2021年 5期 智慧農業(yè) 專論與綜述 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 基于物聯網的智慧農業(yè)系統建設與思考 李 欣澤 鄧昀 陳 守 學 桂 林 理 工 大學 廣 西 桂 林 541006 我國農業(yè) 發(fā)展 中 普遍 存 在 農業(yè) 產 業(yè) 化 的 整 體 水平 低 農業(yè) 發(fā)展 不 平 衡 農業(yè) 生產 中 浪 費 人 力 物 力 農業(yè) 生 產 機 械 化程度 低 等 問題 我國農業(yè) 發(fā)展 面 臨 巨 大 挑 戰(zhàn) 水 土 資源 束縛 日 益 嚴峻 不 正 確的農業(yè) 生產方式 還 可能 會 導致 農業(yè) 生 態(tài) 環(huán) 境 污 染 加重 生 態(tài) 系 統 遭受 較大 程度 破 壞 因 此 目前 的農業(yè)系 統 需 要 向更 專業(yè) 化 更 智 能 化 的 智 慧 農業(yè)系 統方 向 轉 型 推 動 農業(yè) 產 業(yè) 發(fā)展 1智慧農業(yè) 系統 的現狀 智 慧 農業(yè)是 根 據 農業(yè) 畜牧 業(yè)及 林 業(yè) 生產實 際 需 求 及現 代 網絡 發(fā)展 現 狀 采用 頂 層 設 計 統 一 規(guī) 劃 建 設統 一 資源 數據 系 統 統 一 平 臺 分 部 門 實 施 分 系 統 建 設 提供 統 一 集 成 服務 統 一 運 營 維 護 綜 合 應 用 互 聯 網 移 動互 聯 網 云 計 算 物 聯 網 智 能 控制 智 能 決 策 精 準農 業(yè) 衛(wèi)星遙 感 等 現 代信 息 技術的 新型 農業(yè) 智 慧 農業(yè) 最 大的 特點 就 是 使 農業(yè) 生產 更 智 慧 化 信 息 化 保 證 農業(yè) 生產 效 率 智 慧 農業(yè)系 統 常 應 用 于 1 對農業(yè) 生產 環(huán) 境 的 數據 監(jiān) 控 智 慧 農業(yè)系 統在實 際 的農 業(yè) 生產 當 中能 夠 準確地 獲 得 植物 生 長 發(fā) 育 的 條 件和 環(huán) 境 狀 況 例如 土 壤 電 導 率 溫濕 度 環(huán) 境 溫濕 度 風 速 風 向 等 環(huán) 境 要 素 然后 通過 人 們 長時 間 從事 農業(yè) 生產 當 中 的經驗以及大 數據 所 帶 來的 預 測 能 夠 有 效 地 為 農業(yè) 發(fā) 展 提供 科 學的 信 息 2 農業(yè) 危 害 狀 況的 預 防 智 慧 農業(yè) 能 夠 有 效 避免受 自 然 原 因 和人 為 原 因 的 影響 為 農業(yè)的 發(fā)展 提供 有 效 的 控制 方法 3 農業(yè)病蟲害識別 檢 測 農 作 物 健 康 狀 況一 直 在 農業(yè) 生產 中 備 受 關 注 部 分智 慧 農 業(yè)系 統具備 病蟲害識別 檢 測系 統 可以準確識別農 作 物 病蟲害類 型 2智慧農業(yè) 系統 建 設 主 要 內容 系 統 主要 包括 環(huán) 境 信 息 監(jiān) 控 系 統 視 頻 監(jiān)測系 統 氣象 監(jiān)測系 統 病蟲害 視 頻 監(jiān)測系 統 管 理決 策 系 統 2 1環(huán)境信息監(jiān)控系統 環(huán) 境 信 息 監(jiān) 控 系 統 架構 如 圖 1所 示 摘 要 近年 來 隨著 智 慧 農業(yè) 精 準 農業(yè)的 發(fā)展 智 能 感 知 芯片 移 動 嵌 入式系統等 物 聯網 技術在現代 農業(yè)中的 應 用 逐步 拓寬 物 聯網 技術在 精 準 農業(yè)中 發(fā) 揮 出 越來越 大 的 作 用 實現科學 監(jiān)測 科學 種植 提高農業(yè) 綜 合效 益 促 進 了現代 農業(yè)的 轉 型 升 級 團隊 設計 的 智 慧 農業(yè) 系統 基 于 云 計 算 人工智 能 物 聯網 等技術 建 設 環(huán)境 信 息 監(jiān) 控 系統 氣象 監(jiān)測 系統 視頻 監(jiān)測 系 統 管理 決 策 等系統 實現 農業(yè)生 