農業物聯網系統架構及應用探討

吳金嬌　晉茂勝　楊小娟

摘要 2012年以來，全椒縣農業信息服務中心與南京瀚之顯電子科技有限公司緊密合作，建設農業物聯網試點示范工程，建成了農業物聯網綜合服務平臺和畜禽飼養、水產養殖、設施種植、稻米生產4大類11個應用示范點，推進了現代農業發展。該研究基于全椒農業物聯網建設實踐，對其農業物聯網系統架構、主要功能、運行效果進行系統分析，提出了相應的啟示與建議。

關鍵詞 農業物聯網；系統架構；應用；建議

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-359-03

鳴謝全椒縣農業物聯網試點示范工程建設過程中，得到了安徽省農業委員會、中國科學技術大學、合肥工業大學、安徽大學、安徽農業大學、中科院合肥智能所、安徽省農科院等單位和領導、專家、教授的大力支持，衷心表示感謝！

收稿日期2015-01-16

在“四化”同步發展的大背景下，農業物聯網應運而生。2012年以來，安徽省全椒縣緊緊圍繞發展現代農業的主導產業，經過調查研究、方案編制、評審論證、招標評標、安裝調試、竣工驗收、運行應用、總結提升等8個環節，全椒縣農業信息服務中心與南京瀚之顯電子科技有限公司緊密合作，精心建設農業物聯網試點示范工程，成功建成了農業物聯網綜合服務平臺和畜禽飼養、水產養殖、設施種植、稻米生產4大類11個應用示范點，向農民提供政策宣傳、產品推介、網上診斷、遠程教育等公共服務，為示范點提供實時監測、視頻監控、生產報警、數據查詢、質量追溯、智能調控、遠程控制等應用服務，發展智能農業，推進了現代農業發展。

1農業物聯網系統架構

1.1總體要求

按照安徽省農業物聯網示范縣重點縣建設工作的要求，以科學發展觀為指導，立足高端發展、創新發展、協同發展，突出市場先導、需求導向和政府引導，創新管理模式、技術模式與商業模式，堅持應用推廣與技術進步相互依托，加快應用示范工程建設，跨越式突破物聯網核心技術，促進現代農業和物聯網相關產業融合，推動農業物聯網有序發展，提升農業生產方式，全面支撐現代農業發展。

1.2 建設原則

1.2.1

總體設計，分步實施。瞄準現代農業未來發展的需要，兼顧當前應用水平，高標準、高起點做好農業物聯網頂層設計工作，積極穩健地建設農業物聯網。數據采集與數據應用分離，采用B/S架構構建農業物聯網綜合服務平臺[1]，并保持足夠的開放度，為未來新的應用預留接口。

1.2.2

先易后難，試點示范。緊盯現代農業發展的薄弱環節，選擇相對成熟的技術作為應用突破口，更早體現成效、實現跨越。采用分布式架構，滿足可擴展、易于維護的要求，平臺之間執行統一采集指令集、統一協議編碼規則、統一數據傳輸格式、統一接口標準[2]。通過試點示范，以點帶面，形成標準，逐步按標準推廣農業物聯網。

1.2.3

量力而行，務求實效。堅持需求導向，切合實際，從最需要的環節破題，不盲目求大求新，把資源投向有明確預期的領域。選用技術成熟的傳感設備，實戰考驗過的采集終端，滿足要求的視頻監控設備，數據信息通過無線傳感網、企業局域網、互聯網、接入綜合服務平臺，有序集成。

1.3系統構架

包括應用基地和綜合服務平臺2個部分，具體架構見圖1。

1.3.1

應用基地硬件設備。包括畜禽精細化飼養（1個種豬飼養、2個肉雞飼養）、水產精細化養殖（1個魚苗繁育、1個蝦蟹養殖、1個鱖魚養殖）、設施大棚精細化種植（1個連棟大棚蔬菜種植、1個連棟大棚石斛栽培、1個日光溫室瓜菜育苗）和稻米精細化生產4大類應用點。由感知層的傳感設備、控制設備和傳輸層的網絡設備組成。

1.3.1.1

感知層。在畜禽舍、池塘、大棚、苗木園部署環境數據采集傳感器和數據采集器，安裝可360°旋轉的高清遠紅外智能球，隨時采集環境數據，拍攝周邊環境圖像。

1.3.1.2

傳輸層。傳感器采集的數據通過有線或無線的方式，經過網關傳輸到移動光纖，再通過互聯網傳輸到服務器；智能球拍攝的視頻信號通過有線方式傳遞到移動光纖，再通過互聯網傳輸到服務器。租用移動帶寬4M網絡，傳輸采集的信號和平臺發出的控制信號。

