設施栽培物聯網智能監控與精準管理研究

韋劌

摘要：主要通過搭建物聯網的系統架構實現對設施農業栽培的過程中所產生的各種生產環境因子進行實時監測和智能控制，可根據實際情況實現開環及閉環智能化控制，設施農業溫室大棚中調節室內小氣候的各種措施所使用的電動設備，增加無線遠程控制功能，并將各種控制開關集成到農業物聯網大平臺中，達到智能監控與精準管理一手抓。可以實現對設施栽培中影響作物生長的主要環境因子實時監測，包括空氣溫濕度，光照強度，土壤水分等數據，無線遠程智能控制器可根據用戶設定的在底層完成對風機，濕簾，水泵，卷膜機等生產環境調節設備的控制，并將數據及控制過程傳輸到互聯網應用平臺，及時的展現給園區管理員或用戶。

關鍵詞：物聯網;設施栽培;智能監控;精準管理

中圖分類號：S668.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0137-04

0 引言

農業物聯網是通過采用大量的傳感器采集節點、傳感器匯聚節點、攝像監控設備、儀器儀表等各類感知設備構成智能監控網絡，采集農作物種植的各種環境信息和生長因素，并通過互聯網和無線網絡穩定可靠地傳輸農業相關數據信息，并將獲取的數據信息進行處理和計算，然后展現到智能操作終端上，從而使農業生產過程更加自動化、智能化，進而達到增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。目前，世界各國都在廣泛深入研究農業物聯網技術，但還處于試驗和示范階段。美國在農業施肥噴藥、大型噴灌機的精準控制等控制技術開始產業化應用;日本以輕便型智能農機具為特征的精確農業，提供智能化的農業物聯網操作終端，實現田間的施肥管理、收成的預測和病蟲害的控制防治;荷蘭建成溫室農業高效生產體系，通過計算機控制的噴淋、滴灌灌溉和人工氣候系統，溫室的光照、需水量、需氧量實現定時定量供給[1]。

近些年我國隨著城鎮化發展迅速，大量人員進入城鎮務工，導致農村的務農人數不斷減少，農耕方式也由最初的小規模種植模式逐步向大規模種植模式轉變，這就要求農業上利用自動化和智能化的科學技術來提高農業種植產量和效率[4]。而目前，我國的農業種植及管理工作大部分仍然是人工來完成，信息化、自動化、智能化程度較低。雖然目前我國農業科技水平在逐漸的提升，在農業方面的科技水平也取得了一定的成果，但是在智能監測和控制農業生產過程中依舊不是很穩定。而物聯網作為現代信息化技術的重要組成部分，將其運用在農業生產管理上會使得農業生產更加精細化，還可以使人力成本降低，同時還能獲取到大量的農業生產數據及信息，還可以對一些農業控制設備進行智能化的遠程控制，從而提高農業生產能力實現科學高效的農業種植。因此，物聯網技術在智慧型農業發展中有著十分廣闊的前景。

1 系統總體方案設計

系統通過安裝空氣溫濕度、土壤水分濕度、PH值、空氣光照強度、風速等多種傳感器，采集農業生產環境數據。借助數字高清網絡攝像機，監控農作物的生長狀況。利用變頻控制柜、電動閥門等，實現遠程智能化控制農業生產。搭建物聯網云平臺，將數據上傳至服務器與云端平臺存儲分析并實時通信，為農業生產管理者提供云平臺的訪問服務，從而及時干預生產，保證農作物的正常生長。如圖1所示。

系統架構由設備層、傳輸層、服務層、業務層和應用層構成。其中設備層由各種采集設備、控制設備和執行機構組成，包括農業環境傳感器和農業動植物本體（生命）信息傳感器，實現對空氣溫濕度、光照強度、肥料濃度、土壤水分、動植物自身生理狀況等農業對象或動植物行為等過程的信息獲取，并且由一定的執行機構對相關農業設備如：風機、水泵、電動閥、濕簾等進行有效的控制;傳輸層主要是將感知層獲取的各類數據信息，根據不同情況選擇不同的通訊方式，通過有線或無線方式傳輸到應用層，在選擇通訊方式時要考慮墻體厚度及材質、田間的地形地貌、遮擋物、作物高度對通訊的影響;服務層主要包括一些設備接入服務、PC端接入服務、移動端接入服務、提供SDK服務以及FTP圖片服務等;業務層主要是給用戶提供一些業務服務，例如首頁展示、系統基礎管理、站點管理、設備管理、園區管理以及運營管理等;應用層是由預設的應用規則及農業專家系統建立基于業務邏輯的管理控制策略和模型，將感知輸出的各種數據信息，通過數據挖掘決策，將有效的數據信息展現在終端設備，并為農業生產管理提供高效的信息服務和智能管理控制的具體措施，應用可以做到閉環控制。

