引言

近年來(lái)，國(guó)外大量?jī)r(jià)廉質(zhì)優(yōu)的農(nóng)副產(chǎn)品源源不斷地流入我國(guó)，極大地威脅著我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)。針對(duì)我國(guó)本身的土地資源優(yōu)勢(shì)，如何利用優(yōu)勢(shì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，如何提高國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，如何調(diào)整農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)民人均收入提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，是一個(gè)既迫切又前沿的科研課題。

目前，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的技術(shù)手段相對(duì)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(gè)人或小集體以及簡(jiǎn)單半機(jī)械化工具進(jìn)行生產(chǎn)，主要存在的問(wèn)題如下：

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中投入的現(xiàn)代化設(shè)備及自動(dòng)化工具較少;農(nóng)業(yè)科技含量、裝備水平相對(duì)滯后;

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科技含量有限，大多還處于個(gè)人或小集體生產(chǎn)；

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所造成的污染和資源浪費(fèi)較嚴(yán)重；

農(nóng)民收入低、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量無(wú)法保障。

如何加速農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，推動(dòng)科技成果快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)科技的需求，成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。因此，關(guān)于智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究，顯得非常必要與重要。

1相關(guān)技術(shù)

1.1智能農(nóng)業(yè)

智能農(nóng)業(yè)，指的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一項(xiàng)前沿技術(shù)。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是將實(shí)時(shí)采集到的影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然參數(shù)和農(nóng)業(yè)專家總結(jié)出的理想?yún)?shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，然后自動(dòng)指導(dǎo)并控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程在合理的范圍以內(nèi)，以保證最佳產(chǎn)能比的一個(gè)綜合體系。智能農(nóng)業(yè)主要包括通信技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)等。

1.2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)指的是將所有現(xiàn)實(shí)物體通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)等信息載體進(jìn)行信息交換和通信。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的集傳感器、計(jì)算、通信、控制、監(jiān)測(cè)等為一體的綜合系統(tǒng)。通過(guò)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各種自然參數(shù),進(jìn)行智能控制從而提高安全可靠性、提高生產(chǎn)力水平，達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。

2總體方案

本系統(tǒng)方案是在成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院已有的農(nóng)業(yè)大棚基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化檢測(cè)、控制和管理。該方案主要分為三大子系統(tǒng)：物聯(lián)網(wǎng)連接與監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)智能控制、云服務(wù)器；

物聯(lián)網(wǎng)連接與監(jiān)測(cè)：在農(nóng)業(yè)大棚實(shí)驗(yàn)基地部署和安裝農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境所需參數(shù)的傳感器，用以監(jiān)測(cè)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(nóng)作物有一個(gè)適合的、優(yōu)良的生長(zhǎng)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(cè)儀。各種傳感器檢測(cè)到的參數(shù)信息經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和相應(yīng)的處理，用戶即可通過(guò)電腦或手機(jī)等智能設(shè)備訪問(wèn)服務(wù)器進(jìn)行查詢，同時(shí)，還可以對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置，對(duì)數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行修改和設(shè)置，為后期農(nóng)作物生長(zhǎng)提供必要的數(shù)據(jù)支持。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物24小時(shí)無(wú)人監(jiān)控,我們還在大棚實(shí)驗(yàn)基地安裝攝像頭，對(duì)整個(gè)大棚進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控視頻和圖片都將一并傳送到服務(wù)器，為用戶提供回看、實(shí)時(shí)看功能，確保資料完整性。

物聯(lián)網(wǎng)智能控制：針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境因素，通過(guò)各種電機(jī)啟動(dòng)大棚實(shí)驗(yàn)基地的PVC噴水管、營(yíng)養(yǎng)液滴頭、遮陽(yáng)簾、卷簾等設(shè)備，調(diào)節(jié)控制大棚實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等因素。

云服務(wù)器：本系統(tǒng)方案采用J2EE服務(wù)器資源池和數(shù)據(jù)庫(kù)資源池搭建，采用應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)分離原則搭建SAAS平臺(tái)。所以，當(dāng)有新的大棚實(shí)驗(yàn)基地加入時(shí)，只需使用應(yīng)用程序模板和數(shù)據(jù)庫(kù)模板即可創(chuàng)建大棚實(shí)驗(yàn)基地應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例，大大延伸其系統(tǒng)效擴(kuò)展性，有效降低成本。

3物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jù)查詢、視頻與圖片查看、數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程設(shè)備參數(shù)設(shè)置、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、專家知識(shí)庫(kù)、后臺(tái)管理等模塊。

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是整個(gè)溫室大棚管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，各種傳感器采集的數(shù)據(jù)、視頻攝像數(shù)據(jù)、照片圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)采集、處理、標(biāo)準(zhǔn)化、傳輸后，裝載到系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)和文件系統(tǒng)中。根據(jù)我校溫室大棚實(shí)際情況分析出平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)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(yíng)養(yǎng)值、酸堿度pH值等基本數(shù)據(jù)，視頻圖像、照片圖像等視頻圖像數(shù)據(jù)；設(shè)備及設(shè)備類型、編號(hào)、參數(shù)、運(yùn)行情況等維護(hù)數(shù)據(jù)；設(shè)備控制命令、電機(jī)控制命令等控制數(shù)據(jù)；專家知識(shí)庫(kù)等專業(yè)知識(shí)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)用戶、角色等系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)表詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)邏輯劃分如下：

