CN106305371A - 基于云的农业物联网生产与管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于云的农业物联网生产与管理系统，包括农田生产环境监控子系统、数据分析专家子系统、农田生态信息发布子系统和灌溉控制子系统，其中数据分析专家子系统和农田生态信息发布子系统设置在公有云上，灌溉控制子系统、农田生产环境监控子系统设置在私有云上。本系统能综合监测多用户农业生产场所的陆表温度、土壤水分、视频信息和PAR（有效光合辐射）指数；农田信息通过Zigbee和GPRS传送，能够提供数据分析和处理，实现农情信息的分析、发布以及根据作物需求下达灌溉指令，通过自动灌溉子系统，根据灌溉指令实现农田的局部灌溉。

Description

基于云的农业物联网生产与管理系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，确切地说涉及一种以云为中心的农业物联网生产与管理系统。
背景技术
农业在我国是安天下、稳民心的战略产业，农业问题关系党和国家事业发展的全局，始终得到我们党高度的重视和认真的对待。当今世界的农业发展的两大趋势，就是农业的规模化、生态化。要实现规模化的生态农业生产，就必须采用工业化和信息化的生产方式对农业生产的过程实施控制和管理。将物联网技术应用于精细农业的工业化生产中，能大幅提升规模化生态农业的生产效率和产品质量，同时大规模的典型应用能够为大数据实施提供。
农作物的生长受到光照、温度、湿度和土壤水分等自然条件的影响，对农作物环境生态参数的采集是实施精准农业的基本手段。以麦冬为例，在光照方面，麦冬宜稍荫蔽，在强烈阳光下，叶片发黄，对生长发育不利。但过于荫蔽，易引起地上部分徒长，不利于块根的生长；温度方面，麦冬5—30℃能正常生长，最适生长气温15—25℃，过高或过低的温度其生长都要受到抑制。湿度方面，干旱和涝洼积水对麦冬生长发育都有显著的不良影响。麦冬宜稍湿润的土壤环境，需水较多，除栽植后应及时灌水浸润田土，促进幼苗迅速发出新根外。当天气较热土壤水分蒸发快时，需要及时灌水。麦冬的苗期管理，保证麦冬苗期生长良好，是麦冬高产的基础。目前精准农业的热点实施方法就是通过物联网（无线传感器网络）的地面监测进行农作物环境变化的快速监测，并利用无线自组织网络和互联网的数据对接实现三网融合，并且对灌溉实施自动控制。这已成为高效利用农业资源，提高农业生产的重要技术手段。
云是近期提出的最有期望成为下一代基于虚拟存储技术的数据中心，能够有效、安全、可扩展和面向市场的计算和存储资源。物联网的发展需要云技术强大的处理和存储能力作为支撑。从量上看，物联网将使用数量惊人的传感器，采集到海量数据。这些数据需要通过无线传感网、宽带互联网向某些存储和处理设施汇集，而使用云技术来承载这些任务具有非常显著的性价比优势；从质上看，使用云技术设施对这些数据进行处理、分析、挖掘，可以更加迅速、准确、智能地对农业进行管理和控制，使人类可以更加及时、精细地进行管理和控制，从而达到“智慧”的状态，大幅提高资源利用率和社会生产力水平。云技术凭借其强大的处理能力、存储能力和极高的性能价格，成为物联网的后台支撑平台。对于没有基于云的农业管理系统而言，很难为多数人提供普适的应用和数据分析。
发明内容
本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种基于云的农业物联网生产与管理系统，本系统能综合监测多用户农业生产场所的陆表温度、土壤水分、视频信息和PAR（有效光合辐射）指数；农田信息通过Zigbee和GPRS传送，能够提供数据分析和处理，实现农情信息的分析、发布以及根据作物需求下达灌溉指令，通过自动灌溉子系统，根据灌溉指令实现农田的局部灌溉。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：包括农田生产环境监控子系统、数据分析专家子系统、农田生态信息发布子系统和灌溉控制子系统，其中数据分析专家子系统和农田生态信息发布子系统设置在公有云上，灌溉控制子系统、农田生产环境监控子系统设置在私有云上。
所述的农田生产环境监控子系统，由分布于农田中的农田监测短距离WSN节点、部署于控制箱中的长距离WSN节点和视频监控节点三类节点组成，三类节点均通过无线接口发送监测数据到监控中心。
