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标题 基于大数据的智慧农业物联网系统实现
范文 徐建国 肖海峰


摘要：设计一套基于大数据的智能信息系统应用于现代化农业大棚生产及管理中，以模拟对大棚的管理和控制。系统采用Zigbee、WiFi等无线传输技术解决局域及远距离数据实时有效传输问题，结合当前大数据和云计算等前沿技术进行数据存储，充分利用多种传感器实现对农业大棚生产过程中数据的实时采集、监测及有效控制，并通过开放的互联网平台实现在线远程专家指导。测试结果表明，该系统具有较高的可靠性与高稳定性，运行平稳，有很强的实用性。
关键词：大数据；智慧农业；物联网；数据分析；远程专家指导；人工智能
DOIDOI：10.11907/rjdk.181760
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2018）008-0129-04
英文摘要Abstract：We have designed an intelligent information system based on big data and applied it to the production and management of modern agricultural greenhouse to simulate the precision management and control of the greenhouse.An intelligent information system based on big data was designed for the production and management of modern agricultural greenhouses to simulate the precise management and control of greenhouses.The system uses the Internet of Things technology as a design platform.Zigbee，WiFi and other wireless transmission technologies are used to solve local and long-distance real-time effective data transmission problems.Current big data and cloud computing and other cutting-edge technologies are combined to establish data storage.A variety of sensors are used to achieve real-time data collection，monitoring and effective control of farming greenhouses，environment and production.Online remote expert guidance is realised through an open Internet platform.The test results show that the system has high reliability and stability，stable operation and good practicality.
英文关键词Key Words：big data；smart agriculture；Internet of Things；data analysis；remote expert guidance；artificial intelligence
0 引言
农业信息化、自动化管理是时代发展的必然趋势，也是传统农业转变为现代化农业的必经过程。中国是一个传统农业大国，农业信息化对我国农业的发展具有重要意义。信息化以信息技术作为通道，連通现代化农业的各个环节。准确、及时、有效地获取、传播并应用信息，可大幅提高农业管理水平，从而促进农业经济的高速发展。在大数据技术迅速发展的今天，各行业与大数据的关系变得更加密切，大数据技术的应用为传统数据处理技术带来了重大变革[1-2]。
孙忠富等[3]针对大数据在智慧农业中的应用，论述了大数据关键技术，以及推动农业大数据发展的对策；方雪娇[4]详细论述了大数据通过分析生物基因加速作物育种，以及大数据如何跟踪作物生长全过程，以促进农业的精细化生产；盛平等[5]设计了高效的农业设施远程精准测控系统，构建了远程操控平台；严璋鹏等[6]提出整合各个模块、实现数据共享的观点。然而，国内现有关于大数据在农业上的应用研究大多为技术介绍与应用前景综述，提出的应用系统扩展性不强，稳定性有待提高。
本文结合大数据技术，设计一套智能大棚管理控制系统。系统主要分为4部分：信息采集、信息处理、管理控制、远程帮助。相比于传统农业控制系统，本系统加入了远程专家指导模块，构建了知识库系统，且模块之间相互独立，扩展性与稳定性好，实用性强。
1 研究背景
1.1 农业大数据
随着农业现代化程度的不断提高，农业生产过程中会产生大量数据，而且数据涵盖面广、数据源复杂，一般都为非结构化数据。农业大数据的定义是指运用大数据的理念、技术和方法，解决农业或涉农业领域数据采集、存储、计算与应用等一系列问题，是大数据技术在农业领域的应用发展[3，7-8]。本文将传感器采集到的数据存储到云平台上并进行记录，从而为后续查询、数据分析提供依据。
1.2 智慧农业
智慧农业是指将现代计算机与信息技术应用于农业生产过程中的现代化农业生产模式，其是农业生产发展的高级阶段。智慧农业可将互联网、移动互联网、云计算和物联网技术相融合，依托部署在农业生产现场的各种传感器（环境温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器等）和无线通信网络实现农业生产环境的感知、预警、决策、分析及专家在线指导，为农业生产提供可视化管理及智能化决策[9-11]。随着人工智能技术的不断发展，农业生产将更加智能化[12]。
2 系统方案设计
2.1 系统总体设计
第一层是应用层，包括智能手机、PC、便携电脑等各种终端设备，能够对系统进行远程控制；第二层是智慧农业物联网系统平台，其中平台应用系统将为应用终端和网关提供接口，同时提供基于物联网的智能农业系统核心服务；第三层是网关，负责数据的整理、上传，并实现对控制指令的下发；第四层是前端感知层和控制应用层，负责信息采集与对相关设备的控制[13]。
