设施栽培物联网智能监控与精准管理研究

韦刿

摘要：主要通过搭建物联网的系统架构实现对设施农业栽培的过程中所产生的各种生产环境因子进行实时监测和智能控制，可根据实际情况实现开环及闭环智能化控制，设施农业温室大棚中调节室内小气候的各种措施所使用的电动设备，增加无线远程控制功能，并将各种控制开关集成到农业物联网大平台中，达到智能监控与精准管理一手抓。可以实现对设施栽培中影响作物生长的主要环境因子实时监测，包括空气温湿度，光照强度，土壤水分等数据，无线远程智能控制器可根据用户设定的在底层完成对风机，湿帘，水泵，卷膜机等生产环境调节设备的控制，并将数据及控制过程传输到互联网应用平台，及时的展现给园区管理员或用户。

关键词：物联网;设施栽培;智能监控;精准管理

中图分类号：S668.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0137-04

0 引言

农业物联网是通过采用大量的传感器采集节点、传感器汇聚节点、摄像监控设备、仪器仪表等各类感知设备构成智能监控网络，采集农作物种植的各种环境信息和生长因素，并通过互联网和无线网络稳定可靠地传输农业相关数据信息，并将获取的数据信息进行处理和计算，然后展现到智能操作终端上，从而使农业生产过程更加自动化、智能化，进而达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。目前，世界各国都在广泛深入研究农业物联网技术，但还处于试验和示范阶段。美国在农业施肥喷药、大型喷灌机的精准控制等控制技术开始产业化应用;日本以轻便型智能农机具为特征的精确农业，提供智能化的农业物联网操作终端，实现田间的施肥管理、收成的预测和病虫害的控制防治;荷兰建成温室农业高效生产体系，通过计算机控制的喷淋、滴灌灌溉和人工气候系统，温室的光照、需水量、需氧量实现定时定量供给[1]。

近些年我国随着城镇化发展迅速，大量人员进入城镇务工，导致农村的务农人数不断减少，农耕方式也由最初的小规模种植模式逐步向大规模种植模式转变，这就要求农业上利用自动化和智能化的科学技术来提高农业种植产量和效率[4]。而目前，我国的农业种植及管理工作大部分仍然是人工来完成，信息化、自动化、智能化程度较低。虽然目前我国农业科技水平在逐渐的提升，在农业方面的科技水平也取得了一定的成果，但是在智能监测和控制农业生产过程中依旧不是很稳定。而物联网作为现代信息化技术的重要组成部分，将其运用在农业生产管理上会使得农业生产更加精细化，还可以使人力成本降低，同时还能获取到大量的农业生产数据及信息，还可以对一些农业控制设备进行智能化的远程控制，从而提高农业生产能力实现科学高效的农业种植。因此，物联网技术在智慧型农业发展中有着十分广阔的前景。

1 系统总体方案设计

系统通过安装空气温湿度、土壤水分湿度、PH值、空气光照强度、风速等多种传感器，采集农业生产环境数据。借助数字高清网络摄像机，监控农作物的生长状况。利用变频控制柜、电动阀门等，实现远程智能化控制农业生产。搭建物联网云平台，将数据上传至服务器与云端平台存储分析并实时通信，为农业生产管理者提供云平台的访问服务，从而及时干预生产，保证农作物的正常生长。如图1所示。

系统架构由设备层、传输层、服务层、业务层和应用层构成。其中设备层由各种采集设备、控制设备和执行机构组成，包括农业环境传感器和农业动植物本体（生命）信息传感器，实现对空气温湿度、光照强度、肥料浓度、土壤水分、动植物自身生理状况等农业对象或动植物行为等过程的信息获取，并且由一定的执行机构对相关农业设备如：风机、水泵、电动阀、湿帘等进行有效的控制;传输层主要是将感知层获取的各类数据信息，根据不同情况选择不同的通讯方式，通过有线或无线方式传输到应用层，在选择通讯方式时要考虑墙体厚度及材质、田间的地形地貌、遮挡物、作物高度对通讯的影响;服务层主要包括一些设备接入服务、PC端接入服务、移动端接入服务、提供SDK服务以及FTP圖片服务等;业务层主要是给用户提供一些业务服务，例如首页展示、系统基础管理、站点管理、设备管理、园区管理以及运营管理等;应用层是由预设的应用规则及农业专家系统建立基于业务逻辑的管理控制策略和模型，将感知输出的各种数据信息，通过数据挖掘决策，将有效的数据信息展现在终端设备，并为农业生产管理提供高效的信息服务和智能管理控制的具体措施，应用可以做到闭环控制。