產 的 智 能分 析 智 能 決 策 專家 在 線 農 作 物病蟲害 防治 及 科學 種植 指導 可以 減少 農業(yè)生 產 中 的 人 力 物 力投 入 實現 農業(yè) 智 能 化 關鍵詞 物 聯網 傳感 器 云 服務 器 農業(yè) 智 能 化 中圖分類號 S126 文獻標志碼 A 文章編號 2096 9902 2021 05 0012 04 Abstract Inrecentyears withthedevelopmentofsmartagricultureandprecisionagriculture theapplicationofInternet ofThingstechnologyinmodernagriculture suchasintelligentsensingchipandmobileembeddedsystem hasbeengradually broadened InternetofThingstechnologyisplayingamoreandmoreimportantroleinprecisionagriculture realizingscientific monitoringandscientificplanting improvingthecomprehensiveefficiencyofagriculture andpromotingthetransformationand upgradingofmodernagriculture The smartagriculturalsystem designedbytheteamisbasedoncloudcomputing artificial intelligence InternetofThingsandothertechnologiestobuildenvironmentalinformationmonitoringsystem meteorologicalmon itoringsystem videomonitoringsystem managementanddecision makingandothersystemstorealizeintelligentanalysis in telligentdecision making onlinecroppestcontrolandscientificplantingguidanceofexpertsinagriculturalproduction which canreducetheinputofmanpowerandmaterialresourcesinagriculturalproductionandrealizethetransitiontosmartagricul ture Keywords InternetofThings sensor cloudserver smartagriculture 基 金項目 2020年國家 級 大 學生 創(chuàng)新創(chuàng) 業(yè) 訓練 計 劃項目 編號 202010596053 作者簡介 鄧昀 1980 男 碩士研究 生 教授 研究方向 無 線 傳感 器網絡 陳 守 學 1978 男 碩士研究 生 講師 研究方向 無 線 傳感 器網絡 12 2021年 5期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 專論與綜述 圖 1環(huán)境 信 息 監(jiān) 控 系統 架構 圖 1 空 氣 溫濕 度 監(jiān)測 功 能 實 時監(jiān)測 園 區(qū) 空 氣 的 溫 度 和 濕 度 2 土 壤 濕 度 監(jiān)測 功 能 土 壤 濕 度采 集 節(jié) 點 配 有 土 壤 濕 度 傳 感 器 實 時監(jiān)測 園 區(qū) 土 壤 的 濕 度 3 光 照 度 監(jiān)測 功 能 光 照 度采 集 節(jié) 點采用 光 敏 電 阻 來 實 現對 園 區(qū) 光 照 情況的 檢 測 4 土 壤 pH監(jiān)測 功 能 土 壤 pH采 集 節(jié) 點采用 土 壤 pH傳 感 器 來 實 現對 園 區(qū) 土 壤 pH情況的 檢 測 5 控制風 扇 促 進 植物 光 合 作 用 功 能 植物 