戴 秀 王 堅 強 任 妮 等 智 能 水 肥 一 體 化 管 控 平 臺 的 設 計 與 實 現 江 蘇 農 業(yè) 科 學 智 能 水 肥 一 體 化 管 控 平 臺 的 設 計 與 實 現 戴 秀 王堅強 任 妮 劉家玉 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)信息研究所 江蘇南京 摘 要 當前水肥一體化技術已日漸普及 但其線上管控平臺還存在不少問題 如管理比較簡單 缺少手動預設和自 動生成水肥策略功能等 因此設計和實現了一種智能水肥一體化管控平臺 管控平臺擁有完善的機構 用戶 溫室 機 器和權限等系統(tǒng)管理功能 實時采集 展示和分析土壤 環(huán)境等傳感器數據和水肥數據 能夠及時對異常情況進行多種 方式的告警 能夠線上手動或自動幫助農戶預設水肥策略等 實際運行結果說明 該管控平臺的架構與模塊設計合 理 用戶友好度高 功能比較全面和靈活 提高了水肥一體化技術的自動化和智能化水平 關 鍵 詞 水肥一體化 管控平臺 水肥管控 云平臺 中 圖 分 類 號 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項目 江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 編號 年江蘇省省級現代農業(yè)發(fā)展項目 編號 作者簡介 戴 秀 女 江蘇徐州人 碩士 助理研究員 主 要從事農業(yè)大數據分析與可視化研究工作 通信作者 劉家玉 副研究員 主要從事信息化建設 信息安全研究工 作 水肥一體化技術是現代種植業(yè)中一項先進的 水肥管理技術 具有提高水肥利用效率 降低勞動 力成本等優(yōu)點 是目前國際上公認的最好的灌溉施 肥技術 我國自 年開始水肥一體化技術 的研究試驗 年 農業(yè)部組織實施國家旱作節(jié) 水農業(yè)項目 水肥一體化技術日益被重視 發(fā)展至 今已得到大面積 多作物種類的推廣應用 隨 著信息技術 特別是物聯(lián)網 云計算 大數 據 等關鍵技術的發(fā)展 為了進一步提高對水肥一 體化系統(tǒng)的自動化和智能化管控 已有不少研究者 設計了水肥一體化線上管控平臺 金永奎等 采用 結構實現了云端管控系統(tǒng) 用戶能夠查看 機器狀態(tài) 設置運行參數以及啟停設備 提高了試 點機器的管理效率 師志剛等為田間灌溉系統(tǒng) 建立了簡單的信息中心 精確展示農田環(huán)境信息 水量信息等 趙進等設計了水肥一體化智能管 理系統(tǒng) 并實現了云平臺遠程控制軟件 功能上大 致包含模式選擇 灌溉信息 報警信息 作物信息 系統(tǒng)參數等 與線上管控平臺不同 張雪飛等 利用 開發(fā)智能決策節(jié)水灌溉控制器 在硬件 端獲取數據 運行模型 有效地實現了設施蔬菜的 適量灌溉 但受限于硬件性能 必然無法實現復雜 的模型計算 不利于后續(xù)功能擴展 當前我國水 肥一體化技術體系中 管控平臺的設計和建設較為 薄弱 平臺功能大多比較簡單 如查看機器狀態(tài) 直 接控制機器開關等 少數實現了完整的用戶和權限 管理 鮮有提供線上預設水肥計劃和策略或是根據 實時監(jiān)測值自動計算和分配水肥的功能 不能有效 提升水肥一體化技術的管控水平 針對當前水肥一體化管控平臺存在的問題 本 研究設計并實現一種智能水肥一體化管控平臺 擁 有完善的機構 用戶 溫室 機器和權限管理功能 專家可以線上幫助農戶預設水肥計劃和策略 平臺 也可以通過實時采集分析土壤 環(huán)境等數據再結合 專家經驗知識 實時計算和分配水肥 提高水肥一 體化技術的全方位自動化和智能化管理水平 平 臺 架 構 設 計 分層式結構是當前軟件體系架構設計中使用 最頻繁 也是應用效果最好的一種結構 因此 本研究中的架構設計參考了經典的三層架構 