农田监测短距离WSN节点配置土壤水分传感器，负责测量农田土壤的水分；长距离WSN节点配置温度和光合辐射传感器，负责测量作物冠层温度和有效光合辐射指数；视频监控节点配置网络摄像头，获取农田环境的视频信息。
所述的数据分析专家子系统, 分为以下三个模块：
（1）数据接收模块：用于接收来自地面监测子系统的传感器节点数据；
（2）数据存储模块：用于存储和管理数据，数据库模块又分为用户数据模块和地图数据模块及农田监测信息数据模块；
（3）数据处理和灌溉决策模块
数据接收模块接收来自地面传感器节点数据，并根据需要对该数据进行格式转换处理，然后传入到数据存储模块，进行分类管理；数据处理和灌溉决策模块根据前端用户需求和系统采用的预制模型与算法对数据进行处理，形成统计数据与相关决策；处理后的数据由农田生态信息发布子系统以web和GIS形式进行发布，并提供用户查询交互功能；灌溉决策模块产生的操作指令发送到灌溉控制子系统控制管道电磁阀，完成可控灌溉。
所述的农田生态信息发布子系统，作为农田远程监控与自动化灌溉的物联网系统的展示系统并放置于公有云之上，结合地理信息为用户提供农田监测参数以及系统运行状态，并且提供实时数据查询，数据下载，专题图显示以及与用户的直接交互功能。
所述的灌溉控制子系统，是由管道流量计、电磁阀和电磁阀控制器构成的硬件执行机构，根据专家子系统发来的灌溉指令，控制电磁阀的启闭动作，实现对农田的分区按需自动灌溉。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：
1、本发明提出了一种以云为中心的“农业物联网生产与管理系统”，构建了能够综合监测多用户农业生产场所的陆表温度、土壤水分、视频信息和PAR（有效光合辐射）指数的监控系统；农田信息通过Zigbee和GPRS传送。系统提供数据分析和处理，实现农情信息的分析、发布以及根据作物需求下达灌溉指令。通过自动灌溉子系统，根据灌溉指令实现农田的局部灌溉。
2、本发明构建的概念性框架，即“农田生产环境监控子系统、数据分析专家子系统、农田生态信息发布子系统和灌溉控制子系统，其中数据分析专家子系统和农田生态信息发布子系统设置在公有云上，灌溉控制子系统、农田生产环境监控子系统设置在私有云上”，目的是整合云和无线传感器网络设备，建立一个以大型的基于云和无线传感器网络组成的系统，针对不同的农业应用（如机械化种植、大棚种植、药用种植等不同领域的应用）和不同的种植者习惯提供灵活的扩展性。传感器服务提供上可以加入网络并使用存储云提供数据；分析工具研发者可以提供软件工具；人工智能专家可以提供数据挖掘和机器学习工具用于将数据转化为知识，计算机图形设计者提供不同的可视化工具。云将为此提供一个统一的平台。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明系统结构示意图；
图2为地面监控子系统工作流程图；
图3为无线传感器系统网络架构图；
图4为灌溉决策模块示意图；
图5为农田生态信息发布子系统示意图；
图6为灌溉控制器组成示意图。
具体实施方式
本发明所述的农田生产环境监控子系统由三类负责信息采集的节点构成，即分布于农田中的农田监测短距离WSN（无线传感器网络）节点、部署于控制箱中的长距离WSN节点和视频监控节点。这三类节点通过所连接的传感器，分别采集土壤水分、作物冠层温度和有效光合辐射指数、农田环境视频信息，并通过无线通信方式发送到监控中心。
本发明具有以下特征。数据分析专家子系统运行于监控中心服务器，专家子系统对农田生态信息以及其他输入数据进行分析和处理，获得农田环境的相关统计信息，并根据预设的农田灌溉模型形成灌溉决策和指令。
农田生态信息发布子系统运行于监控中心服务器，以WEB和GIS形式构成用户界面，提供信息发布和用户查询与检索功能。
灌溉控制子系统是由管道流量计、电磁阀和电磁阀控制器构成的硬件执行机构，根据专家系统发来的灌溉指令，电磁阀控制器控制管道电磁阀的启闭动作，实现对农田的分区按需自动灌溉。
私有云由各个生产基地的服务器和中心服务器构成。各个生产基地的服务器提供了本地数据接入、灌溉控制、数据采集、数据存储、数据过滤、数据提交、仓库管理等功能，即由灌溉控制子系统、农田生产环境监控子系统组成。
私有云收集的各个生产基地的数据、处理、过滤后再提交数据给公有云。由于部分生产基地没有能力管理本地服务器，因此公有云还需要承担部分生产基地的服务器工作。公有云由数据分析专家子系统和农田生态信息发布子系统构成，考虑的采用阿里云、阿里短信云等平台。
