农业物联网管理系统的构建和应用

李智全，许 江，贾笑英，李建华，李晓波，王丽丽，辛 颖，张 俊2，

（1.海南省家垦科学院，海南 570206；2.北京家业信息技术研究中心，北京 100097；3.北京派得伟业科技发展有限公司，北京 100097）

引言

物联网技术的兴起，促进了现代农业转型升级，改变了农业传统的生产方式，加速信息技术在农业领域的科技融合。农业物联网是通过农业信息感知设备对农业系统中生产环境要素、动植物生命体特征、农业生产工具等信息进行感知，并根据事先定义的协议进行信息交换和通讯，以实现对农业生产过程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息化网络[1]。物联网技术应用于农业生产全过程中，可改变传统农业粗放生产方式和弊端，优化作物生长环境参数，将各种农业资源有效利用，从而提高农产品质量和品质，真正实现农业现代化[2]。农业物联网作为一项新型信息化集成技术，适用于农业产前、产中、产后的全产业链条，可以对农业生产、加工、物流、交易、消费各环节进行有效改造和提升，节约了现代农业的人力物力资源，是当代推动现代农业发展的最具影响力的信息技术手段[3-5]。海南省具有独特的地理优势，是我国唯一具有典型的热带亚热带气候特征的省份，也是我国热带果蔬农产品的重要生产基地。2018年海南省全省蔬菜收获面积394.64万亩，蔬菜产量579.37万吨；水果收获面积260.43万亩，水果产量410.14万吨，比上年增长3.7%[6]。海南省农业物联网虽然在一些农业企业和农业示范园区有应用，但是应用的层次还是比较低，应用范围较窄[7]，由于其特殊的地理环境，海南热带农业面临环境压力、质量安全风险、劳动力成本上涨等难点，热带农业高温高湿导致的病虫害频发的现状，设计开发农业物联网管理系统，有助于提升海南农业高新技术开发区入驻企业的农业生产管理水平和生产效益。

1 系统总体设计

为提高海南省农业生产管理水平，农业物联网管理系统从农业生产、病虫害防治、辅助决策等方面集成开发物联网软硬件设备，对园区不同设备的接口、数据进行集成管理，实现对种植环境的光、温、水等环境信息的监测感知，实现历史数据、实时数据的汇总和查询，基于GIS地图集中展示园区农业物联网的应用分布、环境监测参数、生产监控，提供环境监测数据的多维度统计分析，为生产决策提供基础数据，为海南热带农业的高质量发展提供技术支撑。农业物联网管理系统包括首页、气象墒情、视频监控、预警管理、统计分析、专家系统、系统管理等七大部分。

图1 农业物联网管理系统总体框架

2 系统搭建

2.1 开发环境

2.1.1 硬件平台

主要为用户提供应用程序服务，关系型数据库的运行支撑环境。主要包括数据存储、网站运行、数据填报、数据集成工具等应用。服务器的主要性能指标如下：

内存：＞8G

CPU：4CPU

硬盘：1T

2.1.2 软件平台

服务器操作系统：Windows server 2012 R2

数据库：SQL Server2008

运行服务器：Tomcat

2.2 技术特点

系统基于J2EE研发，采用最新的技术框架，前台使用Jquery及JavaScript技术，后台采用Spring+SpringMvc+MyBatis框架。软件主要分为数据层、服务层、业务层、通讯层、设备层和表现层。

数据层：以数据保存为核心，建立分类数据库，实现信息资源的整合、共享和统一管理，需要统筹规划、统一标准、分工协作，建设数据库群，实现信息资源的整合和共享，避免重复建设和标准不统一造成的资源浪费。