2 主要技术研究及实现

2.1 移动通信技术

移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动通信是进行无线通信的一种现代化技术，它是移动互联网发展与电子计算机发展的重要成果之一[2]。进入21世纪，移动通信技术已经逐渐成为社会发展和人类进步的重要工具。移动通信技术经历了1G、2G、3G、4G和5G的发展历程，1G以模拟技术为基础，已经被淘汰;2G以数字语音传输技术为核心，实现了通话的功能;3G是支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，能同时传送声音和数据信息;4G是集3G与WLAN与一体，能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等，4G有着不可比拟的优越性;5G是最新一代蜂窝移动通信技术，它的性能目标是高速率、少延迟、省能源以及能降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。

本课题将采用4G网关节点，将监测到的农田环境信息以及农业种植的相关控制设备接入平台。将相关农业信息数据以及设备接入平台后，为了保证设备能长期稳定在线，采用了建立心跳帧的方法实现与平台服务器的双向连接，进而实现数据的及时上传和及时接受平台下发的设备控制指令。

2.2 无线通信技术

无线通信技术[2]是一种远距离传输通讯方式，它不经由导体或缆线传播数据信息。目前，比较成熟的无线通信方式主要包括Wifi、NB-IOT、ZigBee、LoRa等，各种通信方式都有其各自的性能如表1所示。由于农业的环境比较复杂，农业物联网中的信息传输要根据实际情况选择合适的通讯方式，而不能将现有的通讯技术简单搬来使用。如果在布设中有一定的农业基础设施，那么在选择通讯方式时要考虑墙体厚度及材质，因为墙体厚度及材质会对传感器节点之间信息通讯产生一定的影响;而对于大田作物来说，田间的遮挡物、田间的地形地貌、作物的高度也同样会对节点通讯有影响。在表1中，ZigBee和Wifi的传输距离不长，适合用在温室大棚、智慧家居等场景。LoRa的传输距离较远而且功耗低，在布设规模较大的农业物联网节点的过程中可以使用。而NB-IOT构建的蜂窝网络并没有完全在野外农业环境中实现覆盖，因此本课题不采用NB-IOT无线通信的方式。本课题目前大多为大棚种植区，主要监控和采集一些设施栽培传感器的数据，因此采用ZigBee通信技术即可实现设施栽培环境信息监测站以及灌溉控制节点的通信功能。在实际的布设过程中，根据园区的情况按需求布设合适数量的节点，从而有效的感知园区信息有效和进行设备智能化的控制。

2.3 信息感知技术

信息感知技术[2]的核心是传感器，它是农业现代化信息的基础环节也是农业物联网的关键。通过在栽培园区部署传感器，采集园区影响作物生长是数据参数，如：空气温度、空气湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度等。这些传感器的部署为监测农业环境和精细化管理控制提供了有效的数据和技术解决方案。农业传感器技术主要包括电化学感知技术、光学感知技术、电学感知技术以及遥感学感知技术。电化学感知是以修饰电极、待测物质分别作为转化元件和敏感源，把电流、电势或者电导等作为特征检测信号的机理。光学感知的传感器不需要与被检测物质发生化学反应的电极，稳定性与重复性较好，能够实现长期在线监测。电学感知技术在农业物联网中主要用于温度、湿度的测量。遥感学的理论基础是物质成分在不同波段电磁波下的光谱吸收和反射特征。农业遥感技术对大面积露天农业的监测和管理具有很好的作用，可以让农作物种植种类分散、地域复杂等难题得到很好的解决。在本课题的研究中，主要应用到了电学感知技术和遥感学感知技术，用以采集栽培作物园区的生长数据参数，如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度等。

