黄媛 杨英茹 高欣娜 李海杰 武猛 李瑜玲

摘    要：本文对石家庄市赵县现代农业园区农业生产与科研管理的实际需求进行了调查研究，为实现现代农业园区信息化设备的集中管理，农业基础信息的有效利用，方便驻园区科研单位之间的数据共享、科研协同，利用通讯技术、物联网技术、计算机技术建立了基于物联网的赵县农业科技协同创新平台。平台的建立实现赵县现代农业园区农业物联感知系统的升级完善，承担了本园区农业科研数据分析中心、多点培训和示范展示中心的功能，起到了本地区的现代农业的试点示范作用，促进和带动石家庄地区传统农业向现代农业的升级转型。

关键词：农业物联网;科技协同创新;平台建设;河北省赵县

中图分类号： TP311.5       文献标识码： A       DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.04.010

Abstract：  This paper investigated and studied the actual needs of agricultural production and scientific research management in Zhao county modern agricultural park in Shijiazhuang city. In order to realize centralized management of information equipment in modern agricultural park， effective utilization of agricultural basic information， and convenient scientific research collaboration among scientific research units in the park， Zhao county agricultural science and technology collaborative innovation platform based on internet of things is established by using communication technology， internet of things technology and computer technology. The establishment of the platform has realized the upgrading and perfection of the perception system of agricultural association in Zhao County's modern agricultural park. It has assumed the functions of the park's agricultural scientific research data analysis center， multi-point training and demonstration center， played a pilot demonstration role in modern agriculture in the region， and promoted and driven the upgrading and transformation of traditional agriculture to modern agriculture in Shijiazhuang region.

Key words： internet of things in agriculture; collaborative innovation of science and technology; platform construction; Zhao county of Hebei province

信息化是農业现代化的制高点，近年来国家不断加大力度推动农业农村信息化发展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出推进农业信息化建设，加强农业与信息技术融合，发展智慧农业;《全国农业现代化规划（2016—2020年）》和《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》也对全面推进农业农村信息化作出总体部署，到2020年，我国“互联网+”现代农业建设要取得明显成效[1-2]。

2018年4月石家庄市政府制定了《石家庄市科技创新三年行动计划（2018—2020年）》，其中提到要加快建设现代农业，重点支持智慧农机、农产品精深加工、农业物联网、农产品电子商务、生物肥料、生物农兽药、生物饲料等关键技术研发，打造农业科技创新平台，然而石家庄地区的农业生产仍存在一些问题，主要体现在3个方面：一是河北省大部分农业生产管理粗放，生产结构单一，信息化设备不完善，管理技术水平落后;二是现有部分现代农业园区的监测设备与网络传输故障多发，难以保障生产监测数据的连续、完整性;三是农业生产经营主体自身素质不高，加之农村信息化基础条件较差，使普通农业生产经营主体无法快速跟上信息化发展的步伐。因此，依靠物联网技术在石家庄地区建设一个集生产管理、科研协同、示范培训于一体的农业科技协同创新平台将有效的推动和促进石家庄地区的农业现代化发展步伐[3-5]。

目前，各级农业管理部门、科研院所及互联网科技公司等积极开发各级各类农业信息化平台，服务对象不一而足，优势特点各有所长，例如江苏省的农业物联网平台是为适应江苏省农业经济发展需求，服务省内现代农业园区的的综合服务平台;黑龙江垦区的七星农场物联网平台为当地农户服务，改变了当地粗放的经营管理方式;宁夏农林科学院建立的农业物联网大数据共享及综合应用平台面向涉农企事业单位，实现了宁夏农业数据资源的共享。物联网技术在农业生产、科研活动中发挥越来越重要的作用，入驻赵县园区的十几家科研单位，例如中国农业大学、国家农业信息技术工程研究中心、河北省科学院、河北省农业科学院等也纷纷开展了农业物联网相关建设，但各单位所安装设备各异、兼容性不高、数据利用率低，甚至功能重复，造成园区物联网设备重复建设，资源浪费情况突出。面对本园区实际问题，借鉴各地农业物联网建设经验，本着服务园区农业生产与科研创新两大目标，石家庄市农林科学研究院牵头建立了赵县农业物联网科技协同创新平台。该平台对园区农业物联感知设备进行整合升级，打造了农业科研数据分析中心、远程控制和视频会商通道、多点培训和示范展示中心，实现了本地区农业基础信息的有效利用，同时平台作为本地农业信息服务平台，为石家庄地区的现代农业的试点示范工作起到了促进和带动作用[6-7]。

1 建设思路及架构

农业科技创新协同平台主要分为数据层、通讯层、设备层和应用层。

1.1 数据层

数据层立足石家庄赵县省级现代农业园区现有科研种植面积和用地需求，集中规划赵县园区物联感知设备，园区主要科研、种植区域安有视频监控设备30余个，小麦种植区域设置了田间气象站1座，可实现空气温度、湿度、风力风向、降雨量，不同深度土壤温度、湿度的数据采集，同时设有远程灌溉系统，园区现有温室中安装有设施环境采集设备，共约40组传感器，可将园区大田气象数据、设施环境数据及视频监控数据分类建库。