服务层：平台服务层是平台的技术支撑层，包含统计分析引擎、报表服务、数据仓库组件等各种服务引擎和服务策略。

业务层：通过用户接口为不同的用户提供信息查询和交互服务，并通过信息采集传输网络实现档案数据采集和各个环节数据传输与共享。

通讯层：通讯层支持多种数据传输方式，提供高效的、安全的数据交互通道。

设备层：软件能够挂接多种终端设备，自动完成各种格式的数据转换和交互。

表现层：软件支持各种数据展现和交互方式，实现了门户网站的服务与交互。友好的用户界面为用户提供完善的查询服务，方便生产者管理农业生产。

2.3 系统平台构建

农业物联网管理系统采用当前主流的B/S架构，基于SOA架构，以JAVA技术为基础，遵循J2EE标准，采用基于XML与Web Services组件化开发模式，实现了业务模块/组件的松耦合，易于扩充升级、易与其他系统集成、易应用维护。软件开发平台具有先进性、稳定性，中间件、开发工具采用的是国际业界主流产品。

项目软件体系结构采用模块化和分层的设计思想，将系统架设在应用层、服务层、数据层等多个层次上，数据服务器专门存放数据，应用服务器提供各类服务组件来访问数据服务器和响应客户端的请求，浏览器端只显示结果和发出请求。这种模式的系统安装、维护较为简单，系统的修改和升级后只需在应用服务器端进行即可，用户操作起来比较容易上手。软件功能模块的叠加和扩充非常方便，整个系统的开发实施和完善可以分步进行，可以方便地扩充，能够满足目前系统业务的发展需要。

项目软件提供标准的数据采集接口、基础数据接口，定义数据结构、数据类型及通信规则，与数据采集设备进行数据交互。提供标准硬件设备管理功能的接口，与基于物联网传感器、视频监控等硬件设备进行数据对接和交互。提供平台系统与门户网站接口，实现数据对接和交互。

3 系统主要功能模块

3.1 气象墒情模块

气象墒情模块包括远程监测空气温度、空气湿度、风速、风向、降雨量、太阳辐射等环境信息，为作物生长提供实时环境监测手段，为恶劣环境下采取应急措施提供必要数据支撑。监测数据通过GPRS/3G/4G网络上传至指定云端服务器，用户可通过客户端软件、手机APP或者WEB服务等应用系统查看实时监测数据及调用历史数据，同时实现数据的下载及导出。

图2 气象墒情实时数据及24小时数据查询

3.2 视频监控模块

视频监控模块由摄像机、无线网桥、网络硬盘录像机、硬盘、交换机等组成，通过实时画面，实时监测到作物的生长情况、病虫害状况、工作人员的作业过程等信息，作为数据信息的有效补充，有助于管理人员对基地作物生长关键环节进行追踪，及时发现各种不良状况，保障基地的生产活动与设施设备的正常运转。用户可以进入实时视频查看界面，可进行1X1、2X2、3X3 视频墙查看，同时根据右侧的视频导航栏，实现摄像头的控制，包括方向控制、镜头拉缩、光圈调整、图像抓拍、视频录像以及预置位的切换等操作，对于已抓拍的图像、视频可以进行批量管理。

3.3 预警管理模块

依据不同作物品种对生长环境的要求，充分结合空气温湿度、土壤温度、土壤含水量、二氧化碳浓度及光照强度等环境监测数据，针对作物生长环境信息进行监测预警，当大田环境监测值超过阈值时，进行报警提示，提醒操作人员及时采取相应的生产管理措施，为作物长势、灾害预测和防治提供科学、合理的辅助决策支持。同时发布的极端气象灾害天气的预警，指导用户及时做好相关生产的防护措施。

3.4 统计分析模块

利用统计组件对基地环境监测指标（风速/风向、降水量、空气温湿度、太阳辐射强度、土壤含水量、土壤温度）进行可视化分析。按照时间维度分析日均温度/湿度、月均温湿度、年均温湿度、24小时降雨量、月累计降雨量、年累计降雨量、日均风速、月均风速、年均风速等指标的变化情况。

3.5 专家系统模块

专家系统模块整合科研、教学、推广、生产、服务、使用等各方面的社会资源，以农业专家和农业知识为核心，建设一个全面、专业、快捷、方便的诊断与服务功能于一体的专家服务系统，为农业生产应用提供实时、动态和准确的作物病虫害诊断与处理信息。辅助用户根据作物根部、茎部、叶部和花果等特征，通过建立病虫害气象条件预警模型与病虫害分析模型，进行病害或虫害诊断，达到“早发现、早预防、早治理”的目的。用户可以选择观察到的根部、茎部、叶部和花果发病特征，系统将根据规则判断出可能发生的病害或虫害，根据诊断的病害/虫害，用户可通过防治方法查看该疾病的防治措施，为基地主要农作物生产、管理、病虫害诊断防治提供良好的技术服务。