2 主要技術研究及實現

2.1 移動通信技術

移動通信是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動通信是進行無線通信的一種現代化技術，它是移動互聯網發展與電子計算機發展的重要成果之一[2]。進入21世紀，移動通信技術已經逐漸成為社會發展和人類進步的重要工具。移動通信技術經歷了1G、2G、3G、4G和5G的發展歷程，1G以模擬技術為基礎，已經被淘汰;2G以數字語音傳輸技術為核心，實現了通話的功能;3G是支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術，能同時傳送聲音和數據信息;4G是集3G與WLAN與一體，能夠快速傳輸數據、高質量音頻、視頻和圖像等，4G有著不可比擬的優越性;5G是最新一代蜂窩移動通信技術，它的性能目標是高速率、少延遲、省能源以及能降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。

本課題將采用4G網關節點，將監測到的農田環境信息以及農業種植的相關控制設備接入平臺。將相關農業信息數據以及設備接入平臺后，為了保證設備能長期穩定在線，采用了建立心跳幀的方法實現與平臺服務器的雙向連接，進而實現數據的及時上傳和及時接受平臺下發的設備控制指令。

2.2 無線通信技術

無線通信技術[2]是一種遠距離傳輸通訊方式，它不經由導體或纜線傳播數據信息。目前，比較成熟的無線通信方式主要包括Wifi、NB-IOT、ZigBee、LoRa等，各種通信方式都有其各自的性能如表1所示。由于農業的環境比較復雜，農業物聯網中的信息傳輸要根據實際情況選擇合適的通訊方式，而不能將現有的通訊技術簡單搬來使用。如果在布設中有一定的農業基礎設施，那么在選擇通訊方式時要考慮墻體厚度及材質，因為墻體厚度及材質會對傳感器節點之間信息通訊產生一定的影響;而對于大田作物來說，田間的遮擋物、田間的地形地貌、作物的高度也同樣會對節點通訊有影響。在表1中，ZigBee和Wifi的傳輸距離不長，適合用在溫室大棚、智慧家居等場景。LoRa的傳輸距離較遠而且功耗低，在布設規模較大的農業物聯網節點的過程中可以使用。而NB-IOT構建的蜂窩網絡并沒有完全在野外農業環境中實現覆蓋，因此本課題不采用NB-IOT無線通信的方式。本課題目前大多為大棚種植區，主要監控和采集一些設施栽培傳感器的數據，因此采用ZigBee通信技術即可實現設施栽培環境信息監測站以及灌溉控制節點的通信功能。在實際的布設過程中，根據園區的情況按需求布設合適數量的節點，從而有效的感知園區信息有效和進行設備智能化的控制。

2.3 信息感知技術

信息感知技術[2]的核心是傳感器，它是農業現代化信息的基礎環節也是農業物聯網的關鍵。通過在栽培園區部署傳感器，采集園區影響作物生長是數據參數，如：空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤水分、土壤溫度等。這些傳感器的部署為監測農業環境和精細化管理控制提供了有效的數據和技術解決方案。農業傳感器技術主要包括電化學感知技術、光學感知技術、電學感知技術以及遙感學感知技術。電化學感知是以修飾電極、待測物質分別作為轉化元件和敏感源，把電流、電勢或者電導等作為特征檢測信號的機理。光學感知的傳感器不需要與被檢測物質發生化學反應的電極，穩定性與重復性較好，能夠實現長期在線監測。電學感知技術在農業物聯網中主要用于溫度、濕度的測量。遙感學的理論基礎是物質成分在不同波段電磁波下的光譜吸收和反射特征。農業遙感技術對大面積露天農業的監測和管理具有很好的作用，可以讓農作物種植種類分散、地域復雜等難題得到很好的解決。在本課題的研究中，主要應用到了電學感知技術和遙感學感知技術，用以采集栽培作物園區的生長數據參數，如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤水分、土壤溫度等。

