基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)

 湖北福貴自動(dòng)化科技有限公司

項(xiàng)目背景：我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度低，絕大多數(shù)還是依靠體感和經(jīng)驗(yàn)獲得農(nóng)田信息，依靠體力和傳統(tǒng)工具及少數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，當(dāng)外界條件和內(nèi)部環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，難以及時(shí)得到提醒和應(yīng)對，造成經(jīng)濟(jì)損失。如果在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用起來，用傳感技術(shù)去替代人的體感，將人的種植經(jīng)驗(yàn)變成不同的功能軟件，使用各種農(nóng)業(yè)機(jī)械去完成人工操作，那么農(nóng)民僅需操作這些設(shè)備就能進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。這就是我們的夢想。該項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)夢想的開始一步，如何運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取信息，營造滿足農(nóng)作物所需的生長環(huán)境。

該項(xiàng)目在天津農(nóng)業(yè)*示范園管理中心的武清基地進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此監(jiān)控系統(tǒng)依托Zigbee無線通訊技術(shù)、3G數(shù)據(jù)通訊技術(shù)將互聯(lián)網(wǎng)從桌面延伸到田野，讓溫室實(shí)時(shí)在線，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚與數(shù)據(jù)世界的融合；實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，使得農(nóng)業(yè)專家在遠(yuǎn)程可以隨時(shí)查看農(nóng)田內(nèi)的各種數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、水量等），判斷是否是適合作物生長的*條件，可以由專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和知識設(shè)定關(guān)鍵值，當(dāng)某種數(shù)據(jù)偏離設(shè)定值時(shí)，大棚自動(dòng)做出反應(yīng)（溫度偏低，則打開供暖設(shè)施，溫度偏高，則開門通風(fēng)；水量不足，則自動(dòng)打開噴淋裝置等），可同時(shí)監(jiān)測和控制蔬菜大棚的正常運(yùn)行，從而使得農(nóng)作物始終處在*的生長環(huán)境中。從而建立起集數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農(nóng)業(yè)機(jī)械為一體的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。

系統(tǒng)方案及功能實(shí)現(xiàn)

目前，本項(xiàng)目涉及到兩種類型的大棚：智能溫室大棚和日光溫室大棚，因此，整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：智能溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制子系統(tǒng)、日光溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制子系統(tǒng)。我們?yōu)閮煞N類型的大棚提供了相應(yīng)的解決方案。

（一）智能溫室大棚網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能溫室大棚網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

感知層：農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置基于ZigBee無線檢測網(wǎng)絡(luò)研發(fā)而成，集模擬量/開關(guān)量采集、繼電器控制、RS-232串口通訊于一體的綜合性監(jiān)測裝置，測量可靠，通過狀態(tài)指示燈顏色的變換可以輕松獲得裝置所處的工作狀態(tài)，操作調(diào)試十分簡便，適合于農(nóng)業(yè)大棚相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制。在智能溫室中裝有環(huán)境溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等，將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境參數(shù)采集器無線連接。

傳輸層：（1）通過網(wǎng)關(guān) (串轉(zhuǎn)網(wǎng)設(shè)備)進(jìn)行感知層與傳輸層的融合，即網(wǎng)關(guān)一方面通過其串口連接環(huán)境參數(shù)采集器、繼電器以及氣象采集器，另一方面通過其網(wǎng)口連接交換機(jī)，從而完成數(shù)據(jù)從串口格式到以太網(wǎng)格式的轉(zhuǎn)換。（2）以太網(wǎng)交換機(jī)接入大功率AP，zui終通過無線WiFi信號達(dá)到溫室與外界數(shù)據(jù)交換的目的。（3）攝像頭直接接入交換機(jī)。

應(yīng)用層。管理員對中控室進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)與日常管理，終端用戶使用手機(jī)、IPAD、PC等方式，通過各種通信網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)使用本系統(tǒng)的上層服務(wù)。

在本方案中，使用該網(wǎng)關(guān)具有以下優(yōu)勢：

（1）網(wǎng)關(guān)上嵌入3G模塊，可以直接通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接；