1.3.2

農業物聯網綜合服務平臺。由基礎軟硬件設施、農業數據與應用支持平臺、農業應用系統3個部分組成。

1.3.2.1

基礎軟硬件設施。主要由實現多源數據接入、存儲、管理、計算、交換的物理設備組成，重點設備為1臺數據服務器、1臺視頻服務器、1臺應用服務器、1臺交換機。租用移動帶寬100 M的光纖網絡、一個固定IP地址和一個域名。

1.3.2.2

農業數據與應用支撐平臺。由提供開發通用開發組件與集成環境的應用開發平臺，實現上下層數據交換功能的數據交換平臺，支撐通用的感知設備、服務應用終端的管理平臺組成。數據庫是平臺建設的核心內容，通過分布式數據庫系統實現農業生產、農業標準、動物疫情、病蟲草害、土壤、氣象、水情、農民遠程教育等數據的集中管理、分類存儲和分級共享，是整個平臺的數據源。

1.3.2.3

應用層。主要是各個農業應用系統，實現平臺的具體業務功能，為全椒縣農業企業、農業主管部門、消費者等最終用戶提供應用服務。將各種農業應用軟件系統統一部署在服務器上，用戶只需擁有能夠接入互聯網的服務終端（如電腦、智能手機等），即可隨時隨地使用該農業物聯網系統提供的服務。

圖1 農業物聯網系統架構示意

2農業物聯網主要功能

2.1綜合服務功能

充分利用和整合全椒縣各種農業信息化資源，建成農業物聯網綜合服務平臺，為政府決策、企業經營管理、基層農業科技人員和農業生產經營主體提供綜合服務。包括：以報道形式的“三農”政策、工作信息的新聞中心功能模塊；宣傳全椒名優特色農產品的名優產品模塊；介紹全椒農業系統專家情況的專家信息模塊；農業專家在平臺上診斷動植物病蟲草害的網上診斷專家模塊；農民在平臺上學習農業技術的遠程教育模塊；平臺上買賣農產品的電子商城模塊和應用示范點通過密碼才能進入智能應用系統的用戶登錄模塊。

2.2 智慧應用功能

2.2.1

畜禽精細化飼養。通過在豬、雞舍內部署傳感器、智能球，實現豬雞養殖的全過程信息化管理。實時采集舍內溫度、濕度、光照強度、CO2、NH3濃度環境數據，并通過有線或無線的方式進行傳輸，實現飼養環境的實時監測[3]。主要功能有：查看養殖場的溫度、濕度、光照強度、CO2、NH3濃度實時數據的實時監測功能；應用者根據需要，自行設置環境閾值，達到或超過閾值時系統自動向手機發送預警短信提醒的生產報警功能；當環境異常時，自動打開風扇、濕簾等生產設備的智能調控功能；人工智能終端開關生產設備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數據的統計、分析、查詢功能；遠程調整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看畜禽活動、生產設備等狀況和舍內環境情況的視頻監控功能。

2.2.2

水產精細化養殖。通過部署溶解氧、pH、水位、水溫、光照傳感器和智能球，實時采集溶解氧、pH、水位、水溫、光照強度的數據和池塘視頻信號，通過有線或無線的方式進行傳輸，實現水產養殖的全過程信息化管理。主要功能有：查看養殖池塘的溶解氧、pH、水位、水溫、光照強度實時數據的實時監測功能；應用者根據需要，自行設置環境閾值，達到或超過閾值時自動向手機發送預警短信提醒的生產報警功能；當溶解氧達到閥值下限時，自動打開增氧機生產設備的智能調控功能；人工智能終端開關增氧機、投料機生產設備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數據的統計、分析、查詢功能；遠程調整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看養殖池塘、生產設備等狀況和周邊環境情況的視頻監控功能。

2.2.3

設施大棚精細化種植。通過溫度、濕度、光照強度、日照時數、CO2無線傳感器，對溫室內的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數、CO2濃度的環境參數進行實時采集；同時在溫室內部署130萬像素可360°旋轉遠紅外線高清智能球，實時采集視頻信號。主要功能有：查看溫室內的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數、CO2濃度數據的實時監測功能；應用者根據需要，自行設置環境閾值，達到或超過閾值時，自動向手機發送預警短信提醒的生產報警功能；當環境狀況異常時，自動打開風扇、濕簾等生產設備的智能調控功能；人工智能終端開關生產設備的遠程控制功能；自動整理、分析、存儲數據的統計、分析、查詢功能；遠程調整無線智能球機的角度，通過視頻圖像，實時查看作物長勢、生產設備等狀況和溫室環境情況的視頻監控功能。