數據 訪問層 業(yè)務邏輯層 表現層 并 結合實際情況 設計了如圖 所示的架構 圖中各 層之間只能通過接口提供數據和服務 如 應用層 接收用戶請求 然后將請求轉發(fā)到服務層為應用層 提供的接口 服務層通過邏輯判斷和處理等步驟后 通過數據層暴露的接口發(fā)起數據訪問請求 數據訪 問層最終從數據庫直接獲取結果數據后再反饋給 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 服務層和應用層 該結構實現了前臺應用與后臺 服務之間的解耦 安全性高且易于維護 基礎設施層是服務層和應用層的基礎 為平臺 建設提供基礎支撐 本研究中該層包括種植區(qū)域 布設的設備 如傳感器 水肥一體機 網關 攝像頭 等 包含建設平臺本身所需的資源 如存儲 物理主 機 虛擬機等設施 利用傳感器能夠采集土壤溫濕 度 土壤 值 值和光照強度等指標 為水肥控 制提供依據 水肥一體機是平臺的核心設備 它除 了能夠實現水肥澆灌工作之外 還必須提供讀取數 據 設置參數和狀態(tài)控制接口 種植區(qū)域布設的網 關主要用于穩(wěn)定地接收傳感器和水肥一體機的數 據 然后再傳輸到平臺數據庫 存儲需要采用物理 主機作為服務器 數據層包含了 個層面 存儲的數據資源和對 數據的訪問 數據資源大致分為平臺錄入的基本 信息 如機構 用戶 種植作物等 所有傳感器的監(jiān) 測數據 水肥一體機的接口相關信息 工作參數和 水肥數據等以及水肥施用的專家知識 采用關系 數據庫存儲上述數據資源 數據訪問則管理數據 庫的連接和直接操作 包括 服務 即增加 修 改 刪除 加載 和復雜的查詢服務等 服務層是應用層和其他層之間的邊界 涵蓋了 業(yè)務邏輯層 是實現具體業(yè)務邏輯的地方 服務層 主要包含如下服務 系統(tǒng)管理服務支持系統(tǒng)基本信 息如用戶 機器等的增刪改查 機器控制服務能夠 向水肥一體機的 發(fā)送開始和停止工作的指令 實現機器工作的實時控制 數據采集服務按照一定 周期讀取傳感器和機器數據 并調用數據交互層相 關接口保存到數據庫 數據檢索服務提供對傳感器 和水肥歷史數據的條件查詢 策略服務包括對策略 增刪改查的基本操作 智能化策略的計算生成功 能 策略遠程寫入到機器的功能 告警服務通過監(jiān) 測傳感器和機器的實時數值 判斷是否存在異常 并將告警通知到用戶 再到告警解除功能 應用層位于結構中的最頂層 它為最終用戶提 供界面化的交互功能 平臺所有的交互都從該層進 入 通過界面 用戶能夠進行機構 機器等系統(tǒng)基 本信息的錄入 修改 刪除等操作 用戶點擊按鈕遠 程控制機器的啟停 頁面實時刷新展示機器的工作 狀態(tài)以及傳感器的數據 策略管理支持用戶遠程設 置水肥工作參數 查看手動和自動添加的所有策略 等 告警管理包括用戶設置告警條件 查看和解除 告警等 平 臺 功 能 模 塊 設 計 系統(tǒng)管理模塊 系統(tǒng)管理模塊主要是對機構 用戶 溫室 水肥 機 傳感器以及角色權限的增刪改查 機構下能夠 設置多個子機構和多個部門層級 基本滿足不同組 織架構的復雜情況 一個機構里的用戶類型大致分 為機構管理員 農事操作人員和查看人員 一個機 構只有一個機構管理員 擁有本機構里的最高權 限 溫室包括地理位置 面積 種植作物等基本信 息 水肥一體機包括型號 灌區(qū) 面積 流量等 等信 息 傳感器的信息錄入主要是監(jiān)測類型 生產廠家 等 機構 溫室 水肥一體機和機構 溫室 傳感器均 為從屬關系 對一個普通用戶 除了給其賦予能限定 操作或查看的角色 還可以給其分配本機構內具體管 理的一個或多個溫室 達到更細粒度的權限控制 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 數據采集與展示模塊 本模塊主要包括傳感器與水肥一體機的數據 