基于IOT 云平臺的智慧農業聯動系統*

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（山西機電職業技術學院，山西 長治 046011）

我國是農業生產、農作物耕種大國，而非農業機械化、智能化普及應用強國[1]。農作物大田、水果種植園、日光溫室、春秋大棚的高產量主要依賴于農藥、無機化肥的大量使用和投入，土壤板結、環境污染情況時常發生[2]，水肥利用率低、無機物流入水體造成水資源污染，由此導致的農戶經濟損失及環境污染代價沉重。

1 智慧農業發展背景

現階段，我國北方地區多數果蔬生產主要依靠種植戶的生產經驗及精心管理，農業生產缺乏系統科學的可持續指導。為了實現農業生產的科學化、效率化，應優化農業設施的生態環境控制方式、環境監控信息獲取渠道，這是提高農業生產效率的重要途徑之一[3-5]。IOT 云平臺節點由大量精度高、功耗低的智能傳感器組成，可以實時監測、感知、采集多種環境信息，并對采集的指標進行及時有效處理[6]。

2 智慧農業發展政策

國家先后出臺了《中共中央 國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》《數字農業農村發展規劃（2019—2025 年）》《“互聯網+”農產品出村進城工程試點工作方案》等支持智慧農業發展的政策。

地區政策支持力度也在加大。如長治市人民政府辦公室發布《長治市支持第一產業高質量發展補充政策》（長政辦發〔2022〕21 號），要求深入實施“特”“優”戰略，夯實現代農業發展基礎，推進第一產業高質量發展，確保實現農業穩產保供，在執行《長治市支持第一產業高質量發展補貼政策》（長政辦發〔2021〕29 號）的基礎上，制定地方補充獎補政策：在設施農業、規模化畜禽養殖場、種子種苗繁育基地、糧油種植、撂荒地復耕復種等方面制定具體的補貼措施，例如新完成智能化改造且實現溫度、濕度、光照、肥水等自動化管控的日光溫室、覆被式全鋼架大棚和連棟大棚，每畝補貼1萬元。

3 智慧農業監測架構

3.1 智慧農業監測的功能

通過對農業大田、蔬菜大棚主要環境數據的實時監測及監控，巡線數據的實時上傳查詢，監測數據的智能結果分析，可實現實時了解閾值狀態并做出預測預警，為科學決策提供依據[7]。監測的主要任務包括：

1）采用實時監測技術，監測大田的二氧化碳、光照、溫濕度的變化情況以及土壤含水率、土壤溫度、土壤肥力等情況；

2）采用監測數據管理系統，對監測數據進行接收、管理、曲線成圖、報警等；

3）農業監測數據管理系統可實現農業數據管理中心、云數據中心以及總站數據中心的數據共享。

3.2 IOT智慧農業管理云平臺

根據多年來對農業生產需求的摸索，山西機電職業技術學院機械工程系現代農業制造團隊自主研發設計了智能化農業管理平臺。該平臺結合農產品生長需求，利用大數據、物聯網、移動互聯數據傳輸技術，改變傳統農業生產現狀，提供環境監控、資源整合、數據集成化管理以及農業營銷社交等服務，提升農業產前、產后效率，打造一個全方位、高集成度的智能農業大數據管理平臺[8]。

3.3 系統的功能實現

1）實現數據庫的交互；

2）根據農業大數據研究的個性化需求，形成一系列發布數據的機制，將數據采集的相關程序設計完善，部署在平臺上周期運轉；

3）數據的瀏覽，對數據進行查詢、展現、基礎統計分析等初步應用；

4）實現農業大數據分析人員的交流；

5）建立起農友圈，通過農業信息的交流，推動涉農行業的共同發展；

6）建立農業互助平臺，開設農業專家問答及農業信息整合平臺，打破農業傳統的經營經驗交流模式；

7）打造農業電商平臺，增加農業收入。云平臺管理服務流程如圖1 所示。

圖1 云平臺管理服務流程

3.4 本研究云平臺的知識產權備案

本研究獲得的知識產權有：智慧農業構件自動化系統（2022SR1145942）、積木式智慧農業系統（2020SR1147314）、智慧農業IOT 應用系統（2021SR1491816）、一種智慧農業積木式采集系統（2021SR1491837）。