2.2.4

水稻全產業鏈精細化管理。在水稻種植基地從秧苗培育、大田栽培、倉儲加工、質量追溯4個環節，應用物聯網技術，實現水稻全產業鏈精細化管理。在秧田、大田部署傳感器，采集空氣溫度、濕度、光照強度、CO2濃度，水體pH、水位、水溫，土壤溫度、濕度環境參數；在倉庫內部署傳感器，采集稻堆內溫度、濕度等環境參數。應用者根據需要，自行設置稻田、倉庫環境閾值，達到或超過閾值時，自動向手機發送預警短信提醒信息；當水位偏低時，自動打開水泵生產設備進行智能調控；也可用人工智能終端遠程開關水泵等生產設備。在稻田安裝300萬像素的可360°旋轉遠紅外線高清智能球，實時查看水稻長勢、病蟲草害、災情等狀況和稻田周邊環境情況；在加工車間安裝130萬像素的可360°旋轉遠紅外線高清智能球，監控加工包裝情況[4]。在米袋等包裝物上粘貼二維碼標簽，通過二維碼查詢水稻種子信息、生產環境信息、投入品使用信息和從播種到加工的每周一張圖片的連續圖像信息。通過物聯網系統，提供環境監測、視頻觀察、生產報警、遠程控制、數據查詢、統計分析、質量追溯等服務，實現精確感知、精準操作、精細管理。

3全椒農業物聯網運行實踐與展望

3.1運行結果

3.1.1

系統運行穩定。農戶或網民在互聯網上輸入“http//www.qjnywlw.gov.cn”即可登錄訪問全椒農業物聯網綜合服務平臺，各個功能模塊反映速度不超過2 s，沒有無效鏈接或鏈接失敗現象，表現出良好的運行穩定性。

3.1.2

環境監測及時。實時監測數據每5 min自動刷新1次，數據報告、數據圖表更新一致，數據查詢、自動報警、報警記錄、閥值設置、智能控制等功能實現正常，能夠實時監測生產環境。視頻圖像清晰、流暢、自然。人工遠程控制一般在3～5 s，就能打開或關閉生產設備。

3.1.3

操作方法簡單。使用電腦、智能手機在上網的條件下就能登錄綜合服務平臺，平臺使用、智能農業系統應用皆簡單易學，一般經過半天左右時間即能學會使用。應用者普遍感受到：應用物聯網系統，把人從惡劣的環境下解放出來，使農業生產變得簡單、輕松。

3.2啟示與建議

3.2.1

正確看待農業物聯網技術。從全椒縣農業物聯網建設實踐看，農業物聯網已經從研究試驗階段逐漸進入生產應用時期。實時監測、生產報警、數據分析、視頻監控、遠程控制、智能調控等功能能夠穩定實現，農民能夠運用農業物聯網技術輕松進行農業生產，展現了良好的應用前景[5]。但目前也存在很多問題，如供電、網絡、設施設備等基礎設施還不能完全滿足要求，傳感器種類少，大部分傳感器穩定性差、準確性低，使用時間短，價格昂貴，運行費用高，運行維護等后續服務不完善，農業專家系統薄弱、技術人員缺乏等問題。

3.2.2

積極穩健地推進農業物聯網應用。建設農業物聯網既不能過度沖動，盲目冒進，也不能畏首畏尾，無所作為。建議形成點面結合、協同推進的態勢，共同發展農業物聯網事業。在點上，科研機構、大專院校、物聯網企業要整合資源，突破重點，攻克難點，為面上應用提供技術支撐；農業企業、種養大戶等面上應用者要積極穩妥，先易后難，循序漸進，逐步深入推進；面上還要及時向點上提出需求，反饋問題，為點上研究提供方向。政府要做好統籌工作，協調、引導農業物聯網健康、有序、有效發展，防止出現偏差，以免造成損失和浪費。

43卷7期

吳金嬌等農業物聯網系統架構及應用探討

參考文獻

[1]

王磊.農業物聯網中綜合信息管理系統的設計[D].濟南：山東大學，2012（3）：60-62.

[2] 文黎明，龍亞蘭.物聯網在農業上的應用[J].現代農業科技，2010（15）：103-107.

[3] 鄭閃，張曉凌.基于物聯網技術的精細農業信息服務平臺的研究[J].電腦與信息技術，2012（2）：45-46.

[4] 吳帥.我國物聯網的發展現狀與策略[J].科技創業月刊，2010（5）：28-29.

[5] 張妍.物聯網在現代農業中的應用與前景展望[D].哈爾濱：東北農業大學，2011：71-75.