光 合 作 用 需 要 光 照 和 二 氧 化 碳 當 光 照 度 達 到 系 統設 定 值 時 系 統 會 自 動開 啟風 扇 加 強 通 風 為 植物 提供 充 足 的 二 氧 化 碳 6 控制 加 濕 器給 空 氣 加 濕 功 能 如 果 空 氣 濕 度小 于 設 定 值 系 統 會 啟 動 加 濕 器 達 到設 定 值 后 便 停 止 加 濕 7 控制噴 淋 裝 置 給土 壤 加 濕 功 能 當土 壤 濕 度 低 于 設 定 值 時 系 統便 啟 動 噴 淋 裝 置 來 噴 水 直 到 濕 度 達 到設 定 值 為 止 8 控制 加 熱 器給環(huán) 境升 溫 功 能 當 溫 度 低 于 設 定 值 時 系 統便 啟 動 加 熱 器 來 升 溫 直 到 溫 度 達 到設 定 值 為 止 2 2視頻監(jiān)測系統 視 頻 監(jiān)測系 統 架構 如 圖 2所 示 在 園 區(qū) 內 安 裝 高 清 監(jiān) 控 攝 像 機 攝 像 頭 實 時 捕獲 農 田 溫 室 大 棚 內 部 的 畫 面 通過高 速 IP網絡 將 畫 面 數據傳 輸 給 控制 中 心 視 頻 編 解 碼 模 塊 處理 管 理 人員 農業(yè)專家可以 在 液晶 顯 示 器上 看 到 農 田 溫 室 大 棚 內 部 的 實 時 畫 面 可 按 設 定 頻 率拍照 并 上傳照片 視 頻 圖 片 保存 在 存 儲 服務器 中 可以 實 現 視 頻 信 息 的長期 存 儲 和 方便 調 用 2 3氣象監(jiān)測系統 基 于 4G技術 風光 互 補 的 無 外 插 電 源 野 外 氣象 站 實 時監(jiān)測 氣象 信 息 實 時 采 集 園 區(qū) 大 氣 溫濕 度 風 向 風 速 光 照 輻射 以及 降雨 量 并 通過 4G網絡 傳 輸 至 控制 中 心 進行 處理 控制 中 心 通過 作 物 生產 控制 模 型 對 作 物 生 長 態(tài) 勢 進行實 時監(jiān) 控 和 數 字 化 處理 以 指 導 農業(yè) 生產 防 災 減 災 和 生產 管 理 風光 互 補 多 網 融 合 野 外 氣象 站 設 備 原 理 框 圖 如 圖 3所 示 圖 3風 光 互補 多 網 融 合 野外氣象站 設 備 原 理 框 圖 2 4病蟲害視頻監(jiān)測系統 基 于 視 頻 圖像 處理 以 蘋果 櫻桃 葡萄 三 種 水 果 葉 片 的病蟲害 為研究 對 象 首 先 基 于 LeNet 5網絡 模 型 設 計了 一 個簡 單 11層 卷 積 神 經網絡 用 于 葉 片 病蟲害的 識別 經 過 了 25批 次 訓練 4650次 迭 代 后 在訓練 集 的 正 確 率 近 乎 為 1 驗 證 集上 的 正 確 率 為 90 LeNet 5網 絡 模 型 在用 于 未 經 訓練 的 數據 進行隨 機 測 試 時 有 害 葉 片 病 癥 的識別 率 卻 極 低 這 是 因 為該模 型 存 在 數據量 過 圖 2視頻 監(jiān)測 系統 架構 圖 13 2021年 5期 智慧農業(yè) 專論與綜述 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 少造 成 的 過 擬 合 現 象 因 此 引 入 數據 增 強 技術 與 遷 移 學 習 思 想 來 解決 該模 型 的 過 擬 合 問題 利用 了數據 增 強 技 術 與 遷 移 學 習 思 想 以 VGGNet 16與 InceptionV3模 型 進行微 調 分 別 取 得了 92 與 94 8 的識別 率 該方法 為 以 后 在 農業(yè)中的應 用 奠 定 了基 礎 農業(yè)大 棚 農 作 物 視 頻 監(jiān)測 界 面 如 圖 4所 示 圖 4農業(yè) 大 棚 農 作 物 視頻 監(jiān)測 界面 2 5 管 理決策 系統 完 成 對 各 種 數據 的 展 示 分 析 和 決 策 指 揮 是 整 個 系 統 的 核 心 其 架構 如 圖 5所 示 圖 5管理 決 策 系統 架構 圖 1 數據 管 理子 系 統 對測 量 采 集 到 的 傳 感 器 氣 象 視 頻 數據 進行統 一 管 理 查 詢 2 現 場 設備 的 遠 程 控制 常 用 的現 場 設備 包括 風 機 水 閥 加 