農業物聯云的設計與實現

程宏杰++朱震宇++陳澤

摘要：近年來，我國農業物聯網建設方興未艾，但建設過程中面臨的成本、維護、使用等諸多困難，極大地限制了農業物聯網的推廣和普及。針對上述傳統農業物聯網存在的問題，提出了一種新型農業物聯網建設應用的模式作為現有農業物聯網發展的突破口即農業物聯云。本試驗所研究的農業物聯云打破了原有物聯網的組合模式，使得傳感器可以通過智能物聯網網關直接將數據上傳至云端，由云端的物聯云平臺進行存儲、分析、發布和共享，數據以云服務的方式提供給使用者直接使用，或根據業務流程開發應用程序內嵌使用，平臺不僅降低了傳統農業物聯網的建設成本，還大大降低了系統的開發難度和維護成本，為農業物聯網的發展提供了一種可行的解決方案。

關鍵詞：農業物聯網；云計算；智慧農業；物聯云網關

中圖分類號：S126文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）03-0179-05

收稿日期：2016-09-07

基金項目：江蘇省宿遷市“互聯網+農業”公共服務管理平臺建設（編號：2016sqnw001）。

作者簡介：程宏杰（1962—），男，江蘇泗陽人，高級農藝師，研究方向為農業信息化。E-mail：sq4374161@163.com。

通信作者：朱震宇，碩士，研究方向為農業信息化。E-mail：zhenyuzhu@126.com。

我國農業要想實現高產、優質、安全可持續的發展，必須借助科學技術手段，充分將信息化與智能化技術與傳統農業相結合，以推動農業現代化的發展[1]。農業物聯網作為實現農業現代化的主要技術之一，其實質是物聯網技術在農業生產以及管理方面的應用，通過無線網絡和互聯網傳輸，將采集到的農業生產過程相關信息進行融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現農業產前、產中、產后的過程監控、科學決策和實時服務[2]。當前，世界范圍內農業物聯網技術研究廣泛深入[3]，自2009年以來，我國農業物聯網的發展進入了快速發展階段，智能感知、無線傳感網、云計算與云服務等物聯網相關技術正在向農牧業生產、食品溯源、農產品供應鏈管理等領域滲透，已成為物聯網技術發展和應用的重點與新方向[4]。事實證明，積極推進農業物聯網的應用發展，對促進農業信息化和農業現代化的融合具有重大意義[5]。但當前的農業物聯網技術仍存在以下問題：

（1）建設成本高。現階段，物聯網在農業方面的應用基本上是一些小型示范工程，每個示范項目都需要“采集-傳輸-存儲-發布”一整套設備，并需要開發相關軟件，建設成本高。

（2）維護成本高。需要專業維護人員對傳感器、網絡、服務器、軟件等進行維護，維護成本高。

（3）數據無法共享。目前我國農業物聯網產業商業模式并不成熟，農業物聯網的技術體系尚未形成統一的標準，因此各個示范工程的數據結構、數據類型都存在著明顯差異，無法進行有效的數據共享和數據整合。

（4）標準化難度大。我國農業物聯網產業還處于初級階段，沒有統一的標準體系出臺，且分散建設導致技術標準、安全性、協議、終端等方面存在差異，在實際使用過程中，存在一系列技術問題。

（5）日常使用復雜。農民自身文化素質還不夠高，缺少懂科技、懂電腦、懂網絡、懂市場、懂管理的新型知識型農民，難以實現農業物聯網的日常使用。

1農業物聯云技術原理

傳統的農業物聯網建設采用的是“傳感器+數據采集終端+服務器軟件”組合的模式（圖1）進行實施，即在進行農業物聯網項目建設時需要在生產現場配備一整套設備并根據生產管理須求開發相應軟件才能實現。換言之，在農業生產過程中須要建立的各種管理系統均須根據各所建系統的目的配備多套的硬件與軟件組合系統。比如，農業生產過程中的設施農業物聯網系統、質量追溯系統、視頻監控系統等都需要各種獨立的傳感器、數據采集器、編碼器、傳輸網絡、服務器、工作站等生產現場硬件設施和各自獨立的應用系統。該實施模式存在實施周期長、開發復雜、數據共享程度低等問題，同時也造成了一定程度上的浪費。[FL）]

隨著信息技術的發展，“云計算”的概念被越來越多的人所熟知，其與農業物聯網技術的結合（農業物聯云）為傳統的農業物聯網技術注入了新的能量。本研究以物聯網技術為依托，以云計算提供的基礎數據采集、管理等基礎服務和各種農業專用服務為核心，以數據標準化為基礎，以智能物聯云網關為接口，以便攜式智慧終端為手段，建立了可實現實時監測、遠程控制、數據查詢、通告預警等服務的農業物聯云系統。