农田生产环境监控子系统
基于无线传感器网络技术的农田生产环境监控子系统可连续实时的监测作物的农田生长环境信息，获取的数据再通过无线的方式发送到监控中心的数据分析专家子系统进行进一步处理。由于监控在田间操作，从通信成本和数据的私有性出发，该系统将放置与私有云之上，实现公有数据共享。工作流程如图2所示。
农田生产环境监控子系统中的短距离WSN节点配置土壤水分传感器，负责测量节点农田土壤的水分；长距离WSN节点配置温度和光合辐射传感器，负责测量作物冠层温度和有效光合辐射指数；视频监控节点配置网络摄像头，获取农田环境的视频信息。三类节点均通过无线接口发送监测数据到监控中心。
根据监控系统建模结果，在农田观测区域内需设置多个观测点，每个观测点之间的距离可在数公里甚至数十公里，若将所有观测点中的传感器节点进行互联组网，会造成资源的极大浪费。根据国家节能减排的战略方针及现有的技术基础，我们将每个观测点中的所有传感器节点作为一个子网，子网中短距离WSN节点通过相应的长距离WSN节点将数据发往监控中心，系统网络架构如图3所示。
数据分析专家子系统
数据分析专家子系统放置与公有云之上，将汇聚的数据进行分析，具体分为以下三个模块：
（1）数据接收模块（通信站）
用于接收来自地面监测子系统的传感器节点数据。
（2）数据存储模块
用于存储和管理数据。而数据库模块又分为用户数据模块和地图数据模块及农田监测信息数据模块。
（3）数据处理和灌溉决策模块
该子系统的工作流程为：数据接收模块（通信站）接收来自地面传感器节点数据，并根据需要对该数据进行格式转换等处理，然后其传入到数据存储模块（数据库），进行分类管理；数据处理和灌溉决策模块根据前端用户需求和系统采用的预制模型与算法对数据进行处理，形成统计数据与相关决策。处理后的数据由农田生态信息发布子系统以web和GIS形式进行发布，并提供用户查询等交互功能。灌溉决策产生的操作指令发送到灌溉控制子系统控制管道电磁阀，完成可控灌溉。
灌溉决策模块如图4所示。该模块的输入为田间无线传感器网络所取得的数据。模块从WSN数据库中取得最近一段时间内作物冠层温度、物候数据（即当地气候）、农业标准和土壤水分数据（时间长度根据作物的需求而定。有文献指出作物在10:00点至14:00点的冠层温度绝对变化率与土壤水分的绝对变化量趋势一致，且这个时间段为冠层温度的最佳测量时间，采集间隔为1小时。）等信息送入作物需水模型。
作物需水模型的建立是决策模块的核心。根据相关文献，作物土壤水分的含量并不能完全真实反应作物的水分状态及缺水程度，作物的缺水与否也可以表现在冠层温度变化量（Canopy Temperature Variability，CTV）上；该变化量体现作物冠层的蒸腾情况从而间接地反映作物冠层的水分状况，而不同作物的CTV阈值不同。本发明采用同时监测作物冠层温度和土壤湿度并建立作物整体（包括冠层和根部）的需水模型，并进而做出灌溉决策的方式。
灌溉决策做出以后，将通过控制系统进行灌溉操作，同时决策模块继续从数据库中取得当前土壤湿度数据，当土壤湿度超过阈值，则做出停止灌溉决策，交由控制系统执行。
农田生态信息发布子系统
农田生态信息发布子系统作为农田远程监控与自动化灌溉的物联网系统的展示系统并放置于公有云之上，如图5所示。该平台结合地理信息为用户提供直观明了的农田监测参数以及系统运行状态，并且提供实时数据查询，数据下载，专题图显示以及与用户的直接交互功能。
系统提供的主要服务包括：
（1）信息查询
提供实时的信息查询，为用户提供两种数据查询方式：目标节点点击查询、菜单选择查询，让用户多种途径得获取数据，即农田中无线传感器节点实时采集到的农田环境参数：包括陆表温度，土壤湿度、叶面积指数和光合有效辐射指数。用户也可以根据需要，通过菜单下载某组传感器某一时间段的数据或者是各组传感器某一项参数的数据。
系统运行状态显示功能，可实现对地面无线传感器网络监测点一个数据采集周期内运行状态的显示和灌溉控制阀开关状态的显示。
（2）数据统计
主要为用户提供其需要的参数统计结果，如该项目中对农作物生长有着较大影响的积温，则提供某一时间段某一区域的传感器组采集的陆表温度的积温数据，帮助用户对田间管理、农田估产等提供有意义的参考。
（3）专题图制作