濕 器 加 熱 器 等 這 些 設備 均 可以 通過信 號 線 進行 控制 服務器 發(fā) 送 的 指令 被 轉 化成 控制 信 號 后 即 可 實 現 遠 程 啟 動 關 閉 現 場 設備 的 運 轉 3 現 場 設備 的自 動 控制 除 了 手 工發(fā) 送 指令 之 外 系 統 還 能 夠 根 據檢 測 到 的 環(huán) 境指標 進行 自 動 控制 現 場 設備 的 啟 動 關 閉 用 戶 可以自定 義 溫濕 度 光 照 CO 2 濃 度等 指標 的 上 限值 下 限值 并 定 義 當 指標 超 過 上 限 或 者 下 限 時 現 場 設備 如 何 響 應 啟 動 關 閉 4 專家 在 線 分 析指 導 診斷系 統 基 于 視 頻 監(jiān)測 平 臺 以及 數據 管 理子 系 統 農業(yè)專家 在 遠 程 可以 實 時 查 看 園 區(qū) 內 的 各 種 數據 溫 度 濕 度 光 照 水 量 作 物 生 長 視 頻 記錄 判 斷是 否 是 適 合 作 物 生 長的 最 佳 條 件 通過 遠 程 視 頻 系 統 查 看作 物病蟲害問題 實 現專家 在 線 指 導 診 斷 現 場 設備 遠 程 控制 圖 如 圖 6所 示 圖 6現 場 設 備 遠 程 控 制圖 3 智慧農業(yè) 系統 的 廣泛 應用 3 1 智慧農業(yè) 系統 在農業(yè) 大 棚環(huán)境監(jiān)控 中的應用 傳 統 農業(yè) 方式進行 農業(yè) 環(huán) 境 的監(jiān) 控 時 普遍 使用 人 工 管 理 方式 較 多 而 我 們團隊研發(fā) 的 智 慧 農業(yè)系 統 中的 農業(yè)大 棚 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統 由 部署 在 農業(yè)大 棚 內 的 各 種 傳 感 器 包括 土 壤 溫濕 度 傳 感 器 土 壤 pH傳 感 器 二 氧 化 碳 傳 感 器 光 照傳 感 器 等采 集 農業(yè) 環(huán) 境 中的 數據 通過 團隊設 計 的 多 網 融 合 數據傳 輸 方 案 進行 數據傳 輸 不 但 可以 實 現 智 能 化 自 動 化 的農業(yè) 環(huán) 境 監(jiān) 控 還 可以 保 證 數據傳 輸 過程 中的可靠 性 多 網 融 合 數據傳 輸 方法 解決 傳 輸 距 離短 數據 單 一 遠 程 供 電 困 難 等 一系 列 問題 從 14 2021年 5期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 專論與綜述 邁 向 智 慧 農業(yè)的 發(fā)展模式 和 實 現 路 徑 3 以 濱 州學院 服務 區(qū) 域中 小 林 果 種植 企 業(yè) 為 例 開 展 了 對物 聯 網 方 案 建 設 與 模式 策 略 有 效 性 的 檢 視 研究 增 強 了 研究 的 科 學 性 同 時 利用 積 累 的 數據 豐 富 了 研究 內 涵 研究 效 果 具有 較 高 的 理 論 和 實 踐 推 廣 價 值 參考 文獻 1 國 務 院 全 國 農業(yè) 現代 化規(guī) 劃 2016 2020年 國 發(fā) 2016 58號 Z 2016 2 汪懋 華 關 于智 慧 農業(yè) 釋義 與創(chuàng) 新 驅 動 發(fā)展 的 思考 J 農業(yè) 信 息 化 2018 7 24 28 3 趙 春 江 人工智 能 如 何 應 用 于 農業(yè) 分 五 步 J 農業(yè) 機 械 化 2019 12 126 4 張 輝 發(fā)展智 慧 農業(yè) 助 力 農業(yè)農 村 現代 化 J 農業(yè) 信 息 化 2019 9 21 5 張國 鋒 肖宛昂 大 力 推 進 人工智 能 在 農業(yè)生 產 中的 應 用 J 中 國國 情 國力 2020 4 6 8 6 周 子 晴 焦衛(wèi) 東 大數據時代 的 河北 林 業(yè) 信 息 化 建 設 之我見 J 河北 林 業(yè) 2018 8 16 17 7 李 世 東 抓住 重大 機 遇 實現智 慧 超 越 在 甘肅 省 林 業(yè) 信 息 化 建 設 現 場會 上的 講 話 Z 