采集與展示 空氣溫濕度 土壤溫濕度 土壤 值 光照強度等傳感器的實時數據通過 協(xié)議 傳輸至網關 采集模塊通過 從網關每一分 鐘獲取一次所有傳感器的數據 并保存到平臺數據 庫中 水肥一體機采用可編程邏輯控制器 控 制機器的工作 輸出寄存器中的數據 如機器狀態(tài) 工作的設置參數 水肥數據等 根據具體 的性 能 通過 協(xié)議以不超過 次的頻率傳輸至 為其配置的獨立網關 采集模塊通過 從水 肥一體機網關每隔 獲取 次澆灌的水肥數據 并增量保存到平臺數據庫中 數據展示模塊主要包括實時數據和歷史數據 的展示 前臺使用 技術以分頁的形式讀取平臺 數據庫中所有傳感器數據和水肥歷史數據 并用表 格和圖表 種方式展示傳感器所有數據 展示前臺 通過調用采集模塊的相應接口 每 通過 從水肥一體機網關獲取機器的工作狀態(tài) 并刷新到 展示界面 而水肥一體機的設置參數則只在被訪問 時進行實時獲取和展示 機器控制與水肥策略模塊 本模塊支持在管控平臺上手動和自動控制機 器工作 查看監(jiān)控影像 傳感器數據以及當前機器 狀態(tài) 根據經驗手動控制機器是否立即澆灌 調整 澆灌量 平臺發(fā)送開始和停止指令到機器的 即 可實現控制 自動控制機器 也就是水肥策略的制 定 而水肥策略的設置又分為手動和自動 可以查 看溫室中錄入的作物和面積等基本信息 然后結合 經驗 在前臺手動預設作物不同生育階段的水肥澆 灌策略 包括澆灌次數 澆灌時間和澆灌量等 然后 分時自動地寫入到機器 也可以由平臺監(jiān)測傳感器 的實時數值 當達到澆灌的閾值時 結合機理模型 與經驗模型 利用 方程 和目標 產量法 確定本次時間段內的水量和肥量 然后 根據機器參數轉換成機器工作的時長或是澆灌升 量 即時寫入機器后便控制機器開始工作 告警模塊 告警模塊主要是監(jiān)控傳感器數值 水肥一體機 工作是否正常和設備聯(lián)網狀態(tài)等 用戶可預設土壤 值 值 土壤濕度 以及營養(yǎng)液 值 值 或水肥比例等數值的可接受范圍 根據獲取的水肥 和傳感器數據 判斷各裝備是否正常聯(lián)網 各裝備 監(jiān)測的數值是否處于正常范圍 如水肥濃度是否安 全 水泵有無空轉 土壤有無鹽分積累等 異常則產 生告警并通過首頁高亮 響鈴 發(fā)送短信等方式通 知管理人員 平 臺 開 發(fā) 與 實 踐 在平臺實現時 為了便于后期維護和擴展 選 擇了當下主流且前景良好的開發(fā)技術和框架 系 統(tǒng)整體上采用 架構 和 相比 它是建立在 廣域網上的 適應范圍廣 維護升級比較簡單 關系 型數據庫采用開源的 后臺開發(fā)使用 語 言 并選擇了基于 的能夠簡化編碼 配置和部 署的 框架 它使得開發(fā)工作更加省時 省心 省力 是未來發(fā)展的一個大趨勢 同時整合了 持久層框架 使得開發(fā)人員可以使用面向對 象的編程思想來操作數據庫 免除了幾乎所有的 代碼以及設置參數和獲取結果集的工作 前 端采用 它是 和 的集合 是 一個快速開發(fā) 應用程序的前端工具包 為網頁 提供自適應布局和優(yōu)化的元素樣式 本系統(tǒng)在 服務器上部署后 接入了試驗 基地中的 臺水肥機 并錄入其所屬溫室 種植作 物 灌區(qū)等信息 水肥一體機類型分別為四灌區(qū)單 肥 四灌區(qū)三肥和三灌區(qū)雙肥 均能在平臺界面上 進行統(tǒng)一展示和控制 圖 和圖 分別是實現的管 理后臺中水肥機管理界面和管控前臺中控制臺界 面 用戶如果擁有后臺管理權限 即機構管理員類 型的用戶 那么在登錄時可以選擇進入管理后臺或是 管控前臺 其中進入管理后臺后也可以跳轉到前臺 如果用戶沒有后臺管理權限 即只是農事操作人員或 是查看人員 則直接進入管控前臺 控制臺每 刷 新 次 實時地展示機器工作狀態(tài)與傳感器數據 結 論 本研究設計并實現的智能水肥一體化管控平 