農(nóng)情綜合信息智能監(jiān)控體系的開發(fā)及應用*

孟祥寶，謝秋波，彭 賓，黃家懌，郭佩佩

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東廣州 510630；2.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東廣州 510630）

0 引言

農(nóng)業(yè)具有地域分散、對象復雜多樣、環(huán)境因子不確定等特點，也是受環(huán)境影響最明顯的領(lǐng)域[1]。農(nóng)情信息可分為地理環(huán)境、土壤環(huán)境、小氣候、水環(huán)境、作物生長狀況信息以及管理信息六大要素，具有信息量大、形式多樣、動態(tài)變化快、不確定性、不完整性、稀疏性、時空變異性強等特點[2-4]。如何實時獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息并對其進行精確控制顯得十分重要。農(nóng)業(yè)環(huán)境相對惡劣，干擾源多，傳統(tǒng)單功能傳感器不能獲得全面、豐富的現(xiàn)場信息，也不具備對現(xiàn)場環(huán)境調(diào)控設(shè)備進行精準控制的功能[5]。隨著信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)的廣泛應用，各種面向復雜應用背景的農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，信息資源豐富，表現(xiàn)形式多樣，信息容量和處理要求已大大超出傳統(tǒng)處理方法的能力。此外，如何有效采集、篩選和利用這些信息資源，充分體現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的時效性和綜合性，也是農(nóng)業(yè)信息化亟待解決的問題之一[6-8]。

針對上述問題，本文擬研制一套成本低、運行穩(wěn)定、支持多通道數(shù)據(jù)采集的農(nóng)情信息監(jiān)控終端，在快速獲取農(nóng)作物種植現(xiàn)場溫度、濕度、酸堿度（pH值）、二氧化碳（CO2）濃度、光照度、圖像等信息的同時，提供直觀的圖表和智能分析功能，并根據(jù)環(huán)境檢測結(jié)果和作物生長需要，自動控制和調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)、調(diào)濕系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)、遮陽及補光系統(tǒng)等設(shè)備。同時開發(fā)配套的后臺通信、信息管理、發(fā)布和查詢服務(wù)平臺，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的遠程在線監(jiān)控，并通過建設(shè)數(shù)據(jù)溝通通道，實現(xiàn)不同平臺間功能和信息的互建互通。

1 農(nóng)情信息監(jiān)控終端

自制多種環(huán)境檢測傳感器，組成傳感器組，并綜合應用嵌入式技術(shù)、GPS定位技術(shù)、3G通信技術(shù)、多傳感器多通道數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及工控組態(tài)技術(shù)，開發(fā)集在線檢測和實時調(diào)控功能于一體的多功能農(nóng)情信息監(jiān)控終端。終端主要包括兩部分，一是負責多種農(nóng)情信息采集的一體化硬件設(shè)備，二是負責控制檢測傳感器、環(huán)境調(diào)控設(shè)備、數(shù)據(jù)管理、通信服務(wù)等應用的軟件系統(tǒng)。所建的智能化作物培育系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 智能化作物培育系統(tǒng)拓撲圖

1.1 終端硬件功能與結(jié)構(gòu)

終端的硬件核心部分包括數(shù)據(jù)采集和遠程視頻監(jiān)控兩部分。數(shù)據(jù)采集部分利用傳感器組獲取多種環(huán)境指標，并以直觀的圖表或曲線方式呈現(xiàn)給用戶，主要實現(xiàn)以下六類環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合采集：①土壤成分/養(yǎng)分信息；②土壤特征信息；③作物生長小氣候信息；④人工采集的作物信息（作物種類、生長狀態(tài)等）和病蟲害信息；⑤地理空間定位信息；⑥圖像信息。同時，終端設(shè)備提供一定的設(shè)備開關(guān)控制輸出功能。遠程視頻監(jiān)控部分針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場地偏遠、地域分散等特點，在生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)鍵位置安裝攝像槍，通過無線遠程技術(shù)對農(nóng)田、溫室等各類農(nóng)業(yè)現(xiàn)場情況和作物生長發(fā)育狀況進行圖像采集，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)前端生產(chǎn)情況的遠程、實時監(jiān)控。