本研究的農業物聯云打破了原有物聯網“傳感器+數據采集終端+服務器軟件”的組合模式，使得傳感器可以通過智能物聯網網關直接將數據上傳至云端，由云端的物聯云平臺進行存儲、分析、發布和共享，物聯云應用模式詳見圖2。數據以云服務的方式提供給使用者直接使用，或根據業務流程開發應用程序內嵌使用。即只要是進行農業物聯網項目的建設，不論是農業生產過程中的設施農業物聯網系統、質量追溯系統還是視頻監控系統，只須要將傳感器、讀卡器或視頻監測設備直接通過物聯云網關接入到物聯云服務，即可將獲取的數據實時上傳到云平臺中，不僅降低了傳統農業物聯網的建設成本，還大大降低了系統的開發難度和維護成本。[FL）]

2農業物聯云的設計與實現

2.1體系結構

本研究建立的農業物聯云平臺包括數據層、組件層、服務層、平臺層以及業務層5個層次：

（1）數據層包括在線數據中心和離線數據中心，在線數據中心實時記錄生產現場發生的各類數字、視頻信息，離線數據中心存儲了某一階段的信息，方便用戶進行數據分析。

（2）組件層包含多種應用組件，例如地理信息平臺組件（GIS）、報表組件、視頻服務組件、數據分析挖掘組件、采集控制組件、數據交換平臺組件、服務容器組件、數據監控組件等。

（3）服務層即向用戶提供多種應用服務，主要包含地理信息服務、業務系統服務、視頻服務、數據分析服務、專家平臺服務、其他終端業務服務。

（4）平臺層是以平臺的方式運行多個應用平臺，這些平臺基于統一的數據標準進行處理，所有平臺的數據都可以進行交互和分享。

（5）業務層則支持通過瀏覽器、移動終端、客戶端、硬件設備等方式完成系統信息的訪問和系統功能的操作。

系統以農業物聯網大數據中心為后臺支撐，采用分布式的硬件配置模式，現地只須安裝傳感器和物聯云網關，物聯云網關將傳感器采集的農業生產過程中的環境參數、生長狀態和設備工況轉換成標準數據，再將處理后的數據通過云平臺的數據采集服務上傳至云端。云平臺經過對數據的加工、運算、整理后，通過標準的數據查詢、顯示和分析服務將數據提供給運行于手機、計算機、平板計算機等設備的終端應用，實現用戶對農田的遠程監控。用戶通過對云平臺提供實時農田、作物生長信息進一步進行命令反饋，物聯云平臺架構詳見圖3。如管理者通過農田土壤墑情的監測發現，土壤含水率已接近作物生長的適宜含水率下限時，即可發出開啟水泵命令，通過一段時間灌溉后，土壤含水率處于適宜含水率時即可發出關閉命令。

與此同時，對于部分自成體系的農業自動化系統，如水肥一體化系統、植物工廠等，可以使用物聯云軟網關與現地的PLC（可編程邏輯控制器）連接，獲取實時生產數據，并將數據上傳至物聯云平臺和大數據中心，實現對生產過程的遠程監控。

2.2物聯云網關

農業物聯云網關是一種嵌入式智能物聯網設備，是農業物聯云的關鍵設備。該設備實現了將前端傳感、控制設備與云端數據服務的集成，其目的在于實現農業生產現場多種數據采集與控制設備的通信協議到農業物聯云服務所需標準協議的轉換，即實現信息采集控制系統的接口標準化，并將采集到的數據發送到云端的數據采集服務上。在此基礎上，構建一個統一規范的、擴展性較強的，可以提供豐富數據服務的通用應用層網關。對于任何開關量、模擬量、RS485和RS232接口的現場采集、控制設備，都可以通過簡單配置或開發適配模塊，接入智能物聯云網關。農業物聯云網關的結構如圖4所示。

物聯云軟網關是一種為實現數據標準化而開發的軟件程序，與現地PLC的連接共同實現了硬件物聯云網關的作用，其結構詳見圖5。部分自成體系的農業自動化系統擁有各自數據結構、數據類型與感知技術，這些感知類網絡技術一般都應用在局部區域內，且系統之間采用的通信協議也是不盡相同的，因此自成的農業自動化系統就構成了一個個信息的孤島，無法實現網與網之間通信。物聯云軟網關在農業自成系統傳感技術的基礎上與現地PLC連接，可以實現感知網絡、現地控制網絡與通信網絡， 以及不同類型感知網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。