臺 包含 層架構設計 安全性高 易于維護和擴展 平臺功能完備 充分考慮了實際應用需求 實現了 用戶 溫室和機器等基本信息的錄入管理和細粒度 的權限控制 傳感器和機器狀態(tài)等數據的實時查 看 還提供了水肥策略的手動設置和自動生成功 能 應用表明 管控平臺提高了傳統(tǒng)水肥一體化技 術的自動化和智能化水平 更近一步方便了農事管 理 且一定程度上提高了水肥施用的科學性 但是 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 目前肥料施用的自動策略主要是基于經驗模型進 行的計算分配 沒有結合當前作物的實時養(yǎng)分含 量 未來需要積累更多維度的數據 建立更加精細 的養(yǎng)分模型 提高該部分的智慧化水平 參 考 文 獻 江景濤 楊然兵 鮑余峰 等 水肥一體化技術的研究進展與發(fā)展 趨勢 農機化研究 易文裕 程方平 熊昌國 等 農業(yè)水肥一體化的發(fā)展現狀與對策 分析 中國農機化學報 高祥照 杜 森 鐘永紅 等 水肥一體化發(fā)展現狀與展望 中國農業(yè)信息 吳現兵 白美健 李益農 等 蔬菜水肥一體化研究進展分析 節(jié)水灌溉 歐陽愛國 李 雄 張 偉 等 贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)設計與實 現 河南農業(yè)科學 馬 興 王 巍 韓 潔 等 以物聯(lián)網技術加快實現農業(yè)現代化 山西農業(yè)科學 葛文杰 趙春江 農業(yè)物聯(lián)網研究與應用現狀及發(fā)展對策研究 農業(yè)機械學報 臧賀藏 王來剛 李國強 等 物聯(lián)網技術在我國糧食作物生產過 程中的應用進展 河南農業(yè)科學 張賓賓 李家春 蔡 秀 等 基于云計算的水肥一體化控制體系 研究 農機化研究 劉永波 唐江云 曹 艷 等 基于云計算的農業(yè)信息化優(yōu)勢分 析 山西農業(yè)科學 陳穎博 大數據在智慧農業(yè)中的應用研究 湖北農業(yè)科學 李淑華 農田土壤墑情監(jiān)測與智能灌溉云服務平臺構建關鍵技 術研究 北京 中國農業(yè)科學院 石 瑩 基于物聯(lián)網技術的水肥一體化服務云平臺 石家 莊 河北科技大學 金永奎 盛斌科 孫 竹 等 水肥一體化管控系統(tǒng)設計和實現 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期 農機化研究 師志剛 劉群昌 白美健 等 基于物聯(lián)網的水肥一體化智能灌 溉系統(tǒng)設計及效益分析 水資源與水工程學報 趙 進 張 越 趙麗清 等 水肥一體化智能管理系統(tǒng)設計 中國農機化學報 馮培存 魏正英 張育斌 等 基于云平臺的智能精量水肥灌溉 控制系統(tǒng)設計 中國農村水利水電 陳 東 杜緒偉 馬兆昆 基于物聯(lián)網的智能水肥一體化管理系 統(tǒng)構建 貴州農業(yè)科學 張雪飛 彭 凱 王建春 等 設施蔬菜水肥一體化智能灌溉控 制系統(tǒng)的設計及試驗 山西農業(yè)科學 陳 敏 淺析 層架構的組成及優(yōu)勢 信息通信 付裕峰 農業(yè)物聯(lián)網平臺的整體架構設計及實現 山西科 技 呂燦翔 石 佳 劉晨輝 作物需水量 計算方法及普適性探 討 南方農機 付汝勇 張明剛 作物測土配方施肥配方的實用方法 目標 產量法 以玉米為例 農業(yè)科技與信息 黃治平 米長虹 侯彥林 等 生態(tài)平衡施肥模型與目標產量施 肥模型比較研究 農業(yè)資源與環(huán)境學報 孫 想 吳 華 瑞 郭 旺 等 數 字 鄉(xiāng) 村 大 數 據 平 臺 設 計 與 應 用 江 蘇 農 業(yè) 科 學 數 字 鄉(xiāng) 村 大 數 據 平 臺 設 計 與 應 