基于物聯(lián)網(wǎng)的設施農業(yè)環(huán)境監控與數據挖掘技術(shù)的研究應用論文

　　傳統農業(yè)以人力為中心、依賴(lài)于孤立機械，而農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統工程在農業(yè)服務(wù)業(yè)中開(kāi)展應用后，通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的設施農業(yè)環(huán)境監控系統服務(wù)平臺可以有效改變生產(chǎn)模式，使農業(yè)生產(chǎn)轉向以信息和軟件為中心，提升農業(yè)生產(chǎn)效能[1-3]。通過(guò)建立物聯(lián)網(wǎng)遠程專(zhuān)家診斷指導系統，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)，將日光溫室種植過(guò)程中關(guān)鍵的要素（空氣的溫度、濕度及土壤的溫度、濕度等）數據通過(guò)各種傳感器的采集，并利用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)如以太網(wǎng)WEB、GPRS、3G等，將數據及時(shí)傳送到本地的設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制室以及遠端的設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數據中心，使設施農業(yè)管理人員及時(shí)掌握農作物的生長(cháng)環(huán)境，并及時(shí)采取控制措施，從而達到預防病蟲(chóng)害、提高生產(chǎn)質(zhì)量、提升勞動(dòng)效率的目的。通過(guò)農業(yè)專(zhuān)家預警系統，調節適宜作物的設施內小環(huán)境，提高農產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高水肥利用率，降低人力消耗。通過(guò)實(shí)時(shí)監測數據，可以有效預測和預防風(fēng)災、雪等自然災害，防止設施損害、農產(chǎn)品減產(chǎn)。在作物的不同生長(cháng)階段，種養殖戶(hù)實(shí)時(shí)定量監控各環(huán)境因子，如光、溫、水、氣等，科學(xué)管理設施內作物的水、肥、氣等環(huán)境因子，降低人力消耗，實(shí)現了真正的精耕細作[4-5]。

　　1 總體思路

　　依靠無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，對區域內分散的農業(yè)設施實(shí)行精細化管理，實(shí)時(shí)監控光、溫、水、氣、濕及病蟲(chóng)等對作物生長(cháng)有重要影響的因素，掌握其變化情況。此模式可以應用于畜禽養殖、大棚果蔬生產(chǎn)等。農民可以使用手機或電腦在該系統平臺上查詢(xún)自己的種、養情況，例如大棚和雞豬舍超過(guò)或達不到正常狀況隨時(shí)有短信提示。在了解種養過(guò)程中各項關(guān)鍵要素的實(shí)時(shí)變化情況后，可以通過(guò)專(zhuān)家系統進(jìn)行關(guān)鍵因素的定時(shí)、定量分析，對病蟲(chóng)害的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行預測預警，以便農戶(hù)及時(shí)采取應對措施，為農業(yè)生產(chǎn)提供保障[6]。

　　2 技術(shù)方案

　　2.1 物聯(lián)網(wǎng)遠程專(zhuān)家診斷指導系統的目標

　　一是信息采集采用智能測控系統，依托物聯(lián)網(wǎng)監測農作物生產(chǎn)；二是對農業(yè)生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，應用智能產(chǎn)品檢測、控制作物；三是實(shí)現農業(yè)生產(chǎn)管理的科學(xué)化與智能化，通過(guò)智能產(chǎn)品中的專(zhuān)家知識和技術(shù)支持，保障農業(yè)生產(chǎn)，為農戶(hù)提供及時(shí)有效的服務(wù)。

　　2.2 物聯(lián)網(wǎng)遠程專(zhuān)家診斷指導系統的功能

　　2.2.1 環(huán)境監測。主要包括各項環(huán)境數據的采集，如溫度、光照、土壤水分、濕度等，監測范圍包括大棚及作物生產(chǎn)區域。通過(guò)單傳感節點(diǎn)獨立采集和多傳感節點(diǎn)匯集采集的數據先傳輸到主機，再轉至服務(wù)器（GPRS網(wǎng)絡(luò )），以此實(shí)現可視化展現、實(shí)時(shí)監測、歷史數據查詢(xún)，并對實(shí)時(shí)數據和日數據形成直觀(guān)曲線(xiàn)。

　　2.2.2 數據挖掘。進(jìn)行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下標準溫室揭簾時(shí)間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，蓋簾時(shí)間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，其中X為當日到6月22日之間的天數，TEXT為Excel函數，實(shí)現種養小環(huán)境內遠程精準可控化生產(chǎn)。

　　2.2.3 智能預警、報警。一是報警。對任意監測指標或者在此基礎上計算得到的二級指標設置警戒閾值，滿(mǎn)足一個(gè)或者多個(gè)報警條件時(shí)，系統通過(guò)短信、電子郵件等方式向農戶(hù)、管理員等發(fā)出警報，通知其及時(shí)采取應對和處理措施。二是預警。設置一定的條件，對監測數據進(jìn)行計算更新，當監測指標以及二級指標被預測到未來(lái)將達到某一閾值，系統發(fā)出預先警報。以多種形式通知用戶(hù)，提醒其提前做好防范準備。

　　2.2.4 基地管理。主要包括基地（園區、片區）管理、大棚管理、設備（監測、控制設備，網(wǎng)關(guān)，設備參數）管理等。同時(shí)，可按以生產(chǎn)企業(yè)、合作社分布圖的方式進(jìn)行查詢(xún)、統計。系統通過(guò)提供直觀(guān)的頁(yè)面為用戶(hù)查詢(xún)和控制提供便利。

　　2.3 物聯(lián)網(wǎng)遠程專(zhuān)家診斷指導系統的構成

　　系統硬件通過(guò)RF組網(wǎng)技術(shù)，完成各個(gè)傳感器的數據采集和設備控制，通過(guò)檢測各項參數實(shí)現生長(cháng)環(huán)境數據的實(shí)時(shí)獲取。