方案的功能设计考虑到实际应用的便捷性，提供数据采集、数据分析与查询、农业设施（补光灯、风扇）智能控制、视频监控与专家指导功能。
（1）数据采集：利用无线传感器模块、射频接收模块与A8网关，建立无线传感网络，对环境温度、湿度、光照强度信息进行采集，当传感器上报的采集数据超过预定阈值时，会发出报警信息。
（2）数据分析与查询：用户可通过客户端随时随地查询与分析各种数据，数据以表格等形式呈现。
（3）农业设施控制：可通过客户端随时随地高效、精准地控制相应农业设施，如风扇、照明、遮光帘、电机等。
（4）视频监控：可以实时进行远程视频监控，查看农作物长势，得到农作物的第一手资料，同时也起到安防作用[14]。
（5）专家指导：建立专家库，定期或不定期地录入农作物种植方法及技巧等相关文章，指导农户种植农作物。
2.2 相关技术应用
2.2.1 感知层
（1）无线传感网络。无线传感器网络（WSN）是由放置在监测区域内的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集与处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的3个要素[15-16]。
（2）Zigbee网络。Zigbee网络采用低成本、低功耗、高集成度的工业级ZigBee芯片CC2530，具有超低电流消耗和高接收灵敏度等特点，可确保短距离通信信道的可靠性，且衰减较小。传感器节点可根据设施农业的具体需求，搭载合适的传感器，如空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器等。利用ZigBee自组网的特性以及农业设施环境的不同需求，选择适合的ZigBee无线传感网络。ZigBee节点可以组建Mesh网络，设置一个ZigBee节点为网络协调器，其它每个ZigBee节点都可当作路由节点使用，也可以设置为终端节点，但会失去路由功能[17-18]。
ZigBee终端节点程序依照每个节点需要实现的功能进行設计。例如当温度采集终端节点接收到信息时，首先对信息进行解析与判断，若判断收到的命令为温度数据，则调用相应程序采集数据，然后对采集的信息进行处理后发送给协调器，协调器再通过A8网关发送给服务器[19-21]。
（3）视频监控。摄像机采用WiFi传感网络传输检测到的图像信息。
2.2.2 传输层
（1）网关：3G无线网关将Zigbee信号转化为3G信号进行传输。
（2）路由器交换机：包括3G无线路由器、交换机，用于传输局域网和广域网数据[8]。
2.2.3 网络层
（1）终端服务器：采用电脑作为服务器终端。
（2）云服务平台：采用云服务器对大量信息进行处理和保存。
（3）监控中心：采用球机型无线WiFi摄像机对温室大棚情况进行采集。
2.2.4 应用层
（1）硬件部分：采用台式电脑或笔记本电脑作为应用层终端，CPU为 Intel Core i5 2GHz，硬盘500G以上，内存4G以上。
（2）软件部分：采用Microsoft Visual Studio 2010、MySQL5.6，操作系统为Windows 7 。
3 系统详细设计
系统硬件部分由温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、继电器以及电动机驱动模块、显示器、蜂鸣器9大部分构成。对于温度传感器、光照传感器、烟雾传感器、CO2浓度传感器，通过协议读取其状态并进行数据采集。Zigbee传感网络采集传感器数据，然后将采集的数据打包至网关，通过移动网络或无线网络发送至云服务平台上[22]。管理人员通过移动端与浏览器端查看各传感器采集的数据，并向传感器手动发布指令，实现对系统的控制。系统软件部分包括登录注册模块、系统主模块、历史记录模块、配置模块、控制模块等。
3.1 系统功能设计
通过各种传感器采集所需的信息，将数据存储到数据库中。系统主要模块包括实时监控模块、历史记录模块、告警记录模块与配置模块，通过其实现对系统的管理。实时监控模块能够根据传感器采集的数据，将信息以可视化方式展现出来；历史记录模块能够按照选择的时间将温度、湿度信息用折线图展现出来；告警记录模块能够将所有异常数据记录在数据库中用于随时查询；配置模块可显示各种传感器参数。历史记录界面如图1所示。
3.2 模块配置设计
感知层包括无线传感器节点、控制节点与视频监控模块。传感器分为温湿度及光照传感器两类，主要通过接收网关下发的命令对风扇、电灯、开关进行控制，通过控制电动机驱动模块控制电动机状态。视频监控模块使用USB摄像头（apache）服务器通过V4L2编程对温室大棚进行远程网络视频监控。模块配置如图2所示，其能够对温度、湿度、光照强度等参数进行配置。
3.3 智能控制
系统可以利用智能控制功能对光亮、通风等进行自动控制，例如：当光照强度低于用户设定值时，打开LED灯以增加光照；当光照强度高于设定值时，可关闭遮光帘以减少光照（见图3）；当数据出现异常时，发出报警信息。即系统可通过自定义规则使温室环境随着设备设定好的参数变化而变化。
管理员可对用户权限及应用的一些基础功能进行设置，以方便用户获得更好的体验，用户可使用访问账号查询数据，但仅能查看实时数据，无法执行其它操作[23]。
3.4 PC端设计
上位机系统是智慧农业物联网系统的核心部分，在Microsoft Visual Studio 2010环境下采用.NET编写，数据库使用MySQL以及第三方试验箱公司提供的SDK包。软件操作简单、界面清晰，管理员登录后可随时查看系统环境参数及设备运行情况，并进行参数设置。
3.4.1 视频监控
系统中添加了视频模块，采用视频方式将农业生产情况实时告知管理员，可实现录像、拍照、回放等功能。
3.4.2 专家指导
在农业生产管理中遇到植物病虫害时，管理员可根据害虫或疾病名称查询解决方案[24]，如图4所示。
3.5 系统关键代码
3.5.1 告警记录查询
4 总结与展望
本文将物联网技术运用于农业生产中，构建基于云平台的智慧物联网系统，可模拟对农业大棚的精准化管理与控制。系统运行稳定可靠，界面友好，操作便捷；引入远程专家控制模块，能够解决实际生产中的疑难问题；用户无需架设专门的网络系统，节省投资且维护简便。随着大数据、人工智能技术的发展，未来的农业生产必将更加智能化与精细化。
参考文献：
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（责任编辑：黄 健）
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更新时间：2025/2/6 6:48:59