3.6 系统管理模块

系统管理模块主要实现基地信息、作物管理、地块管理、设备接口管理、环境预警设置、病虫害诊断管理等管理内容。

基地信息、作物管理、地块管理都是对基地的基础信息内容进行管理，是保障一个基地信息化工作顺利进行的基础。包括基地名称、占地面积、地理坐标、位置、主要作物、简介等基地基本信息，作物分类、种植品种、地块名称、地块位置、主要种植作物、种植面积等基地种植详细信息。

图3 病虫害诊断界面

设备接口管理、环境预警设置、病虫害诊断管理是对基地设备进行控制管理，是实现农业物联网管理系统自动化管控的必要条件。设备接口管理实现基地气象墒情站、视频监控站等设备的添加、基本参数的配置等管理。环境预警设置实现不同作物最佳生长环境范围的设定，当实际生产环境超过这个理论范围时，则进行生长环境异常的提醒。病虫害诊断管理主要是病虫害诊断知识规则的管理与添加。

4 系统应用成效

本系统已在海南省桂林洋国家热带农业公园新果园桥南基地、桂林洋国家热带农业公园新果园桥北基地、昌江县农垦科学院昌江基地、桂林洋高新产业园区农民作物种植基地等多个示范基地开展了技术推广及应用示范，推广面积达15 000亩以上。

桂林洋国家热带农业公园新果园桥南基地利用农业物联网管理系统开展绿色生态化种植管理应用技术推广，总结示范基地多果树品种、防风林建设、活体覆盖等多种作物种植营造的生态环境优化对矮种椰子、太平洋橄榄生长的良性影响，及运用气象墒情监测，环境预警管控，运用绿色防控技术等达到降本增效、保护生态环境等效果；桂林洋国家热带农业公园新果园桥北基地和昌江县农垦科学院昌江基地开展预警管理模块应用技术推广，观察作物生长物候、病虫情，气候、土壤墒情、物候、病虫情发生结合发布病虫情预报及指导病虫防控，定期发布病虫害预警简报；桂林洋高新产业园区农民作物种植基地根据具体作物品种制定方案，开展病情、虫情调查，建立生产档案，开展农产品质量检测，结合信息技术融合与农业综合生产应用，实现对农业基地生产各方面信息的统一管理、集中分析、分布决策和有效控制，为相应的管理决策提供技术与设备支撑。

农业物联网管理系统的应用推广有效地提升了海南省桂林洋国家热带农业公园新果园桥南基地等示范基地的信息化管理水平，提高海南热带农业生产效率，降低生产投入，减少热带作物的病虫害危害，从生产效率、工作效率、农民增收节支、农产品质量安全和农业生态环境的改善等方面带来巨大的经济效益，同时有助于加快农业的现代化步伐，推动海南农业向智慧化、精准化、信息化方向发展。

5 结语

农业物联网管理系统充分将物联网技术应用到现代农业发展中，通过对示范基地种植环境的空气温湿度、风速风向、降雨量、太阳辐射等环境信息的监测感知，实现环境与视频数据采集、传输、远程监控等功能，提供实时数据的展示查询与历史数据的统计追溯，结合行业标准和特定作物品种对环境条件需求，设置环境监测阈值，针对作物生长环境信息进行监测预警，以辅助决策和指导生产，从而实现现场无人值守情况下农户对作物生长状况的远程在线监控，为农业生产、品种选育、精准灌溉施肥、病虫害控制等提供支撑与服务，有效提高了农业生产管理水平和生产效率。物联网技术在农业领域中的应用处于快速发展阶段，是现代农业发展的必然趋势和未来农业发展的主要方向，为现代化的智慧农业发展打下坚实的基础[8]。