2018 10 18 8 徐元 明 實 施 互 聯網 現代 農業(yè) 的 技術支 撐 基 于 江蘇 省 農業(yè) 物 聯網 示范 應 用的 調查 J 現代 經濟探 討 2016 5 49 53 9 胡豹 顧 益 康 數 字 鄉(xiāng) 村建 設 鄉(xiāng) 村 振興 示范 省 建 設 的 主 引 擎 J 浙江 經濟 2019 24 40 41 10 蔣 璐 聞 梅燕 典 型發(fā) 達 國 家 智 慧 農業(yè) 發(fā)展模式 對 我國 的 啟 示 J 經濟 系統 論 壇 2018 5 158 164 而實 現農業(yè)監(jiān) 控 智 能 化 專業(yè) 化 3 2 智慧農業(yè) 系統 在農業(yè) 環(huán)境 數 據可視 化 管 理 中的應用 將 農業(yè) 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統 中 采 集 到 的 各 種 環(huán) 境 數據 進 行 匯總 統 計 以及 分 析 是 智 慧 農業(yè)系 統 的 重 中 之 重 智 慧 農業(yè)系 統 中的 智 慧 農業(yè) 平 臺 即 可以 實 現對 采 集 到 的 環(huán) 境 數據 進行統 計 同 比 分 析 環(huán) 比 分 析 的 功 能 還 可以 實 時監(jiān)測 采 集數據 對 比 農 作 物 植物的 適 宜 生 長 條 件 判 斷 當前環(huán) 境 是 否 適 合 作 物 生 長的 最 佳 條 件 并 給 出 調 整 意 見 3 3智慧農業(yè) 系統 在實 踐 教 學中的應用 團隊設 計 的 智 慧 農業(yè)系 統 是 基 于 云 計 算 人 工智 能 物 聯 網 等 技術 建 設 了 農業(yè) 生產 環(huán) 境 監(jiān) 控 智 能 節(jié) 水 灌溉 云 平 臺 等 系 統 系 統 可以 轉 換 為 農業(yè)物 聯 網 教 學 設備 將 團隊 自主 研發(fā) 的 多 網 融 合 數據傳 輸 技術中 涉 及 的 知 識 點 轉 換 為 教 學 案例素 材 加深高 校 學 生 對于 智 慧 農業(yè)系 統 的應 用 與理解 4 結束語 綜 上 所 述 智 慧 農業(yè)系 統在多方 面 多 角 度 都 提 高 了 農業(yè) 生產 的 效 率 在 一定 程度 上解決了 農業(yè)的可 持續(xù) 發(fā) 展 問題 具有 一定的 社 會效 益 和經 濟 效 益 未 來 也將 有 廣 闊 的 發(fā)展 空 間 值 得 我 們 不斷 研究 與探 索 參考 文獻 1 杭 州職 業(yè) 技術學 院 基 于 農業(yè)病蟲害 圖像 采集 識 別 防治裝置 CN201921759908 5 P 2019 10 16 2 胡 澤林 基 于 無 線 傳感 的 精 準 農業(yè)物 聯網 關 鍵 技術 與 原 型系統 研 究 D 北京 中 國 科學 院 大學 2012 3 哈爾 濱 市 啟 動 農業(yè) 信 息 化 平臺 建 設 J 農業(yè) 工程技術 2016 36 36 77 4 李 兆偉 物 聯網 智 能 溫 室 控 制系統 分 析 與 設計 D 北京 北京郵 電 大 學 2015 5 李 波 謝箭 羅永 利 等 基 于 無 線 傳感 網 技術 的 智 能 畜 牧 管理 系統 J 探 索 科學 2019 9 71 72 6 張 松茂 現代 農 場 智 慧 農業(yè) 系統 建 設研究 以 鹽城 市 七星 農 場 項 目 為 例 D 南 京 南 京郵 電 大學 2013 7 青 島港灣 職 業(yè) 技術學 院 一 種 GPRS物 聯網 接 入系統 及 方 法 CN201910316379 X P 2019 4 17 8 王 東 海 昆侖海岸 基 于 物 聯網 的農業(yè) 信 息 監(jiān) 控 系統 J 自 動化 博 覽 2014 3 34 36 9 馮森 微 型 ROV結 構設計 與 運 動 穩(wěn)定 性 分 析 D 天津 天津 科技大 學 2019 10 山東 冠 華 蛋白 有限 公 司 一 種 大 豆乳 品 蛋白復 合 物 及 其制 備 方 法 CN200910017198 3 P 2009 8 4 上接 11頁 15