根據(jù)儀器儀表顯示的檢測結(jié)果，結(jié)合作物生長狀態(tài)和實際需求進行智能分析，與系統(tǒng)預設(shè)值進行比較，進而向控制柜發(fā)出適配指令，對排風扇、噴淋、遮光簾等生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控設(shè)備進行精準控制，保證農(nóng)作物有良好、適宜的生長環(huán)境。

監(jiān)控終端內(nèi)部主板卡的設(shè)計采用性能優(yōu)越的基于ARM9低功耗CPU、具有MinilSA總線擴展功能的工控核心板，集成一系列硬件擴展模塊（主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、3G通信模塊，GPS定位模塊、Zigbee通信模塊、工控組態(tài)模塊等）。外殼采用高密封防水材料制作，所有對外接口線路采用防水套件加固，保證系統(tǒng)防水性能、同時提高設(shè)備野外的抗干擾能力。人機交互界面選取較大尺寸（10＂）的VGA觸摸屏，保證產(chǎn)品的操作性能。選擇大容量可充電蓄電池為內(nèi)部設(shè)備和外圍設(shè)備供電，并采用太陽能供電設(shè)備提供電源補充。

1.2 終端軟件設(shè)計

監(jiān)控終端軟件組成與功能模塊設(shè)計如圖2所示。在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用C++編程語言及EMACS編輯器、GDB調(diào)試器和GCC編譯器等編程工具開發(fā)軟件。考慮到設(shè)備的野外強光操作環(huán)境，界面采用高對比背景與高亮度前景顯示設(shè)計。監(jiān)控終端軟件主界面如圖3所示。

2 信息管理服務(wù)平臺

2.1 平臺功能設(shè)計

圖2 農(nóng)情信息監(jiān)控終端的軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 農(nóng)情信息監(jiān)控終端顯示界面原型圖

信息管理服務(wù)平臺具有與終端設(shè)備保持實時通信、信息入庫、信息統(tǒng)計分析與空間分布展示、發(fā)布和備份等功能，其軟件組成和主要功能模塊如圖4所示。平臺在設(shè)計上采用面向?qū)ο蠓治龊徒M件式開發(fā)方法，平臺架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、業(yè)務(wù)應用層和表現(xiàn)層五個結(jié)構(gòu)層面組成，各層面功能詳見圖5。通信服務(wù)程序開發(fā)采用Window系統(tǒng)Service程序開發(fā)技術(shù)，選擇C++語言開發(fā)，開發(fā)工具為VC++.net。Web服務(wù)程序采用B/S(Brower/Server）結(jié)構(gòu)，Java語言開發(fā)；系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)采用基于J2EE組件技術(shù)的多層應用體系結(jié)構(gòu)，支持Internet，通過XML技術(shù)提供可跨平臺交換和移植的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)按照需求采取遠程單位分散、逐級集中的管理模式。

圖4 信息管理服務(wù)平臺軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 信息管理服務(wù)平臺架構(gòu)示意圖

2.2 平臺界面設(shè)計

為了使平臺更符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的需要，將二維GIS空間插值分析和展現(xiàn)技術(shù)應用到農(nóng)情數(shù)據(jù)分析中，使得監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析結(jié)果能得到更為直觀的展示。以土壤濕度分析為例，圖6給出了廣東省不同城市土壤濕度的二維空間插值模擬分析結(jié)果。此外，平臺還提供了多種數(shù)據(jù)顯示和查詢方式，用戶可隨時隨地了解當前和歷史農(nóng)情綜合信息（見圖7），操作簡單，結(jié)果直觀，適于不同用戶群使用。

圖6 廣東省不同區(qū)域土壤濕度插值分析模擬界面

圖7 歷史檢測數(shù)據(jù)查詢與多元素分析圖

3 示范及推廣應用

為了驗證研制的硬件設(shè)備及開發(fā)的軟件平臺的實際應用效果，研究組在廣州市農(nóng)業(yè)機械總公司的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備示范基地進行了安裝和使用，現(xiàn)場監(jiān)控情況如圖8所示。此外，研究組還在該示范基地成功建立了智能化監(jiān)控系統(tǒng)、智能化培育系統(tǒng)、漁塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)。

