原 030031)

2017-07-18

张艮龙(1984- )，男，山西长治人，工程师，研究方向：系统集成，软件开发。

1674- 4578(2017)05- 0080- 04

设施农业远程监控与智能决策支持系统的研究

张艮龙,尹 蓉

(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006;2.山西省农业科学院果树研究所，山西 太原 030031)

采用物联网对农业监测区内环境信息、作物生长信息进行实时采集，实现快速、多维、多尺度的监测，并在专家知识系统基础上实现菌类大棚的智能加湿、智能排风、智能卷帘等自动控制，为精准农业监测提供了有效的解决手段。

设施农业；远程监控；智能决策

目前，我国大多数菌类大棚生产主要依靠人工经验管理，缺乏系统的科学指导。要实现高水平的设施农业生产和优化设施农业环境控制，信息获取手段是最重要的关键技术之一。作为现代信息技术三大基础(传感器技术、通信技术和计算机技术)的高度集成而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。网络由数量众多的低能源、低功耗的智能传感器节点所组成，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，获得详尽而准确的信息，通过无线传输网络传送到基站主机以及需要这些信息的

用户，同时用户也可以将指令通过网络传送到目标节点使其执行特定任务。本文针对上述问题，利用实时、动态的农业物联网信息采集系统，实现快速、多维、多尺度的信息实时监测，并在信息与种植专家知识系统基础上实现菌类大棚的智能加湿、智能排风、智能卷帘等自动控制。突破菌类大棚信息获取困难与智能化程度低等技术发展瓶颈。

1 系统管理架构

设施农业远程监控与智能决策支持系统，在管理架构上分为中心层、园区层和大棚层三部分。系统管理架构如图1所示。

图1 系统管理架构图

中心层就是设施农业远程监控中心，中心平台部署于农科院信息中心的服务器上。中心层管理全部的监控点，功能包括：

1) 各个园区中大棚的环境监测信息在网上的发布；

2) 远程对每个大棚中执行机构的控制；

3) 每个大棚监控主机控制参数的远程设定。

园区层面向加入设施农业远程监控与智能决策系统的各个园区的管理人员和农户，用户通过访问Internet上的设施农业远程监控中心平台发布的专属于自己的界面(园区监控管理系统)实现对自己园区的管理和对大棚执行机构的远程控制，例如遥控开启帘、遥控开启加湿设备和排风设备。

大棚层面向棚内工作的人员，用户可以通过操作大棚内的监控主机实现对执行机构的电气化控制，也可浏览监控主机上的环境历史数据和棚内相关监控信息。

2 系统结构与功能设计

设施农业远程监控中心平台采用B/S结构进行开发，开发平台软件Visual Studio 2012,开发语言C#，数据库SQL Server 2008。系统结构图如图2。

图2 设施农业远程监控中心平台主要功能模块

3 功能设计

安装位置及连接方式：中心软件系统安装在山西省农科院机房服务器上，通过互联网专线对外提供服务。

主要功能：该套系统将联网的各园区菌类大棚中的各项环境因子集中监测统一接收、存储、展示，系统可以对菌类生长的各个阶段的环境因子进行远程分析并提出专业意见，同时系统可以进行控制参数的设置及控制命令的下发，实现农业大棚生产的自动、手动控制，做到既提高科研效率，又实现菌类作物的高产丰收。具体功能如下：

1) 用户管理

用户分配、权限设置、用户登陆、注册、管理的界面。

注册信息包括：姓名、性别、所属单位、园区/基地、电话、用户名、密码等。

权限设置包括：站点管理模块、参数设置模块、数据显示模块、数据分析模块、图像视频模块、专家系统模块的权限设置。

规定用户使用权限，不同用户提供不同的操作权限，非用户不能登陆系统，保证系统安全，操作简单而富有人性化。即隶属某个园区的用户，只能查询、控制该园区内的大棚，不能查看及控制别的基地的大棚。

2) 园区大棚站点管理

园区、大棚、测点的分配、权限设置。

此为现场安装人员后台管理维护功能。为安装人员提供站点管理注册的界面：每安装一个大棚，将该大棚的信息(省区、市、园区、大棚号、安装的设备信息等)注册到数据库，便于权限管理及设备控制。

