基于物聯(lián)網的智能農業(yè)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

引言

近年來，國外大量價廉質優(yōu)的農副產品源源不斷地流入我國，極大地威脅著我國的農產品市場。針對我國本身的土地資源優(yōu)勢，如何利用優(yōu)勢發(fā)展農村經濟，如何提高國內農產品的數(shù)量和質量，如何優(yōu)化農業(yè)生產力，如何調整農村經濟結構,提高農民人均收入提高國際競爭力，是一個既迫切又前沿的科研課題。

目前，我國傳統(tǒng)農業(yè)的技術手段相對落后，大規(guī)模的種植基地和規(guī)范化的種植管理還很少，大多依靠個人或小集體以及簡單半機械化工具進行生產，主要存在的問題如下：

傳統(tǒng)農業(yè)中投入的現(xiàn)代化設備及自動化工具較少;農業(yè)科技含量、裝備水平相對滯后;

傳統(tǒng)農業(yè)科技含量有限，大多還處于個人或小集體生產；

農業(yè)生產過程中所造成的污染和資源浪費較嚴重；

農民收入低、農產品數(shù)量和質量無法保障。

如何加速農業(yè)科技創(chuàng)新，推動科技成果快速轉化為生產力，提高農業(yè)生產及農村經濟發(fā)展對科技的需求，成為農業(yè)發(fā)展的方向。因此，關于智能農業(yè)技術的研究，顯得非常必要與重要。

1相關技術

1.1智能農業(yè)

智能農業(yè)，指的是將人工智能技術應用于農業(yè)生產過程的一項前沿技術。智能農業(yè)系統(tǒng)是將實時采集到的影響農業(yè)生產的自然參數(shù)和農業(yè)專家總結出的理想參數(shù)通過計算機技術進行對比和分析，然后自動指導并控制農業(yè)生產過程在合理的范圍以內，以保證最佳產能比的一個綜合體系。智能農業(yè)主要包括通信技術、監(jiān)測技術、控制技術、存儲技術等。

1.2物聯(lián)網

物聯(lián)網指的是將所有現(xiàn)實物體通過傳感網絡等信息載體進行信息交換和通信。將物聯(lián)網技術應用到農業(yè)中是在傳統(tǒng)農業(yè)的基礎上構建的集傳感器、計算、通信、控制、監(jiān)測等為一體的綜合系統(tǒng)。通過獲取農業(yè)生產過程的各種自然參數(shù),進行智能控制從而提高安全可靠性、提高生產力水平，達到“智慧”的狀態(tài)。

2總體方案

本系統(tǒng)方案是在成都農業(yè)科技職業(yè)學院已有的農業(yè)大棚基礎上進行智能化檢測、控制和管理。該方案主要分為三大子系統(tǒng)：物聯(lián)網連接與監(jiān)測、物聯(lián)網智能控制、云服務器；

物聯(lián)網連接與監(jiān)測：在農業(yè)大棚實驗基地部署和安裝農作物生長環(huán)境所需參數(shù)的傳感器，用以監(jiān)測環(huán)境中的溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤酸堿度及養(yǎng)分等物理量參數(shù),從而保證農作物有一個適合的、優(yōu)良的生長環(huán)境。目前我們用到的傳感器包括：空氣溫度、濕度傳感器；土壤溫度、濕度傳感器；光照傳感器；CO2濃度傳感器；pH值傳感器；土壤微量元素檢測儀。各種傳感器檢測到的參數(shù)信息經過ZigBee網關，再通過3G網絡傳送到服務器。服務器將接收到的數(shù)據進行存儲和相應的處理，用戶即可通過電腦或手機等智能設備訪問服務器進行查詢，同時，還可以對設備參數(shù)進行修改和設置，對數(shù)據采集周期進行修改和設置，為后期農作物生長提供必要的數(shù)據支持。為了實現(xiàn)農作物24小時無人監(jiān)控,我們還在大棚實驗基地安裝攝像頭，對整個大棚進行24小時監(jiān)控，監(jiān)控視頻和圖片都將一并傳送到服務器，為用戶提供回看、實時看功能，確保資料完整性。

