基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究應(yīng)用論文
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以人力為中心、依賴于孤立機械，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程在農(nóng)業(yè)服務(wù)業(yè)中開展應(yīng)用后，通過基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)平臺可以有效改變生產(chǎn)模式，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能[1-3]。通過建立物聯(lián)網(wǎng)遠程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)，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(shù)據(jù)通過各種傳感器的采集，并利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)如以太網(wǎng)WEB、GPRS、3G等，將數(shù)據(jù)及時傳送到本地的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制室以及遠端的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，使設(shè)施農(nóng)業(yè)管理人員及時掌握農(nóng)作物的生長環(huán)境，并及時采取控制措施，從而達到預(yù)防病蟲害、提高生產(chǎn)質(zhì)量、提升勞動效率的目的。通過農(nóng)業(yè)專家預(yù)警系統(tǒng)，調(diào)節(jié)適宜作物的設(shè)施內(nèi)小環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高水肥利用率，降低人力消耗。通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以有效預(yù)測和預(yù)防風災(zāi)、雪等自然災(zāi)害，防止設(shè)施損害、農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)。在作物的不同生長階段，種養(yǎng)殖戶實時定量監(jiān)控各環(huán)境因子，如光、溫、水、氣等，科學管理設(shè)施內(nèi)作物的水、肥、氣等環(huán)境因子，降低人力消耗，實現(xiàn)了真正的精耕細作[4-5]。
1 總體思路
依靠無線網(wǎng)絡(luò)，對區(qū)域內(nèi)分散的農(nóng)業(yè)設(shè)施實行精細化管理，實時監(jiān)控光、溫、水、氣、濕及病蟲等對作物生長有重要影響的因素，掌握其變化情況。此模式可以應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖、大棚果蔬生產(chǎn)等。農(nóng)民可以使用手機或電腦在該系統(tǒng)平臺上查詢自己的種、養(yǎng)情況，例如大棚和雞豬舍超過或達不到正常狀況隨時有短信提示。在了解種養(yǎng)過程中各項關(guān)鍵要素的實時變化情況后，可以通過專家系統(tǒng)進行關(guān)鍵因素的定時、定量分析，對病蟲害的發(fā)生和發(fā)展進行預(yù)測預(yù)警，以便農(nóng)戶及時采取應(yīng)對措施，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障[6]。
2 技術(shù)方案
2.1 物聯(lián)網(wǎng)遠程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的目標
一是信息采集采用智能測控系統(tǒng)，依托物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測農(nóng)作物生產(chǎn)；二是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息進行實時監(jiān)控，應(yīng)用智能產(chǎn)品檢測、控制作物；三是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的科學化與智能化，通過智能產(chǎn)品中的專家知識和技術(shù)支持，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)戶提供及時有效的服務(wù)。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)遠程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的功能
2.2.1 環(huán)境監(jiān)測。主要包括各項環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，如溫度、光照、土壤水分、濕度等，監(jiān)測范圍包括大棚及作物生產(chǎn)區(qū)域。通過單傳感節(jié)點獨立采集和多傳感節(jié)點匯集采集的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)街鳈C，再轉(zhuǎn)至服務(wù)器（GPRS網(wǎng)絡(luò)），以此實現(xiàn)可視化展現(xiàn)、實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢，并對實時數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)形成直觀曲線。
2.2.2 數(shù)據(jù)挖掘。進行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下標準溫室揭簾時間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，蓋簾時間為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(shù)，TEXT為Excel函數(shù)，實現(xiàn)種養(yǎng)小環(huán)境內(nèi)遠程精準可控化生產(chǎn)。
2.2.3 智能預(yù)警、報警。一是報警。對任意監(jiān)測指標或者在此基礎(chǔ)上計算得到的二級指標設(shè)置警戒閾值，滿足一個或者多個報警條件時，系統(tǒng)通過短信、電子郵件等方式向農(nóng)戶、管理員等發(fā)出警報，通知其及時采取應(yīng)對和處理措施。二是預(yù)警。設(shè)置一定的條件，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算更新，當監(jiān)測指標以及二級指標被預(yù)測到未來將達到某一閾值，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)先警報。以多種形式通知用戶，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(qū)、片區(qū)）管理、大棚管理、設(shè)備（監(jiān)測、控制設(shè)備，網(wǎng)關(guān)，設(shè)備參數(shù)）管理等。同時，可按以生產(chǎn)企業(yè)、合作社分布圖的方式進行查詢、統(tǒng)計。系統(tǒng)通過提供直觀的頁面為用戶查詢和控制提供便利。
2.3 物聯(lián)網(wǎng)遠程專家診斷指導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)成