3) 参数设置

通讯时间间隔、自动对时间隔、采样间隔等的录入与修改。

为初始化设置，即每安装一个大棚，对大棚中的设备通讯规则进行设置，如上传数据的时间间隔、采样时间间隔，以及风机、喷灌的开关状态、卷帘的打开量程范围等。

此外，用户还可以选择是否对该园区中的所有大棚或某几个大棚统一按照上面的规则进行设置。

4) 数据显示

多园区、多测点实时数据查看(数据列表和曲线图)、历史数据查看(数据列表和曲线图)。

查询条件：隶属的条件如：省份、地区、园区、大棚的选择。

时间条件如：查询时间(一天、一周、一月、自定义时间)。

5) 数据分析

实现按园区、大棚的数据查询，控制事件查询，为专家结合数据、视频及控制序列综合分析菌类的生长情况为智能决策提供数据支持。

6) 图像视频

多园区、多测点实时视频或定时抓拍图片的查看。

现场的视频监控根据现场3G/4G信号的强弱、上网速度的快慢可以采取两种方式。

◆远程视频监控：对于信号强度好、上网速度快的地方，使用具有萤石方案的摄像机，通过萤石开发平台和其提供的SDK开发一套远程视频监控网页，部署在图像视频模块上，将图像及视频播放界面嵌入到网页中。视频播放可随时抓拍图像，图像信息上传到服务器指定文件夹中，并在数据库Image表中插入该图像的信息，便于调用检索。对于有云台的萤石的摄像机，在播放界面中可控制摄像头的旋转，便于用户查看不同角度的现场状况。

◆抓拍图片上传：大棚现场处于乡村地区，移动网络信号强度不如城区，在某些因为上网速度较慢无法进行第一种所给出的远程视频监控方案的情况下，可以考虑抓拍图片上传的方案。

监控主机通过继电器给摄像机发送报警信号，摄像机接收到报警信号抓拍图片，并通过局域网把图片上发到建立FTP服务器的监控主机上。监控主机采用拆分的方式，把图片一包一包的发送到农业设施远程监控中心的服务器上，避免了上网速度的限制。图像信息上传到服务器指定文件夹中，并在数据库Image表中插入该图像的信息，便于调用检索。但是该站点只能浏览图片而不能实时播放视频。

7) 专家系统

根据实验情况及监测数据综合分析，系统自动给出大棚设施的控制方案，并下发命令指导大棚监控系统完成自动控制。

定义相应的规则，根据蘑菇不同的生长周期对空气温度范围、空气湿度范围、土壤温度范围、土壤湿度范围、CO2浓度范围、照度范围、以及超出该范围的时间间隔(比如超出范围30 min，再对设备进行控制，防止到达临界值设备不停的震荡进行开关操作)，即设定好相应的条件，到达条件后对风机、卷帘、喷灌的开关进行控制。并向管理员发送报警短信信息。

在该界面设计一个checkbox控件，“是否使用专家控制”，用户如果选择该功能，则触发设定的专家规则后，自动对风机、卷帘、喷灌的开关进行控制，如果没有勾选，用户可参照当前条件，手动进行控制。

此外，开发对这些参数(录入、修改、删除)设置的界面。

8) 手动控制

实现手动控制大棚设施的执行机构。

手动控制风机、卷帘、喷灌等设备的开关及当前设施控制状态图。

9) 操作日志

可查询每个大棚可控设施的操作情况。

记录每位用户对风机、卷帘、喷灌等设备的操作情况、以及操作时间等进行记录。

10) 短信通知

有报警情况可短信通知管理者。

记录短信报警的时间、内容、报警人等。

4 结论

本系统的亮点在于应用先进的农业信息感知技术，该技术是智慧农业的基础，作为智慧农业的神经末梢，是整个智慧农业链条上最基础的环节。通过部署无线传感器节点实现对农业监测区内环境信息、作物生长信息的实时采集，为精准农业监测提供了有效的解决手段，该套系统将菌类大棚中的各项环境因子集中监测统一上发到省农科院，农业专家就可以对菌类生长的各个阶段的环境因子进行远程分析并提出专业意见，做到既提高科研效率，又实现菌类作物的高产丰收。本套系统的重要意义在于建成后，将构建全省范围的菌类种植监控云平台，对全省菌类种植精确监测，辅助政府部门智慧决策。

[1] 严璋鹏,彭程.基于物联网技术的智慧农业实施方案研究.西安邮电大学学报，2013(4):105-108.

李尤丰,王智钢.基于动态云的智慧农业架构研究.计算机计算与发展，2014(3):190-193.

郭慰.基于云计算和大数据的智慧农业平台.城市建设理论研究(电子版),2015(5)：2.

StudyonRemoteMonitoringandIntelligentDecisionSupportSystemforFacilityAgriculture

Zhang Genlong, Yin Rong

(1.No.33ResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,TaiyuanShanxi030031,China; 2.PomologyInstitute,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,TaiyuanShanxi030031,China)

IOT(Internet of Things)is used to collect environment and crop growth information in agricultural monitoring area to realize the fast, multidimensional and multi-scale monitoring; and the automatic control for intelligent humidification, exhaust and shutter of mushroom greenhouse on the basis of the expert knowledge system is realized to provide an effective way for accurate agricultural monitoring.

facility agriculture; remote monitoring; intelligent decision

TP277；TP311

A