基于Java Web的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

作者簡介：杜朋軒（1991—），男，碩士，講師，研究方向為軟件技術(shù)。

陳芳（1975—），女，碩士，副教授，研究方向為軟件開發(fā)。

曹夢川（1990—），男，碩士，助教，研究方向為人工智能。

基金項目：第一批校級教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊立項建設(shè)（寧職院發(fā)（ 2022 ） 16號）。

摘 要：我國作為農(nóng)業(yè)大國，其生產(chǎn)環(huán)境具備物品多樣化、分布范圍廣泛化等特點，并且農(nóng)業(yè)種植地點位于農(nóng)村，交通不便利，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不發(fā)達(dá)，因此在信息采集方面會比較困難。正是因為信息采集得不夠精準(zhǔn)、快速，使得很多農(nóng)作物的生長狀況無法第一時間反饋給農(nóng)戶，讓其根據(jù)農(nóng)作物的實際情況來去做一些調(diào)整，以此來保證農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。而隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)運而生，一種基于Java Web為主的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)逐漸被設(shè)計出來，并實踐到智慧農(nóng)業(yè)中，幫助農(nóng)戶對農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)護(hù)，有效地保證了農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。基于此，對基于Java Web的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：Java Web" 農(nóng)業(yè)信息" 采集系統(tǒng)的設(shè)計" 智慧農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP273

Abstract： As a major agricultural country， China's production environment is characterized by diversified items and wide distribution， and agricultural planting sites are located in rural areas with inconvenient transportation and undeveloped network technology， so it is difficult to collect information. It is precisely because information collection is not precise and fast enough that the growth status of many crops cannot be reported to farmers in a timely manner， so that they can make some adjustments based on the actual situation of crops to ensure the production quality and yield of crops. With the development of information technology in China， smart agriculture has emerged. A smart agriculture information collection system based on Java Web has been gradually designed and applied to smart agriculture to help farmers monitor crops， which effectively ensures the production quality and yield of crops. Based on this， this article studies the design of the smart agriculture information collection system based on Java Web.

Key Words： Java Web; Agricultural information; Design of the collection system; Smart agriculture

近幾年，我國農(nóng)業(yè)部門一直在致力于智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以此來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，節(jié)省人力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，使滯后的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展，讓現(xiàn)代農(nóng)業(yè)變得更加精準(zhǔn)和高效。而發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)離不開信息技術(shù)的支持，將信息技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不僅可以提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，還能改善農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展水平。信息技術(shù)包括各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感器、光感掃描、3S技術(shù)智能裝備、遙感設(shè)備等，將其跟農(nóng)產(chǎn)品結(jié)合在一起，可以對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤、定位、識別以及信息交換等。隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)的信息采集方式變得更加簡單、編輯、自動化、智慧化。信息采集主要是采集農(nóng)作物的背景環(huán)境、生產(chǎn)活動、生長狀態(tài)、投入品、設(shè)備設(shè)施、農(nóng)產(chǎn)品加工、保存、檢驗檢疫、農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境、水文環(huán)境等，然后對這些信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并將分析到的結(jié)果傳輸?shù)街腔坜r(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，以便參考[1-2]。信息采集的方式有很多種，如手工錄入、手機App、RFID掃描、GPS，以及遙感解析等方式，每一種方式都有自己的獨特的優(yōu)勢和特點，而本文研究的是基于Java Web為主的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以此來為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供參考。

1" 智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的基本概述

智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)主要是采集農(nóng)作物的相關(guān)信息，如農(nóng)作物的生長環(huán)境，空氣的濕度、光照度、二氧化碳的含量、土壤的濕度、pH值、水流量、水的pH值、含氮量、體溫、直徑、厚度等，因此，該系統(tǒng)需要具備隨身、音像、掃描、廉價、GPS、App等各種特點功能。例如：隨身，即其需要隨時隨地地監(jiān)測農(nóng)間地頭的實際情況；音像，即需要通過錄音、照片或者視頻的方式來進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的記錄；掃描，即快速地識別、讀取數(shù)據(jù)信息；廉價，即要性價比高的信息采集；App，即需要通過手機App即可以實現(xiàn)在線監(jiān)測的功能；GPS，即需要有定位、自動記錄位置或者路線的功能[2]。