系統(tǒng)硬件通過RF組網(wǎng)技術(shù)，完成各個傳感器的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，通過檢測各項參數(shù)實現(xiàn)生長環(huán)境數(shù)據(jù)的實時獲取。
2.3.1 工業(yè)控制專用計算機。專門為工業(yè)控制設(shè)計的計算機，在生產(chǎn)過程中監(jiān)測與控制各個機器設(shè)備、生產(chǎn)流程以及數(shù)據(jù)參數(shù)。
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(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）主要用于匯集、打包多個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位機及市級數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)關(guān)與采集控制器組成基于RF射頻的無線傳輸網(wǎng)，傳輸距離 ≥1 000 m，1個溫室大棚部署1套采集控制器，則通過1個網(wǎng)關(guān)控制32個大棚的采集器。具有設(shè)備入網(wǎng)功能，與周圍無線采集器、無線控制組成網(wǎng)絡(luò)；不同的網(wǎng)關(guān)與周圍采集控制節(jié)點具有構(gòu)成互不干擾的網(wǎng)絡(luò)。
2.3.4 采集器。1個采集控制器負責1個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，負責收集溫室的各種數(shù)據(jù)，通常1個大棚部署1個采集節(jié)點（較大規(guī)模溫室可設(shè)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(shù)據(jù)信息；采集控制器通過RF射頻向數(shù)據(jù)網(wǎng)管發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.3.5 氣象哨。氣象哨可以采集露地和溫室外相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、濕度、風速、風向等，為種植管理者提供環(huán)境依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和決策提供幫助。
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(jiān)測設(shè)備的溫室緩沖間外壁，可實時顯示該溫室的環(huán)境參數(shù)，方便生產(chǎn)管理者及時采取措施，確保溫室環(huán)境穩(wěn)定。
3 主要技術(shù)創(chuàng)新點
通過對冀東半地下式棚室內(nèi)多個傳感器大量數(shù)據(jù)的采集與分析，挖掘出本地設(shè)施內(nèi)的溫、濕、水、氣等多種作物生長因子的變化規(guī)律，結(jié)合設(shè)施內(nèi)當?shù)氐闹髟云贩N，編制出相應(yīng)作物的物聯(lián)網(wǎng)控制參數(shù)閾值（針對冀東地區(qū)半地下溫室，黃瓜頂風口單獨放風溫度閾值為25.5 ℃，西紅柿頂風口單獨放風溫度閾值為27 ℃，雙風口同時放風溫度閾值提高2 ℃），形成標準化的作業(yè)流程。
利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機移動應(yīng)用APP技術(shù)，通過專家知識庫服務(wù)器遠程自動應(yīng)答，實現(xiàn)對冀東地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中的核心要素及畜牧養(yǎng)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(jiān)測與控制能力。
進行知識庫服務(wù)器本地化，冀東半地下式標準溫室揭簾時間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，蓋簾時間為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(shù)，TEXT為Excel函數(shù)，實現(xiàn)種養(yǎng)小環(huán)境內(nèi)遠程精準可控化生產(chǎn)。
整合多種資源，形成氣象+市場+物流=農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，改善系統(tǒng)處理異常數(shù)據(jù)的容錯能力，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)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(jié)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
一是通過物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)的精確溫濕度控制，保證適宜的水、肥、氣、熱等作物生長因子管理，做到科學種養(yǎng)，平均年增收2.1萬元/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），按平均價格2.4元/kg計算，實現(xiàn)增收2.016萬元/hm2。二是通過物聯(lián)網(wǎng)的自動化控制，使每個棚室每年減少用工時數(shù)18個，節(jié)省農(nóng)藥、水肥成本90元，溫室平均可節(jié)約成本28 350元/hm2。
4.2 社會效益和生態(tài)效益
一是有效保護生態(tài)環(huán)境；二是節(jié)約了水肥資源；三是實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的遠程化和自動化，減少了人工投入，從而使社會資源得到更合理的分配�？梢灾苯哟龠M當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，并為農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展積累經(jīng)驗。
5 參考文獻
[1] 閻曉軍，王維瑞，梁建平.北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012（4）：149-154.
[2] 李作偉，丁捷，毛鵬軍.設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程化應(yīng)用探討[J].農(nóng)業(yè)工程，2012（2）：35-39.
[3] 周小波. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線測控系統(tǒng)設(shè)計[J].太原科技大學學報，2011（3）：182-185.
[4] 盧闖，彭秀媛，宣鍇，等.物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2011（9）：10-13.
[5] 賈寶紅，錢春陽，宋治文，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其研究方向[J].天津農(nóng)業(yè)科學，2015（4）：51-53.
[6] 賈文珅，李孟楠，李雨，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用探討[J].食品安全質(zhì)量檢測學報，2016（11）：4401-4407.
【基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究應(yīng)用論文】相關(guān)文章：
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