（2）多個(gè)溫室大棚共享一個(gè)數(shù)據(jù)采集控制模塊，使開發(fā)成本降低；

（3）建網(wǎng)、組網(wǎng)以及上層配置簡單。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，管理人員使用該系統(tǒng)可以智能溫室和日光溫室大棚種植的蔬菜進(jìn)行全過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測、自動(dòng)控制和管理。其主要功能有:

1、蔬菜大棚的遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：如環(huán)境溫濕度、光照、CO2濃度等地面信息，土壤水分和溫度、土壤養(yǎng)分（氮磷鉀元素）等土壤信息以及風(fēng)向風(fēng)速等室外氣象信息。

2、蔬菜大棚的遠(yuǎn)程無線自動(dòng)控制：根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果來決定相應(yīng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制?？梢酝ㄟ^移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)、iPAD等）對風(fēng)機(jī)、外遮陽卷簾、內(nèi)遮陰卷簾、補(bǔ)光燈、水簾、天窗、地源熱泵、滴灌等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程無線自動(dòng)控制。

3、 監(jiān)控云平臺(tái)通過網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。將網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云平臺(tái)中，企業(yè)（用戶）直接訪問云平臺(tái)獲取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而進(jìn)行專家咨詢與實(shí)時(shí)指導(dǎo)。

4、信息分析與統(tǒng)計(jì)：通過數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)提供各種報(bào)表。

項(xiàng)目創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)使用了基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的嵌入式中間件軟件技術(shù)。由于軟、硬件設(shè)備投入使用的年代不同，使用的接口，協(xié)議也千差萬別。導(dǎo)致各個(gè)系統(tǒng)仍處于各自為戰(zhàn)的狀態(tài)，并沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。所以，在這種情況下，使用

物聯(lián)網(wǎng)嵌入式中間件軟件有效的整合和完善了物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的前端信息采集設(shè)備和后端信息匯聚設(shè)備，把所有設(shè)備都納入統(tǒng)一的管理，并把這些不同的設(shè)備連接在一起，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。

（2）基于無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及其矩陣排布技術(shù)開發(fā)的農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)可同時(shí)監(jiān)測大范圍內(nèi)所有大棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境狀況，手動(dòng)/定時(shí)控制棚內(nèi)相應(yīng)設(shè)備，并且可通過用戶參數(shù)設(shè)定實(shí)時(shí)自動(dòng)控制設(shè)備狀態(tài)以滿足植物生長要求。

（3）支持3G無線通訊的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)云計(jì)算平臺(tái)，為后期開展云服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

（4）真正實(shí)現(xiàn)了信息化與農(nóng)業(yè)化的高度融合，將*的信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)，建成了集數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)控農(nóng)業(yè)機(jī)械為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理朝著低成本、可靠性、節(jié)水節(jié)能型、智能化和環(huán)境友好型等五大方向發(fā)展。

取得效益及效益分析

智能溫室和日光溫室大棚項(xiàng)目在天津示范應(yīng)用時(shí)得到*及天津市委、市政府的高度重視，天津市委書記張高利等*親臨現(xiàn)場視察。

2012年底，該項(xiàng)目獲得了中關(guān)村物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與中國移動(dòng)共同舉辦的首屆移動(dòng)杯智慧北京大賽解決方案獎(jiǎng)，應(yīng)成功參加了2012年津洽會(huì)、京交會(huì)以及寧波“智慧城市”博覽會(huì)的展覽，在京津滬渝四直轄市*與專家到天津市農(nóng)業(yè)*示范園區(qū)管理中心視察工作，參觀人員一致認(rèn)為該示范平臺(tái)具有科技含量高、超前意識強(qiáng)、發(fā)展前景好、帶動(dòng)能力強(qiáng)的推廣優(yōu)勢，可以為天津市乃至全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到良好的示范和推動(dòng)作用。取得了較好的社會(huì)效益。在此基礎(chǔ)上，我們將加強(qiáng)“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”聯(lián)合，加大推廣應(yīng)用力度，創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)效益增長模式，使農(nóng)民從中得到實(shí)惠，企業(yè)得到發(fā)展。