2" Java Web基本概述

Java是一門編程語言，其屬于一種跨平臺，并且適用于分布式計算環(huán)境的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。Web是則是跨平臺的分布式圖形信息系統(tǒng)，其建立在Internet上的一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為瀏覽者提供圖形化的服務(wù)。而基于Java Web為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)則是一種基于超文本和HTTP的、全球性的、動態(tài)交互的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，其具備簡單性、安全性、動態(tài)性、高性能，以及多線程性等特點。用Java Web編寫的程序可以不用做任何的修改便可以在不同的平臺上投入使用。

3" 基于Java Web智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計

3.1" 總體方案

因為智慧農(nóng)業(yè)對于信息采集的要求比較高，既要求信息采集效率，也要求信息采集質(zhì)量，因此在設(shè)計過程中，智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)需要具備幾種功能：（1）基礎(chǔ)功能，即智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)需要具備獲取農(nóng)作物生產(chǎn)時的空氣、溫度、濕度、土壤的濕度、雨水傳感器、人體紅外傳感器、異常狀態(tài)報警器等這些基礎(chǔ)的功能；（2）遠(yuǎn)程控制，即該系統(tǒng)需要獲取傳感器數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程對這些進(jìn)行控制；（3）報警，即該系統(tǒng)需要實時地發(fā)布室內(nèi)的異常狀態(tài)，并且通過控制信號燈的方式來實現(xiàn)報警；（4）該系統(tǒng)要有App，方便相關(guān)人員通過手機就可以對歷史數(shù)據(jù)，以及農(nóng)作物的實時數(shù)據(jù)通過傳感器來進(jìn)行獲取，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]。

3.2" 系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為4個模塊，即客戶端、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點和傳感器，詳見圖1。其中客戶端即為Java Web 應(yīng)用；服務(wù)器由Java Web將采集到的信息通過TCP傳輸?shù)街窃茢?shù)據(jù)中心，或者從智云數(shù)據(jù)中心通過TCP來獲取相應(yīng)的信息。又或者通過TCP向網(wǎng)關(guān)傳輸和獲取相應(yīng)的信息；網(wǎng)關(guān)包括網(wǎng)關(guān)智云服務(wù)和無線匯集節(jié)點。由網(wǎng)關(guān)將信息傳輸或者獲取到無線終端的節(jié)點，再由無線終端節(jié)點來獲取和傳遞農(nóng)作物生長環(huán)境信息，如氣象站的雨水、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度，以及土壤溫度、水分、傳感器等。

通過圖1可以看出，基于Java Web智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)應(yīng)用傳感器底層驅(qū)動包括兩個部門，即氣象站和土壤，在信息傳輸過程中，由無線節(jié)點通過讀取傳感器數(shù)據(jù)的方式，將信息匯集成一個組網(wǎng)通信，然后再將組網(wǎng)通信里的數(shù)據(jù)通過智慧云服務(wù)推送到遠(yuǎn)程智云數(shù)據(jù)中心，或者推動到局域網(wǎng)，再由智云數(shù)據(jù)中心將接收的信息通過智云服務(wù)程序上傳至無線節(jié)點后，將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，等其跟客戶端進(jìn)行連接時就可以實時地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和控制[4]。

3.3" 系統(tǒng)的具體設(shè)計——以智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)為例

3.3.1" 設(shè)計原理

設(shè)計原理需要分為兩個層面，即應(yīng)用層和服務(wù)層，詳見表1。其中應(yīng)用層需要有環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備控制、統(tǒng)計分析、自動報警和圖標(biāo)顯示；服務(wù)層包括統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一門戶管理、數(shù)據(jù)分析挖掘、環(huán)境信息接入、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接入、系統(tǒng)應(yīng)用管理、環(huán)境信息比對、任務(wù)管理、系統(tǒng)終端管理。