物聯(lián)網智能控制：針對農作物生長所需的環(huán)境因素，通過各種電機啟動大棚實驗基地的PVC噴水管、營養(yǎng)液滴頭、遮陽簾、卷簾等設備，調節(jié)控制大棚實驗基地內環(huán)境溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等因素。

云服務器：本系統(tǒng)方案采用J2EE服務器資源池和數(shù)據庫資源池搭建，采用應用程序和數(shù)據分離原則搭建SAAS平臺。所以，當有新的大棚實驗基地加入時，只需使用應用程序模板和數(shù)據庫模板即可創(chuàng)建大棚實驗基地應用程序和數(shù)據庫實例，大大延伸其系統(tǒng)效擴展性，有效降低成本。

3物聯(lián)網智能農業(yè)大棚系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)的主要功能如圖1所示，系統(tǒng)大致包括傳感器數(shù)據查詢、視頻與圖片查看、數(shù)據報表統(tǒng)計、遠程設備參數(shù)設置、設備遠程控制、專家知識庫、后臺管理等模塊。

3.2數(shù)據庫設計

數(shù)據是整個溫室大棚管理系統(tǒng)的基礎，各種傳感器采集的數(shù)據、視頻攝像數(shù)據、照片圖像數(shù)據，經過采集、處理、標準化、傳輸后，裝載到系統(tǒng)平臺的數(shù)據庫和文件系統(tǒng)中。根據我校溫室大棚實際情況分析出平臺系統(tǒng)應包含空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度值、氮磷鉀營養(yǎng)值、酸堿度pH值等基本數(shù)據，視頻圖像、照片圖像等視頻圖像數(shù)據；設備及設備類型、編號、參數(shù)、運行情況等維護數(shù)據；設備控制命令、電機控制命令等控制數(shù)據；專家知識庫等專業(yè)知識數(shù)據；系統(tǒng)用戶、角色等系統(tǒng)基礎數(shù)據。

3.3數(shù)據庫表詳細設計

數(shù)據存儲系統(tǒng)邏輯劃分如下：

基礎業(yè)務信息數(shù)據庫：空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等與農作物成長密切相關的業(yè)務數(shù)據；

視頻圖像數(shù)據系統(tǒng)：采用文件系統(tǒng)存儲各種視頻、照片數(shù)據，有利于提高系統(tǒng)整體運行效率；

運行維護信息數(shù)據庫：設備基本信息一一參數(shù)、類型、編號等，設備控制命令等數(shù)據；

專家知識庫：各種農作物成長條件知識案例等；

系統(tǒng)基礎信息數(shù)據庫：系統(tǒng)用戶、角色、模塊、登陸、日志等系統(tǒng)運行數(shù)據。

根據邏輯劃分，數(shù)據庫中大致包含20個表:dev_mfo（設備類型表）表示溫室大棚中各種傳感器、攝像頭、設備等類型及單位；dev_state（設備狀態(tài)表）表示dev_info中設備狀態(tài)是否正常及記錄時間；electromotor_rul（農產品環(huán)境參數(shù)設置）表存儲所種植農產品所必須的環(huán)境參數(shù)控制規(guī)則；notify_log（公告日志）存儲系統(tǒng)發(fā)布的公告等日志；notify_person（發(fā)布公告人員聯(lián)系信息）表示發(fā)布公告或通知中人員基本信息，用于環(huán)境參數(shù)無法調整到正常值時發(fā)送通知（后期手機平臺開發(fā)使用）；notify_rule_person（告警條件）表示農產品環(huán)境參數(shù)告警通知；picture_list（照片信息）表示溫室大棚實時畫面；sensor_dev（傳感器數(shù)據）表示傳感器采集到的實時環(huán)境參數(shù)；system_department（部門信息）表示使用系統(tǒng)的部門；system_dictionary_data（人員信息類別值）表示描述使用系統(tǒng)人員基本信息類別值;system_dicrionary_type（人員信息類別）表示描述使用系統(tǒng)人員信息類型；system_module（系統(tǒng)控制類型）表示本系統(tǒng)可控制的類型；system_role（角色權限）系統(tǒng)角色功能管理；system_role_module（角色模塊）系統(tǒng)角色模塊管理；system_user（用戶）系統(tǒng)用戶基本信息；system_user_department（用戶部門）用戶所在部門；system_user_operation（用戶操作記錄）記錄用戶基本操作信息；system_user_role（用戶角色）用戶所屬角色:video_history（歷史影像）備份歷史影像記錄。