基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)：空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等與農(nóng)作物成長(zhǎng)密切相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；

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

運(yùn)行維護(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)：設(shè)備基本信息一一參數(shù)、類型、編號(hào)等，設(shè)備控制命令等數(shù)據(jù)；

專家知識(shí)庫(kù)：各種農(nóng)作物成長(zhǎng)條件知識(shí)案例等；

系統(tǒng)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)：系統(tǒng)用戶、角色、模塊、登陸、日志等系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

根據(jù)邏輯劃分，數(shù)據(jù)庫(kù)中大致包含20個(gè)表:dev_mfo（設(shè)備類型表）表示溫室大棚中各種傳感器、攝像頭、設(shè)備等類型及單位；dev_state（設(shè)備狀態(tài)表）表示dev_info中設(shè)備狀態(tài)是否正常及記錄時(shí)間；electromotor_rul（農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)設(shè)置）表存儲(chǔ)所種植農(nóng)產(chǎn)品所必須的環(huán)境參數(shù)控制規(guī)則；notify_log（公告日志）存儲(chǔ)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(wú)法調(diào)整到正常值時(shí)發(fā)送通知（后期手機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)使用）；notify_rule_person（告警條件）表示農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)告警通知；picture_list（照片信息）表示溫室大棚實(shí)時(shí)畫面；sensor_dev（傳感器數(shù)據(jù)）表示傳感器采集到的實(shí)時(shí)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(quán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用Java2平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用三層架構(gòu)模式：展示層、業(yè)務(wù)層、持久層。展示層使用struts2、業(yè)務(wù)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(jù)庫(kù)方式；視頻圖片查看采用封裝文件系統(tǒng)服務(wù)方式；接入模塊使用JavaNIO進(jìn)行開(kāi)發(fā)，服務(wù)器與3G網(wǎng)關(guān)的通信都通過(guò)此模塊進(jìn)行；數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊對(duì)Ibatis和JavaFileIO進(jìn)行封裝。

本系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

展示層是表示本系統(tǒng)以WEB網(wǎng)頁(yè)形式呈現(xiàn)，可提供給使用者友好的人機(jī)交互界面，同時(shí)也提供一定的安全性，確保角色對(duì)應(yīng)用戶的權(quán)限。

業(yè)務(wù)層:用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)層，并根據(jù)展示層頁(yè)面需要進(jìn)行一定的邏輯運(yùn)算，封裝成接口反饋給展示層，以便調(diào)用。例如，本系統(tǒng)中需要對(duì)大棚環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(yùn)算規(guī)則，調(diào)用數(shù)據(jù)層，修改多個(gè)表的值。

持久層：持續(xù)獲取大棚實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)圖像等信息。本層還負(fù)責(zé)將各種信息存人對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的表中，以供的訪問(wèn)。所有對(duì)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查均通過(guò)此層完成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖片文件的存儲(chǔ)權(quán)限，也是通過(guò)本層實(shí)現(xiàn)。本層所有數(shù)據(jù)均是通過(guò)3G網(wǎng)關(guān)傳輸然后存儲(chǔ)的，為了統(tǒng)一管理，特在此層根據(jù)接入模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，具體實(shí)現(xiàn)如下：

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

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

設(shè)置設(shè)備參數(shù)封裝接口：setParameter(device，command)

獲取傳感器設(shè)備值封裝接口：receiveData(device)

獲取圖片封裝接口：receivePicture()

獲取現(xiàn)場(chǎng)視頻流：receiveVideoStream()

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

保存?zhèn)鞲衅髦档綌?shù)據(jù)庫(kù)：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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行后的部分效果如圖3和圖4所示。

在圖3的首頁(yè)中，上邊為L(zhǎng)og、視頻播放器、Android客戶端;左側(cè)為系統(tǒng)功能目錄，右側(cè)為大棚環(huán)境參數(shù)值、現(xiàn)場(chǎng)圖像、傳感器趨勢(shì)圖、設(shè)備狀態(tài)表；圖4是大棚現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳回的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含傳感器名稱、傳感器編號(hào)、傳感器地址、最新傳感器數(shù)據(jù)等現(xiàn)場(chǎng)信息。

4結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單地總結(jié)了基于物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(溫室大棚控制系統(tǒng))的設(shè)計(jì)思路及具體實(shí)現(xiàn)，目前，本系統(tǒng)正在我校溫室大棚中進(jìn)行番茄種植的試運(yùn)行，從現(xiàn)有的效果看，在PC機(jī)上能實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的自動(dòng)化控制和檢測(cè)。后續(xù)我們將進(jìn)行多種農(nóng)作物的實(shí)驗(yàn)，并豐富智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(jì)、分析、檢測(cè)混合型農(nóng)作物數(shù)據(jù)為一體，為農(nóng)業(yè)專家提供更豐富、方便、快捷的服務(wù)支持。

20211121_619a418924268__基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)