3.3.2" 系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)時，需要設(shè)置4個模塊，即環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)、智慧云平臺、智能聯(lián)動，詳見圖2。其中環(huán)境監(jiān)測又需要細(xì)分為7個模塊，即空氣溫度、空氣濕度、光照度、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度、土壤EC；監(jiān)控系統(tǒng)又可以細(xì)分為視頻監(jiān)控、字符疊加器、圖片采集3個模塊；智能云平臺又細(xì)分為自動上傳、歷史記錄、數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)警4個模塊；智能聯(lián)動又細(xì)分為補光系統(tǒng)、遮光系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、卷簾系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)5個模塊[5]。該系統(tǒng)的設(shè)計隨時監(jiān)控并調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境指數(shù)，提供給大棚內(nèi)植物精準(zhǔn)培育環(huán)境，有效提高生長速度和生長質(zhì)量，增加產(chǎn)值。并且可以實時進(jìn)行監(jiān)測和遠(yuǎn)程聯(lián)動，還能利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)來進(jìn)行多層次分析，有效地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力。

3.3.3 該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

（1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集。智慧大棚監(jiān)測系統(tǒng)利用無線技術(shù)實現(xiàn)智能硬件智能聯(lián)動、自動組網(wǎng)，并對環(huán)境數(shù)據(jù)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶通過電腦或者手機遠(yuǎn)程查看溫室的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等，遠(yuǎn)程實時查看溫室視頻監(jiān)控視頻，并可以保存錄像文件，防止農(nóng)作物被盜等狀況出現(xiàn)[6]。如某智慧大棚的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表2。表2為某一時刻的數(shù)據(jù)，其會對轄區(qū)內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行24小時不間斷的監(jiān)測和搜集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也會設(shè)置一個數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)有差異時，報警系統(tǒng)就會響應(yīng)。

（2）智能控制。當(dāng)傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時，控制器制動（或遠(yuǎn)程手動）啟動相關(guān)硬件設(shè)備對作物生長環(huán)境加熱、施肥澆水、通風(fēng)、卷簾加減光照輻射，實現(xiàn)作物生長過程智能化精確控制。

（3）灌溉及噴藥施肥控制。該系統(tǒng)下會形成一個水肥一體化灌溉系統(tǒng)，其包括4個模塊，即首部樞紐、施肥系統(tǒng)、灌水器、管網(wǎng)系統(tǒng)。其中：施肥系統(tǒng)又細(xì)分為灌溉系統(tǒng)和肥料混合系統(tǒng)，而灌溉系統(tǒng)又細(xì)分為灌溉泵、控制器、灌溉管網(wǎng)、穩(wěn)壓器、過濾器、電磁閥6個模塊；肥料混合系統(tǒng)又細(xì)分為肥料灌、電磁閥、混合灌、施肥器、傳感器、混合泵、控制器7個模塊；管網(wǎng)系統(tǒng)又細(xì)分為干管、支管和毛管。水肥一體灌溉系統(tǒng)，會根據(jù)植物生長模式，可通過自動、手動方式進(jìn)行操作。匯集傳感器和氣象站所收集的數(shù)據(jù)，圖形化地直觀展示，用戶可自定義超限閾值，為優(yōu)化灌溉提供數(shù)據(jù)支撐。自動分析傳感器和氣象站所收集的數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能合理化澆灌[7]。

（4）遠(yuǎn)程自動控制。智慧大棚監(jiān)測系統(tǒng)通過先進(jìn)的遠(yuǎn)程工業(yè)自動化控制技術(shù)，讓用戶足不出戶遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備。可以自定義規(guī)則，讓整個溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化自動控制，比如當(dāng)土壤濕度過低時，溫室灌溉系統(tǒng)自動開始澆水。提供手機客戶端，客戶可以通過手機在任意地點遠(yuǎn)程控制溫室的所有設(shè)備。

（5）無線視頻監(jiān)控管理。大棚監(jiān)控室通過“無線視頻監(jiān)控管理云平臺”實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻采集、錄像回放和智能運維，并為智能硬件數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。