　　2.3.1 工業(yè)控制專(zhuān)用計算機。專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制設計的計算機，在生產(chǎn)過(guò)程中監測與控制各個(gè)機器設備、生產(chǎn)流程以及數據參數。

　　2.3.2 傳感器。①光照傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～50 000 lx之間，準確度為±50 lx；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。②溫濕度傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在 -20～60 ℃之間，準確度±2 ℃；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。③二氧化碳傳感器。采用 <36 V直流供電或者電池供電；量程在0～5 000 mg/kg之間；準確度±40 mg/kg；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。④土壤水分傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～100%之間；準確度為±3%；工作環(huán)境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，直插式安裝。

　　2.3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。數據傳輸單元（DTU）主要用于匯集、打包多個(gè)采集節點(diǎn)的數據，發(fā)送至上位機及市級數據中心。網(wǎng)關(guān)與采集控制器組成基于RF射頻的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)，傳輸距離 ≥1 000 m，1個(gè)溫室大棚部署1套采集控制器，則通過(guò)1個(gè)網(wǎng)關(guān)控制32個(gè)大棚的采集器。具有設備入網(wǎng)功能，與周?chē)鸁o(wú)線(xiàn)采集器、無(wú)線(xiàn)控制組成網(wǎng)絡(luò )；不同的網(wǎng)關(guān)與周?chē)�采集控制節點(diǎn)具有構成互不干擾的網(wǎng)絡(luò )。

　　2.3.4 采集器。1個(gè)采集控制器負責1個(gè)環(huán)境監測節點(diǎn)，負責收集溫室的各種數據，通常1個(gè)大棚部署1個(gè)采集節點(diǎn)（較大規模溫室可設置多套）。采集控制器具有LED顯示屏功能（圖1），可循環(huán)顯示采集到的溫度、濕度、土壤水分、二氧化碳等數據信息；采集控制器通過(guò)RF射頻向數據網(wǎng)管發(fā)送數據。

　　2.3.5 氣象哨。氣象哨可以采集露地和溫室外相應的環(huán)境參數，包括空氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，為種植管理者提供環(huán)境依據，為農業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和決策提供幫助。

　　2.3.6 LED顯示終端。LED（0.35 m×1.00 m）陣列顯示屏，放置于安裝物聯(lián)網(wǎng)監測設備的溫室緩沖間外壁，可實(shí)時(shí)顯示該溫室的環(huán)境參數，方便生產(chǎn)管理者及時(shí)采取措施，確保溫室環(huán)境穩定。

　　3 主要技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)

　　通過(guò)對冀東半地下式棚室內多個(gè)傳感器大量數據的采集與分析，挖掘出本地設施內的溫、濕、水、氣等多種作物生長(cháng)因子的變化規律，結合設施內當地的主栽品種，編制出相應作物的物聯(lián)網(wǎng)控制參數閾值（針對冀東地區半地下溫室，黃瓜頂風(fēng)口單獨放風(fēng)溫度閾值為25.5 ℃，西紅柿頂風(fēng)口單獨放風(fēng)溫度閾值為27 ℃，雙風(fēng)口同時(shí)放風(fēng)溫度閾值提高2 ℃），形成標準化的作業(yè)流程。

　　利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機移動(dòng)應用APP技術(shù)，通過(guò)專(zhuān)家知識庫服務(wù)器遠程自動(dòng)應答，實(shí)現對冀東地區設施農業(yè)種植中的核心要素及畜牧養殖環(huán)境中的關(guān)鍵指標（如溫度、濕度、NH4濃度、CO2濃度、土壤水分）的遠程監測與控制能力。

　　進(jìn)行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下式標準溫室揭簾時(shí)間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，蓋簾時(shí)間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，其中X為當日到6月22日之間的天數，TEXT為Excel函數，實(shí)現種養小環(huán)境內遠程精準可控化生產(chǎn)。

　　整合多種資源，形成氣象+市場(chǎng)+物流=農產(chǎn)品生產(chǎn)，改善系統處理異常數據的容錯能力，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)系統對農業(yè)基礎設施的預判性控制。推廣微灌肥水一體化技術(shù)，利用控制器精準控制施肥量，可使肥料利用率提高40%～50%，春季黃瓜結果盛期，黃瓜棚每4 d隨水澆施純N 19.5 kg/hm2、P2O5 7.5 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。

　　4 效益分析

　　4.1 直接經(jīng)濟效益

　　一是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)家系統的精確溫濕度控制，保證適宜的水、肥、氣、熱等作物生長(cháng)因子管理，做到科學(xué)種養，平均年增收2.1萬(wàn)元/hm2。以種植溫室黃瓜為例，溫室黃瓜平均產(chǎn)量為105 t/hm2，平均增產(chǎn)8%（8.4 t/hm2），按平均價(jià)格2.4元/kg計算，實(shí)現增收2.016萬(wàn)元/hm2。二是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化控制，使每個(gè)棚室每年減少用工時(shí)數18個(gè)，節省農藥、水肥成本90元，溫室平均可節約成本28 350元/hm2。

　　4.2 社會(huì )效益和生態(tài)效益

　　一是有效保護生態(tài)環(huán)境；二是節約了水肥資源；三是實(shí)現了農業(yè)生產(chǎn)管理的遠程化和自動(dòng)化，減少了人工投入，從而使社會(huì )資源得到更合理的分配�？梢灾苯哟龠M(jìn)當地經(jīng)濟的發(fā)展，并為農業(yè)信息化發(fā)展積累經(jīng)驗。

　　5 參考文獻

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