2.3物聯云服務

農業物聯云服務即以物聯云平臺為基礎設施，向平臺使用主體提供農業生產過程中所需要的一系列服務模式。根據農業生產管理需求可將物聯云服務類型分為3類：數據采集與設備管理類服務、標準數據服務以及農業專業服務。

2.3.1數據采集與設備管理類服務

數據采集與設備管理類服務是農業物聯云平臺應用的基礎服務，是物聯網應用管理的核心部分，也是主要信息流、工作流發起的地方。系統可以靈活地根據農業生產的要求進行設備的添加、刪除、維護、設備協議匹配、設備管理定位、數據采集管理、數據采集等工作。同時，提供可訪問的計算機軟件界面，通過界面可以查看到所采集的環境參數值，并可以進行數據的設定、存儲、報警等工作。

2.3.2標準數據服務

標準數據服務提供了一個內置的農業物聯網系統的數據字典，規范所有進入系統的數據，構建專屬于農業行業的數據集市，提供數據存儲、數據顯示、數據查詢、數據統計、數據分析、數據分享等服務。

2.3.3農業專業服務

農業專業服務是物聯網平臺面向農戶提供服務的多個應用系統的集合，隨著平臺推廣的不斷深化，專業服務也不斷地進行維護和提升。典型服務可能包括節水灌溉、大棚管理、水產管理、禽畜管理等。

2.4物聯云應用系統

專業用戶可以使用農業物聯云服務便捷地開發自己的農業物聯網應用系統，可以根據專業應用進行開發，如智慧畜牧云平臺（圖6）、智慧水產云平臺、經濟林果云平臺、病蟲害遠程診斷平臺（圖7）等；也可以根據區域進行開發和集成，如智慧園區平臺、智慧農場平臺或宿遷市智慧農業平臺等。

3應用實例

本研究的農業物聯網系統已在江蘇省南京市、宿遷市等多地現代農業園區得到應用，并以穩定的速度逐步推廣和完善。下面以該平臺在宿遷市的應用實例詳細說明本系統已取得的成果。

3.1逐步整合宿遷市及下轄各縣農業物聯網示范點

在宿遷市政府的有力支持下，根據當地農業發展的情況，在局部地區有條件地逐步建設農業物聯云示范點。平臺通過標準的接口，對當前已建和即將建立的示范點信息系統進行統一整合，利用網絡技術，對示范點內的信息流、數據流、業務流加以轉化和清洗，最終構成全平臺適用的標準數據包。該標準數據包能夠按照客戶的要求，傳遞到平臺中心和各個物聯網示范點上，共同完成總體的生產工作。

3.2建設宿遷農業物聯網支撐運維平臺

建設的支撐運維平臺主要負責平臺內部信息的設置和運維工作，運維平臺的具體構成詳見圖8。

[FK（W20][TPCHJ8.tif][FK）]

3.3建立宿遷市農業綜合管理系統及APP

包含后臺服務、門戶系統、移動APP 3個部分。后臺服務即是對網站數據庫和文件的快速操作和管理系統，以使得前臺內容能夠得到及時更新和調整；門戶系統是發布農業物聯網相關的各類互聯網信息資源并提供有關信息服務的應用系統；而移動APP主要是向客戶提供移動化的信息訪問服務。

3.4宿遷市智慧農業綜合視頻管理平臺

視頻服務采用流媒體服務器來實現，既可解決因DVR等設備的連接路數有限而造成的設備壓力較大問題，又解決了當客戶端和設備在不同的網段時不能進行設備訪問的難題，同時還提供了點播PC錄像文件的功能。

3.5整合了農產品質量追溯平臺

通過云平臺提供質量溯源和反向溯源管理系統，方便消費者查詢農產品生產、存儲、加工、流通全過程，同時也使商家與平臺管理用戶可以看到自己的商品在何時何地被手機掃過條碼進行追溯，并可對商家農產品的關注熱度進行分析，其分析維度可按時間、地域、品種、商家、品牌等信息進行分類，其最終目的在于反向指導商家生產。

4結論

本研究的農業物聯云平臺是以物聯網技術為依托，以云計算提供的基礎數據采集、管理等基礎服務和各種農業專用服務為核心，以數據標準化為基礎，以智能物聯云網關為接口，以便攜式智慧終端為手段，實現實時監測、遠程控制、數據查詢、通告預警等功能，有效解決傳統農業物聯網技術所存在的問題，有效降低建設成本、維護成本和人力勞動成本，從而實現數據共享、數據標準化，簡化日常使用的復雜程度。經過不斷的設計與完善，農業物聯云平臺已逐漸趨于成熟，在多處地市農業園區得到應用與推廣，并取得了一定的成果，獲得了多項專利和軟件著作權。

參考文獻：

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