（6）可視化平臺應(yīng)用。系統(tǒng)界面可視化，直觀顯示各類設(shè)備的工作狀態(tài)，也可直接找到相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行操作，實現(xiàn)可視化/便捷化管理。通過可視化平臺用戶既能全面獲取大棚監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)，也能清晰地察看環(huán)境場景，大大提高了管理控制的靈活性[8]。

3.3.4" 基于Java Web智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的硬件保障

以土壤信息采集為例，硬件需要有土壤參數(shù)速測儀、土壤綜合傳感器、智壤儀、土壤氮磷鉀傳感器，可以對土壤的水分、溫度、EC、氮磷鉀、pH值、電導(dǎo)率等進(jìn)行快速的監(jiān)測和響應(yīng)，并且支持遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)。智慧大鵬需要智慧氣象站系統(tǒng)、水肥一體機、執(zhí)行設(shè)備、采集設(shè)備、小型氣象站、百葉箱、太陽總輻射測試儀、風(fēng)機、卷簾、水閥、增溫等先進(jìn)的自動化設(shè)備。智慧灌溉需要主閥、壓力變送器、水表、閥門控制、電磁閥、手機App，可以實時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測以及控制等操作。另外，還需要氣象溫度濕度傳感器、環(huán)保類設(shè)備、氣象類傳感器等，以此來輔助Java Web智慧農(nóng)業(yè)信息采集軟件系統(tǒng)更好地服務(wù)于農(nóng)作物生長過程中數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測工作[9-10]。

4" 結(jié)語

綜上所述，基于Java Web智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)可以實現(xiàn)對設(shè)備的自動化控制以及對農(nóng)田的實時監(jiān)測，進(jìn)而提高農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。其中在環(huán)境感知方面，智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)可以搜集農(nóng)作物土壤環(huán)境的溫度、濕度、pH值、NPK等，并且還會對其進(jìn)行長期的、連續(xù)的監(jiān)測；氣象信息方面，智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)可以搜集和監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、蒸發(fā)量等，并且對這些參數(shù)進(jìn)行自由的定制；在作物長勢方面，智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)可以對各個階段生長發(fā)育的農(nóng)作物的情況，如生理指標(biāo)、長勢、長相等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、趨勢分析，以及信息采集；在蟲情監(jiān)測方面，采集系統(tǒng)還可以利用現(xiàn)代光電、數(shù)控技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計和分析構(gòu)建出一套病蟲害的預(yù)警系統(tǒng)；在智能灌溉系統(tǒng)方面，該系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)采集、自動化分析等方式來對灌溉設(shè)備進(jìn)行自動化控制，如定時灌溉、定量灌溉、定量排水等；以此在完善智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]柯海鵬.基于傳感器的智慧農(nóng)業(yè)信息實時采集系統(tǒng)設(shè)計[J].信息與電腦（理論版），2022，34（13）：149-151.

[2]白晉，劉賓，劉培，等.深松作業(yè)信息采集系統(tǒng)設(shè)計[J].中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，43（3）：267-272，280.

[3]楊發(fā)財，伍永峰，馬玉娟，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的枸杞生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與信息獲取系統(tǒng)[J].長江信息通信，2022，35（2）：7-9.

[4]張倫寧，何偉，榮明，等.基于多傳感器的新疆HX智慧農(nóng)場信息化系統(tǒng)建設(shè)方案[J].農(nóng)家參謀，2021（20）：13-14.

[5]許克，任玉璇，牛薌潔.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2021（12）：258-259，266.

[6]王杰華，洪麗芳，許錦麗，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，60（10）：133-136.

[7]笪海波，劉玲.大豐區(qū)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用[J].中國新通信，2020，22（6）：116.

[8]王亞冬.智慧農(nóng)業(yè)大棚測控及信息管理系統(tǒng)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2019.

[9]馬帥.智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集及分析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2019.

[10]王虎，陳維榕，孫長青，等.物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究[J].農(nóng)技服務(wù)，2016，33（15）：179，129.