2.4 數據采集技術

在大多栽培園區，由于采用的傳感器采集節點使用電池供電，導致采集的參數單一、采集數據周期過長[3]。因此，在系統設計的過程中大多為了降低功耗、延長傳感器的生命周期，就不得不降低采集頻率，但這樣就會導致系統數據實時性變低，并且不能實時的對作物的生長環境信息進行監測和精準的控制管理。這是其中一個農業環境數據采集所面臨的困難。

為了解決這個問題，各個傳感器節點的部署通常結合作物種植的實際過程人為預先設定確定的方式。本課題主要通過Modbus-RTU通信協議的搭載，實現對農田環境數據的采集和監測。如圖2所示。系統給各個從機傳感器設置了各自的總線訪問地址，終端控制器通過輪詢的方式與各個傳感器進行雙向數據的交互。系統這樣的設計方式，可以實現多節點監測并獲取能實時進行多種類型數據參數的采集，保證了傳輸的實時性。

2.5 物聯網云平臺

物聯網云平臺[2]是專門為物聯網制定的云平臺，是以“互聯網”為基礎，將其用戶端擴展和延伸到物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念，它可以實現海量設備的無線接入以及海量數據信息存儲。云平臺主要研究的問題有：設備接入協議適配、設備連接規則引擎、數據云存儲等常見問題。物聯網云平臺的終端數量是海量級別的，比起普通互聯網的終端數量要多出幾個數量級。通用的物聯網平臺一般具有以下幾個功能：（1）設備通信。這是最基本的功能。在進行通信之前，需要定義要相關的通信協議，還要提供不同網絡的設備接入方案，例如2/3/4G、NB-loT、LoRa等。在需要時，提供一定的設備端SDK及SDK源代碼，這樣可以減少一定的客戶端工作量。（2）設備管理。每個設備需要有一個唯一的標識方便管理，并且要控制設備的接入權限，管理設備的在線、離線狀態，設備的在線升級、設備注冊、刪除、禁用等功能。（3）數據存儲。必須要有可靠的數據存儲技術來存儲海量的連接數量和海量的數據信息。（4）安全管理。必須要對各種接入設備的安全連接做出充分保障，并且要有不同的權限級別。（5）人工智能處理技術。面對物聯網的海量數據信息，很多都是需要進行分析和處理的，這些數據里蘊含著對人類生產、生活、科學研究極高的價值。

目前，國內有幾大公司都在積極建設物聯網云平臺，比如華為的“Ocean Connect”、百度的“天工”、阿里巴巴的“阿里物聯”、中國移動的“OneNET”以及通訊的“QQ物聯”。這些物聯網云平臺都為用戶提供設備接入、設備管理、數據存儲、安全管理、服務應用等一站式服務。

課題采用阿里云作為設備接入的智能物聯網平臺，只需要配置一些簡單參數，就可以將農作物種植園區的各種設備接入云平臺。該平臺是設備、平臺及應用三級聯動的宏觀調控的架構。首先將園區檢測站各種傳感設備獲取到的空氣溫濕度、光照強度、大氣壓力、土壤PH值、土壤水分、土壤溫度、二氧化碳值、渦輪流量值、園區風速等數據信息以通過4G網關節點實時傳送給云平臺。然后在云端，可以獲悉農作物種植園區的各種作物生長環境因子、環境氣象因子，讓用戶能更清晰的了解作物生長的情況以及設備運行的狀態，從而讓用戶根據需要控制各種設備的運行，讓平臺將這些控制指令下發到園區監測站的控制設備中。可以根據用戶的實際需求設計平臺端，實現對設備的數據管理、操作權限設置、數據信息可視化展示以及歷史數據統計分析等功能。

3 結論與展望

雖然物聯網技術與現代農業技術的結合在農業生產中還存在著一些問題，但是隨著科技的發展以及農業現代化的推進，物聯網技術與現代農業技術的結合會在農業生產中發揮極其重要的作用，同時這也是未來農業發展的趨勢。中國農業將進入一個新的發展時期。

參考文獻

[1] 李道亮，楊昊.農業物聯網技術研究進展與發展趨勢分析[J].中國農業文摘-農業工程，2018，30（2）：3-12.

[2] 陳玉兵.基于物聯網的農田環境監測及灌溉控制系統研制[D].西安：西安郵電大學，2019.

[3] 阮正鑫，陳勝倩，林志林.基于物聯網技術的智能農業自動控制系統[J].南方農機，2017，48（16）：98.

[4] 付佳，安增龍.基于農業物聯網技術的智慧農業研究進展[J].現代農業科技，2020（5）：232-233+235.