2.4 数据采集技术

在大多栽培园区，由于采用的传感器采集节点使用电池供电，导致采集的参数单一、采集数据周期过长[3]。因此，在系统设计的过程中大多为了降低功耗、延长传感器的生命周期，就不得不降低采集频率，但这样就会导致系统数据实时性变低，并且不能实时的对作物的生长环境信息进行监测和精准的控制管理。这是其中一个农业环境数据采集所面临的困难。

为了解决这个问题，各个传感器节点的部署通常结合作物种植的实际过程人为预先设定确定的方式。本课题主要通过Modbus-RTU通信协议的搭载，实现对农田环境数据的采集和监测。如图2所示。系统给各个从机传感器设置了各自的总线访问地址，终端控制器通过轮询的方式与各个传感器进行双向数据的交互。系统这样的设计方式，可以实现多节点监测并获取能实时进行多种类型数据参数的采集，保证了传输的实时性。

2.5 物聯网云平台

物联网云平台[2]是专门为物联网制定的云平台，是以“互联网”为基础，将其用户端扩展和延伸到物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念，它可以实现海量设备的无线接入以及海量数据信息存储。云平台主要研究的问题有：设备接入协议适配、设备连接规则引擎、数据云存储等常见问题。物联网云平台的终端数量是海量级别的，比起普通互联网的终端数量要多出几个数量级。通用的物联网平台一般具有以下几个功能：（1）设备通信。这是最基本的功能。在进行通信之前，需要定义要相关的通信协议，还要提供不同网络的设备接入方案，例如2/3/4G、NB-loT、LoRa等。在需要时，提供一定的设备端SDK及SDK源代码，这样可以减少一定的客户端工作量。（2）设备管理。每个设备需要有一个唯一的标识方便管理，并且要控制设备的接入权限，管理设备的在线、离线状态，设备的在线升级、设备注册、删除、禁用等功能。（3）数据存储。必须要有可靠的数据存储技术来存储海量的连接数量和海量的数据信息。（4）安全管理。必须要对各种接入设备的安全连接做出充分保障，并且要有不同的权限级别。（5）人工智能处理技术。面对物联网的海量数据信息，很多都是需要进行分析和处理的，这些数据里蕴含着对人类生产、生活、科学研究极高的价值。

目前，国内有几大公司都在积极建设物联网云平台，比如华为的“Ocean Connect”、百度的“天工”、阿里巴巴的“阿里物联”、中国移动的“OneNET”以及通讯的“QQ物联”。这些物联网云平台都为用户提供设备接入、设备管理、数据存储、安全管理、服务应用等一站式服务。

课题采用阿里云作为设备接入的智能物联网平台，只需要配置一些简单参数，就可以将农作物种植园区的各种设备接入云平台。该平台是设备、平台及应用三级联动的宏观调控的架构。首先将园区检测站各种传感设备获取到的空气温湿度、光照强度、大气压力、土壤PH值、土壤水分、土壤温度、二氧化碳值、涡轮流量值、园区风速等数据信息以通过4G网关节点实时传送给云平台。然后在云端，可以获悉农作物种植园区的各种作物生长环境因子、环境气象因子，让用户能更清晰的了解作物生长的情况以及设备运行的状态，从而让用户根据需要控制各种设备的运行，让平台将这些控制指令下发到园区监测站的控制设备中。可以根据用户的实际需求设计平台端，实现对设备的数据管理、操作权限设置、数据信息可视化展示以及历史数据统计分析等功能。

3 结论与展望

虽然物联网技术与现代农业技术的结合在农业生产中还存在着一些问题，但是随着科技的发展以及农业现代化的推进，物联网技术与现代农业技术的结合会在农业生产中发挥极其重要的作用，同时这也是未来农业发展的趋势。中国农业将进入一个新的发展时期。

参考文献

[1] 李道亮，杨昊.农业物联网技术研究进展与发展趋势分析[J].中国农业文摘-农业工程，2018，30（2）：3-12.

[2] 陈玉兵.基于物联网的农田环境监测及灌溉控制系统研制[D].西安：西安邮电大学，2019.

[3] 阮正鑫，陈胜倩，林志林.基于物联网技术的智能农业自动控制系统[J].南方农机，2017，48（16）：98.

[4] 付佳，安增龙.基于农业物联网技术的智慧农业研究进展[J].现代农业科技，2020（5）：232-233+235.