圖8 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備示范基地智能培育及監(jiān)控系統(tǒng)

采用了J2EE架構(gòu)的農(nóng)情信息管理服務(wù)平臺，是一種能提供可創(chuàng)建廣泛兼容的企業(yè)解決方案而無需進行復雜編程的平臺。因此，通過建立與其他應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)溝通通道，并結(jié)合自動分類、智能化文本挖掘和中文信息處理等技術(shù)，便可簡單、方便擴充平臺功能和容量，將不同功能的應用系統(tǒng)進行整合和統(tǒng)一，還可集成企業(yè)OA系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)、視頻會商系統(tǒng)等第三方應用軟件，建成“一站式”綜合農(nóng)業(yè)信息管理平臺。該平臺可提供用戶管理、日志審計、搜索引擎、報警機制、報表引擎等功能，方便用戶對整個平臺進行系統(tǒng)、全面的管理，達到為不同目標用戶提供統(tǒng)一、個性化界面和應用的目的。

目前，研究組已在本農(nóng)情信息監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成了“農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)”、“農(nóng)業(yè)信息采集與處理發(fā)布系統(tǒng)”、“農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣獎一站式審批管理信息平臺”、“農(nóng)機安全監(jiān)理信息管理系統(tǒng)”、“農(nóng)業(yè)機械購置補貼一站式審批管理系統(tǒng)”、“農(nóng)機數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息管理系統(tǒng)”、“農(nóng)機培訓機構(gòu)管理信息系統(tǒng)”、“農(nóng)村能源建設(shè)管理信息系統(tǒng)”、“畜牧飼料行政管理信息系統(tǒng)”、“農(nóng)村遠程教育與培訓系統(tǒng)”、“農(nóng)村沼氣建設(shè)管理信息系統(tǒng)”等10多個農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)，成功為全國不同領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)工作者提供專業(yè)化的農(nóng)業(yè)信息管理服務(wù)。例如，為廣東省農(nóng)業(yè)廳農(nóng)業(yè)機械化管理辦公室建設(shè)了農(nóng)機信息管理平臺，以廣東省農(nóng)機購置補貼完成情況分析為例，平臺根據(jù)農(nóng)業(yè)機械購置補貼工作流程管理規(guī)范的要求，對采集到并經(jīng)過加工處理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，再以直方圖及餅圖的形式直觀地呈現(xiàn)給用戶。又如以面向種子檢測的全國種子檢測實驗室管理信息系統(tǒng)為例，平臺可根據(jù)檢測項目需要和使用人員習慣，生成相應的種子檢測記錄表，支持PDF格式導出，并能實現(xiàn)打印、查詢等功能。此外，研究組還在廣東省動物防疫監(jiān)督總所、廣東省獸藥與飼料監(jiān)察總所、山東省飼料監(jiān)察所、河南省種子管理站等單位進行了推廣應用，不僅產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟收入，同時也為各農(nóng)業(yè)管理部門和廣大農(nóng)民提供了及時信息服務(wù)，進一步推動了我國農(nóng)業(yè)信息化進程。

4 結(jié)語

針對我國發(fā)展現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)的客觀要求，構(gòu)建了集信息采集與信息管理服務(wù)于一體的農(nóng)情綜合信息智能監(jiān)控體系。研制的農(nóng)情信息監(jiān)控設(shè)備具有成本低、性能好、運行可靠、支持多元素信息采集和環(huán)境控制等優(yōu)點，能滿足精細農(nóng)業(yè)定位、快速、精確、連續(xù)測量和實時調(diào)控的需要。配套開發(fā)的后臺通信服務(wù)、信息管理和信息發(fā)布平臺，能有效提高農(nóng)情信息監(jiān)控效率，降低成本，對促進我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展有重要意義。

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