3.4系統(tǒng)總體結構設計

整個系統(tǒng)采用Java2平臺開發(fā)，采用三層架構模式：展示層、業(yè)務層、持久層。展示層使用struts2、業(yè)務層使用spring、持久層使用ibatis。

傳感器值查詢采用直接查詢數(shù)據庫方式；視頻圖片查看采用封裝文件系統(tǒng)服務方式；接入模塊使用JavaNIO進行開發(fā)，服務器與3G網關的通信都通過此模塊進行；數(shù)據入庫模塊對Ibatis和JavaFileIO進行封裝。

本系統(tǒng)的架構設計流程如圖2所示。

展示層是表示本系統(tǒng)以WEB網頁形式呈現(xiàn)，可提供給使用者友好的人機交互界面，同時也提供一定的安全性，確保角色對應用戶的權限。

業(yè)務層:用于訪問數(shù)據層，并根據展示層頁面需要進行一定的邏輯運算，封裝成接口反饋給展示層，以便調用。例如，本系統(tǒng)中需要對大棚環(huán)境基礎參數(shù)進行設置，展示層提供參數(shù)組合文字條件，本層編寫合理的組合運算規(guī)則，調用數(shù)據層，修改多個表的值。

持久層：持續(xù)獲取大棚實時信息，包括各類傳感器獲取到的環(huán)境參數(shù)、各類攝像頭捕獲到了實時圖像等信息。本層還負責將各種信息存人對應數(shù)據庫的表中，以供的訪問。所有對數(shù)據的增、刪、改、查均通過此層完成。本系統(tǒng)設計圖片文件的存儲權限，也是通過本層實現(xiàn)。本層所有數(shù)據均是通過3G網關傳輸然后存儲的，為了統(tǒng)一管理，特在此層根據接入模塊對數(shù)據進行封裝，具體實現(xiàn)如下：

獲取溫室大棚所有設備配置信息封裝接口：receiveAllDevices()

發(fā)送設備命令封裝接口：sendCommand(device，command)

設置設備參數(shù)封裝接口：setParameter(device，command)

獲取傳感器設備值封裝接口：receiveData(device)

獲取圖片封裝接口：receivePicture()

獲取現(xiàn)場視頻流：receiveVideoStream()

獲取歷史視頻(通過ftp方式)：getVideo(startTime，endTime)

保存?zhèn)鞲衅髦档綌?shù)據庫：saveData(device，data)保存圖片到文件系統(tǒng)：savePicture(picture)保存歷史視頻到文件系統(tǒng)：saveVideo(video)

3.5系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)運行后的部分效果如圖3和圖4所示。

在圖3的首頁中，上邊為Log、視頻播放器、Android客戶端;左側為系統(tǒng)功能目錄，右側為大棚環(huán)境參數(shù)值、現(xiàn)場圖像、傳感器趨勢圖、設備狀態(tài)表；圖4是大棚現(xiàn)場傳感器傳回的實時監(jiān)控數(shù)據，數(shù)據中包含傳感器名稱、傳感器編號、傳感器地址、最新傳感器數(shù)據等現(xiàn)場信息。

4結語

本文簡單地總結了基于物聯(lián)網智能農業(yè)系統(tǒng)(溫室大棚控制系統(tǒng))的設計思路及具體實現(xiàn)，目前，本系統(tǒng)正在我校溫室大棚中進行番茄種植的試運行，從現(xiàn)有的效果看，在PC機上能實現(xiàn)對大棚的自動化控制和檢測。后續(xù)我們將進行多種農作物的實驗，并豐富智能農業(yè)系統(tǒng)中的基礎數(shù)據，下一步,我們希望創(chuàng)建真正意義上的專家系統(tǒng)，集統(tǒng)計、分析、檢測混合型農作物數(shù)據為一體，為農業(yè)專家提供更豐富、方便、快捷的服務支持。

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