4 監測系統云平臺應用

4.1 監測系統云平臺界面

本監測系統堅持經濟實用、科學先進的原則，根據規范要求，監控內容有：

1）智慧大棚環境監測系統、大田環境監測系統；

2）土壤墑情監測系統，蟲情、苗情監測系統；

3）水肥一體系統、視頻監控系統；

4）農業大數據平臺系統。

4.2 智慧大田環境監測

本系統數據采集采用高度集成的傳感器，芯片全量程標定485 輸出，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。

山西機電職業技術學院機械工程系現代農業制造團隊自主研發數采系統，集顯示、上傳、控制功能于一體，可與市面上常見的傳感器連接。設備數據采用7 寸觸摸中控屏實時顯示，并可通過內置5G 傳輸模塊上傳至農業大數據管理系統。同時，監測平臺可發出命令控制繼電器，實現大田澆灌、電機聯動、設備開啟和關閉等功能，為植物營造最佳的生長環境。

4.2.1 傳感器監測點位設計流程

傳感器監測點位設計流程為：運用氣體質量和監測點建立監測網→建立工作基點，安裝農業主機設備→數據自動采集及傳輸→通過對數據的處理、對比，分析大田、大棚的環境情況→通過環境情況自動做出預警，實現大田、大棚硬件設備的運行和關閉→繪制數據分析曲線圖，提交資料。

4.2.2 設備安裝要求

設備安裝要求為：1）遠離大功率無線電發射源；2）遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道；3）盡量靠近數據傳輸網絡；4）遠離強電磁干擾。

4.2.3 環境參數傳感器

通過與農業主機相連，可做到將大田、大棚的空氣溫濕度、光照、二氧化碳、土壤溫濕度、土壤pH值、土壤EC值等數據，上傳至農業主機，通過云平臺中控屏查看實時數據。同時，通過智慧農業大數據平臺系統，可在Web 端或手機App、小程序查看數據。平臺連接農業主機監測數值如表1所示。

表1 平臺連接農業主機監測數值

4.2.4 設備特點

設備特點為：1）一體式設計，高度集成化，安裝工藝簡化，安裝方便；2）低功耗設計，極大延長續航時間；3）云服務功能，實時掌控接收機狀態以及外部供電狀態；4）遠程控制功能，可以通過網頁云端實現控制。

4.3 土壤墑情監測

土壤墑情監測主要通過土壤墑情傳感器，搭配太陽能供電系統實現全天候不間斷監測。現場遠程監測設備自動采集土壤墑情實時數據，并利用5G 無線網絡實現數據遠程傳輸；監控中心自動接收、存儲各監測點的監測數據到數據庫中[9]。

4.4 蟲情、苗情監測

4.4.1 監測原理

通過對農田進行農業物聯網傳感器布局，對整個農業生產過程中的播種、施肥、采摘等各個環節進行監控，從而方便管理人員遠程在線查看農作物生長狀況，方便質量監督檢驗檢疫部門、上級主管部門對生產過程的有效監督和及時干預，方便信息技術管理人員對現場數據信息和圖像信息的獲取、備份和分析處理。視頻監控系統也為以后獲取生物信息提供了必要的基礎條件[10]。

4.4.2 監測點位設計流程

監測點位設計流程為：根據實地情況和監測點建立監測網→根據實地情況確定紅外蟲情測報燈和攝像頭整體安裝設計和布局→數據自動采集及傳輸→通過對抓拍數據的分析、比較，分析蟲子種類情況，并對蟲情做有效預測→通過視頻監控系統有效地分析和判斷農作物長勢，判斷苗情→通過大數據平臺分析，減少人為干預。

4.4.3 設備安裝要求

設備安裝要求為：1）遠離大功率無線電發射源；2）遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道；3）盡量靠近數據傳輸網絡；4）遠離強電磁干擾。

5 結束語

智慧農業系統可實現對園區農業環境數據及苗情、蟲情數據等的可視化展示，可遠程查看和管理采集數據。通過平臺設定環境數據預警值，系統自動預警，生成預警事件，通過手機短信及網頁報警提示管理人員及時進行處理和控制。IOT 云平臺可將大田和大棚空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境監測數據以及環境預警事件信息以圖表、曲線的形式形成統計報表，管理人員據此做出科學合理的作物生長管理、分析與決策。