用 孫 想 吳華瑞 郭 旺 李慶學 彭 程 北京農業(yè)智能裝備技術研究中心 北京 北京農業(yè)信息技術研究中心 北京 國家農業(yè)信息化工程技術研究中心 農業(yè)信息軟硬件產品質量檢測重點實驗室 北京 摘 要 在實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略 推動數字農業(yè)與數字鄉(xiāng)村發(fā)展的時代背景下 為了提高鄉(xiāng)村數字化建設效率 運用物 聯(lián)網 系統(tǒng)協(xié)同 人工智能等手段獲取村鎮(zhèn)基礎設施 自然環(huán)境 社會經濟 生產技術 商貿物流 社會保障 基層治理等 動靜態(tài)數據 構建數字鄉(xiāng)村大數據平臺 平臺基于 數據中臺 業(yè)務前臺 服務架構 支持多用戶定制 數據多維分析 和多業(yè)態(tài)服務擴展 實現產業(yè)興旺 生態(tài)宜居 鄉(xiāng)風文明 治理有效 生活富裕 個系統(tǒng) 通過鄉(xiāng)村大數據管理 挖掘和 決策分析為村鎮(zhèn)管理部門 經營組織和農民提供個性化服務 該平臺已成功應用于多個鄉(xiāng)鎮(zhèn) 為鄉(xiāng)村產業(yè)經濟發(fā)展 農民生活品質提高和基層治理能力提升提供一種開放 高效的信息化解決方案 關 鍵 詞 數字鄉(xiāng)村 大數據 平臺 技術架構 實現路徑 感知體系 服務 中 圖 分 類 號 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 收稿日期 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 編號 作者簡介 孫 想 女 天津寧河人 博士 研究員 主要從事 農業(yè)智能系統(tǒng)研究 通信作者 吳華瑞 博士 研究員 主要從事農業(yè)智能系統(tǒng)研究 在國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施和數字經濟快速發(fā) 展的時代背景下 黨中央 國務院高度做出實施大 數據和數字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略 大力推進 互聯(lián)網 現代農 業(yè)等一系列重大部署 以縮小我國城鄉(xiāng) 數字鴻 溝 隨著物聯(lián)網 移動互聯(lián)網 云計算技術的快速 發(fā)展 鄉(xiāng)村管理與服務數據呈海量增長趨勢 這些 數據具有領域涉及廣 涵蓋鏈條長 時空關聯(lián)特點 顯著 尺度與粒度多樣等特點 如何利用這些數 據 為鄉(xiāng)村振興提供服務是擺在我們面前的重要課 題 利用大數據貫穿鄉(xiāng)村 產業(yè)興旺 生態(tài)宜居 鄉(xiāng) 風文明 治理有效 生活富裕 各個環(huán)節(jié) 關聯(lián) 基礎 設施 自然環(huán)境 社會經濟 生產技術 商貿物流 社 會保障 基層治理 全要素 通過生產 生活 服務 管理等數據一體化管理與協(xié)同服務 為管理人員提 供鄉(xiāng)村跨域服務與治理全息數據決策 為鄉(xiāng)村用戶 提供精準畫像與個性化服務 是未來支撐鄉(xiāng)村智慧 化 現代化發(fā)展的有效途徑 大數據通過收集種類繁多 范圍廣泛的信息資 源 挖掘獲得隱藏的有價值的信息 為鄉(xiāng)村治理和 決策行為提供全息數據支撐 推動鄉(xiāng)村治理的決策 模式由經驗決策向數據決策轉變 提升鄉(xiāng)村的應急 管理能力 國內外農業(yè)農村大數據的研究重點主 要集中在數據感知采集 存儲管理 監(jiān)測與預警 數 據挖掘與智能決策 平臺構建與應用綜述等方 江蘇農業(yè)科學 年第 卷第 期