专题图制作主要提供两种类型的专题图，一种是无线传感器采集到的农田环境参数某一数据的走向、变化趋势，通过柱状图和折线图的形式提供。另一种是遥感影像图的渲染图，根据某一参数的卫星遥感图的灰度值判别该参数的实际值，并按阈值以不同颜色显示，显示试验区域的总体的情况。
灌溉控制子系统
灌溉控制子系统传统上由水源、系统首部、管道、滴头和系统控制几个部分组成。该控制子系统是由管道流量计、电磁阀和电磁阀控制器构成的硬件执行机构。根据专家子系统发来的灌溉指令，控制灌溉管道电磁阀的启闭动作，实现对农田的分区按需自动灌溉。由于该系统位于田间，因此由放置于私有云之上。
管道设计以最短距离为设计原则，以减少管道水头损失，降低灌溉运行费用。尽可能减小因供水管逆坡铺设，增大支管管径，减少轮灌小区压力差。为保证灌水均匀度，每个支管实际铺设长度不大于设计最大铺设长度。为确保管网使用年限，管道材料工作压力按设计工作压力增加一级。
灌溉控制器设计如图6所示，灌溉控制器由AT89C51单片机为主体构成，集成于WSN节点上。通过接收节点串口传输的信息，由I/O口输出处理控制信息。单片机的通用I/O口与电磁阀之间以继电器连接，每个I/O口对应控制一个电磁阀。AT89C51多达32个I/O口线，系统具有很高的扩展性。
灌溉控制过程：无线传感器网络周期性检测湿度（周期可调）并上传至灌溉控制器。当灌溉控制器发现某区域的传感器网络节点周期性检测湿度低于规定值时，开启该区域管网的电磁阀门进行灌溉。当该区域土壤湿度上升到一定值后，则关闭该区域管网的电磁阀门停止灌溉。

Claims (6)

1.一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：包括农田生产环境监控子系统、数据分析专家子系统、农田生态信息发布子系统和灌溉控制子系统，其中数据分析专家子系统和农田生态信息发布子系统设置在公有云上，灌溉控制子系统、农田生产环境监控子系统设置在私有云上。
2.根据权利要求1所述的一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：所述的农田生产环境监控子系统，由分布于农田中的农田监测短距离WSN节点、部署于控制箱中的长距离WSN节点和视频监控节点三类节点组成，三类节点均通过无线接口发送监测数据到监控中心。
3.根据权利要求2所述的一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：农田监测短距离WSN节点配置土壤水分传感器，负责测量农田土壤的水分；长距离WSN节点配置温度和光合辐射传感器，负责测量作物冠层温度和有效光合辐射指数；视频监控节点配置网络摄像头，获取农田环境的视频信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：所述的数据分析专家子系统, 分为以下三个模块：
（1）数据接收模块：用于接收来自地面监测子系统的传感器节点数据；
（2）数据存储模块：用于存储和管理数据，数据库模块又分为用户数据模块和地图数据模块及农田监测信息数据模块；
（3）数据处理和灌溉决策模块；
数据接收模块接收来自地面传感器节点数据，并根据需要对该数据进行格式转换处理，然后传入到数据存储模块，进行分类管理；数据处理和灌溉决策模块根据前端用户需求和系统采用的预制模型与算法对数据进行处理，形成统计数据与相关决策；处理后的数据由农田生态信息发布子系统以web和GIS形式进行发布，并提供用户查询交互功能；灌溉决策模块产生的操作指令发送到灌溉控制子系统控制管道电磁阀，完成可控灌溉。
5.根据权利要求1所述的一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：所述的农田生态信息发布子系统，作为农田远程监控与自动化灌溉的物联网系统的展示系统并放置于公有云之上，结合地理信息为用户提供农田监测参数以及系统运行状态，并且提供实时数据查询，数据下载，专题图显示以及与用户的直接交互功能。
6.根据权利要求1所述的一种基于云的农业物联网生产与管理系统，其特征在于：所述的灌溉控制子系统，是由管道流量计、电磁阀和电磁阀控制器构成的硬件执行机构，根据专家子系统发来的灌溉指令，控制电磁阀的启闭动作，实现对农田的分区按需自动灌溉。
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