現代農業園區農田監控云服務系統設計

許佳松　劉曉蒙　張正陽　宋勇建

隨著農業現代化的建設對農業環境數據的要求越來越高，本文利用物聯網技術構建監控網絡，通過網關與計算機網絡構成一個基礎的數據收集體系。在將網絡中獲取的數據傳輸到云端，利用云構成的計算機分布式系統讓遠程大規模監控農業環境數據成為可能。本文將監控終端、云端服務、底層數據庫建模、終端用戶的系統融合到一個平臺內，讓平臺可以提供更加豐富多元的方式，在唐山臥龍谷現代農業科技園區實踐達到了低成本部署和多元化管理的目標。

隨著農業現代化的建設對農業環境數據的要求越來越高，農業中越來越多的采用信息技術實現空間定位、時變、異變、定時、定量對農業形成一整套的信息化管理方案。本文以唐山臥龍谷現代農業科技園區為實驗基地，在園區現有網絡基礎設施基礎上，增加布設物聯網農田監測基站，實現農田環境、果樹長勢、病蟲害、生產信息記錄（施肥、用藥、調整溫度、土壤濕度、光照等）的信息采集和標準化，建立基站、企業服務器端、云端的數據通道，實現云端數據與服務器數據同步，在云端提供數據分析和云服務。本研究將以數據采集端、基地（企業）服務端、云服務端為基本架構，研究系統集成中數據通信、數據存儲、數據分析與服務的關鍵技術，開發適合農業科技園區的云服務系統。

1、系統設計

本文的設計重點是，結合唐山臥龍谷實際情況，設計一套適宜農業科技園區，集物聯網基站數據采集、本服務器、云端服務于一體的生產監控云服務系統。因此，系統的設計方向上主要是兩大部分，一個部分是圍繞網絡結構和物理設施部署的方案設計，另一個部分是圍繞云服務平臺構建完善的軟件系統。

在硬件環境上要考慮唐山臥龍谷現有的網絡設備設施，不搞重復建設盡可能利用現有的網絡建設。目前園區已實現了WIFI全覆蓋、視頻監控、園區服務器及服務平臺已投入運行。從設備功能上劃分，前端功能主要是各種傳感器構成的傳感網絡和各種攝像頭溝通才的視頻監控網絡。園區內部有園區內部的基礎設施和服務器，后端的云端可以利用目前的學校數學與信息科技學院云中心提供的云服務部署云端系統。用戶終端可以用PC通過有線接入云端，也可以利用移動終端采用3G/4G網絡訪問訪問云端數據。

目前傳感網絡主要采用485總線組網設計連接傳感器，然后通過環境監測主機匯聚數據，在鏈接交換機，進入IP網絡與園區內部對接。攝像頭通過本地服務器推流轉發數據和信令與交換機鏈接接入內部網絡。最后，園區內部網絡與數據中心的云端對接，目前數據中心已具有H3C全套云服務設備，可提供云服務。

在軟件上要充分發揮云計算的能力，設計上采用縱向的微服務劃分和橫向的系統分層設計。在層次上分為終端層、應用層、數據層、傳輸層和感知層。

由下到上，感知層主要從傳感器上獲取的數據，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度、風向風速等基礎監控。這些數據通過網關和傳輸層接入到系統的數據層，數據層負責把數據進行標準化、結構化和歸一化處理，統一匯聚到系統的數據庫。在云端利用分布式的關系型數據庫，將大量數據根據業務特征分散到數據聚合平臺上。然后在應用層根據聚合數據映射到數據分析模型上，從而降低了系統的耦合性，數據在不同的業務平面有著不同的表示和映射關系。在應用層，利用云服務設計將業務劃分成傳感監控、數據控制、圖像監控和云服務管理，通過業務網關和安全網關設計，提供上層的終端層更為豐富和可靠的數據交互體驗。終端層提供了傳統的PC終端和移動終端兩種訪問模式，從而保證了用戶更為多元的管理需求。

2、 系統應用

本文的設計方案最終在唐山臥龍谷現代農業科技園區實施，利用園區現有網絡基礎設施，增加布設以物聯網農田監測基站，實現農田環境生長信息記錄（空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照等）的信息采集和標準化，建立基站、企業服務器端、云端的數據通道，實現云端數據與服務器數據同步，在云端提供數據分析和云服務。讓用戶可以直觀的通過云端訪問到實際數據。

系統通過數據采集端、基地（企業）服務端、云服務端為基本架構，為用戶提供了統一的服務入口，讓用戶可以在一個系統內就可以獲得詳實的數據。數據環境對比，決策調整優化參數（土壤濕度、降水量、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強度、CO2濃度等），也可以根據當前的土壤環境生成決策建議供用戶選擇合理的種植作物。同時，利用云服務完成農業園區氣象數據可視化，快速生成園區氣象數據報告，讓用戶可以獲得更為及時的數據體驗。移動端和PC終端都可以通過不同的網絡接入服務訪問云端的數據實體，根據不同的網絡訪問由云端調度不同的應用服務，滿足不同的應用的場景，從而避免了重復建設不同應用的代價，達到了易于部署的效果。

綜上所述，本文通過對農業環境監控領域研究借助云端服務和終端設備、通信設備構建了一個完整的基于服務的農業環境監控體系，最終用戶利用移動終端和WEB方式獲取監控信息，輔助用戶監控。本文利用在物聯網成熟的總分結構傳感技術實現自組網的模式構建了一個監控局域網，通過數據網關將物聯網和計算機網絡構成一個整體，從而實現了物聯網數據與計算機網絡互聯互通。終端用戶利用APP在移動網絡上就可以共享數據，同時還可以利用WEB訪問云端服務共享數據，系統的核心功能均在云端提供服務實際應用中具有較低的部署成本和完善的應用功能。

（作者單位：066004河北科技師范學院）