1.2 通讯层

通过建设赵县园区网络通讯基础设施，实现园区Wi-Fi覆盖，同时保留数据传输协议的多样性，数据采集设备保留COM、GPRS、3G、Wi-Fi、Internet等多协议接口，为安全的数据通道提供保障。

1.3 设备层

新建赵县现代农业园区110 m2物联展厅，建设了4 m×3 m的55寸大屏幕液晶拼接显示系统，配备五联操作系统，实现了操作窗口任意切换，可同时满足展示、监测、控制的操作需求。还配备了电子沙盘、大手机等互动展示设备，以及农业科技协同创新平台中的园区物联网系统和视频会商系统。

1.4 应用层

平台支持农业物联网数据的采集和管理，实现示范园区的物联网远程控制、视频会商和远程培训，提升农业生产管理水平、科研协同能力和服务培训水平。

2 模块功能设计

2.1 采集系统

平台采集系统解决了设施蔬菜生产环境信息获取时效性差、成本高等问题，通过集成无线移动通信网络模块、环境温湿度、风向风力等气象传感器模块、土壤温湿度等土壤墒情传感器模块，形成了低成本、便携式设施蔬菜协同感知无线传感网络设备， 可实现多传感器设备数据的协同感知[8]。

终端设计以嵌入式微处理器MSP430为核心，外围集成供电单元、数据存储单元、无线收发模块、数字传感器接口与高精度ADC、信号适配调理电路及传感器组。由微处理器单元控制其他各个单元模块的供电和工作：控制环境数据采集、存储、显示、报警和远程传输;对采集的传感器数据进行基本的数据处理，通过无线收发模块连接至远端服务器，发送命令、上报数据以及接收设备配置指令;通过信号适配调理电路，连接多种传感器，实现不同类型环境参数的协同感知[9]。

设备可支持多类型、多参数传感器协同感知，按输出类型分有模拟传感器、数字传感器;按参数分有：环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤水分、光照、土壤酸碱度、土壤养分等，通过适配调理电路的适配连接，数字接口电路和高精度ADC的采样转换，最终由微处理器进行数据的汇集处理。

2.2 智能控制系统

平台智能控制系统采用了低功耗直流灌溉控制器、无线灌溉阀门、执行机构控制器（RTU）、设施蔬菜温室智能控制柜。控制器具有4路阀门控制、4路开关信号采集、4路模拟信号采集功能，并具有定时、定量等灌溉控制功能和水量记录功能，采用低功耗设计，支持对包括LCD、数据存储、传感器电源、阀门驱动等功率消耗器件的电源管理功能;无线电磁阀采用分体结构，可以直接安装在电磁阀体上，内置大容量锂电池，电池设计使用寿命大于3年，并易于更换，同时可支持太阳能充电。无线电磁阀可以控制2路直流电磁阀，并能够采集2路水表信号;研制了设施蔬菜温室智能控制柜装备，突破了多设备控制接口复用技术，提出一种基于控制流程的模块间接口受控独占机制，保证当前受控单元模块对控制接口的独占性，同时采用不同的通信码率进行复用通信，进一步避免可能产生的竞争冒险，提高了系统鲁棒性的同时也降低控制装备的系统复杂度与成本[10]。

2.3 展示系统

农业科技协同创新平台采用了基于国产红旗Linux操作系统、KingbaseES 数据库、中创InforSuite AS中间件、Ultra-IAM统一身份及访问安全中间件等国产基础软件产品，针对农业领域信息化应用需求，通过新增软件工具、改进软件服务性能、增加第三方外设驱动等形式，提升了国产基础软件产品在技术稳定性、功能实用性、人机界面友好性、服务高效性等方面性能，保证示范园区物联网数据感知、数据处理、数据管理、数据搜索、数据分析、数据展示等应用软件及农业科技协同创新平台的科学部署、安全运行和稳定服务，并通过资源层对农业基础数据、农业综合数据、农业生产数据、农业经营管理数据、农业科技服务数据、物联网监测数据、互联网抓取数据、其他系统共享数据等数据资源进行异构融合和需求化定制[11]。基础支撑平台技术架构见图1。

3 平台功能展示

3.1 视频会商系统

农业科技协同创新平台建有远程视频会商系统，通过4 m×3 m的55寸大屏幕液晶拼接显示系统，搭建基于IP网络的高清视频会商平台，可实现点对点、一点对多点、多点对多点的实时远程高清视频会商、园区展示、远程培训，满足赵县农业现代园区不同地域、不同区域的各级机构、各合作单位之间高效率低成本的召开远程培训、学术交流、科研协同等活动。

3.2 园区物联感知、远程控制系统

农业科研协同创新平台重点包括园区航拍实景图、远程控制（图2）、园区动态、课题管理、合作平台等栏目。可实现环境数据实时感知，数据在线统計、分析等，使生产与科研人员能够通过广泛的数据实时动态监测与分析来解决科学问题，通过科研数据交换、融合、挖掘利用实现跨学科交叉创新，实现智慧化科研生产监控、远程化会商决策、协同化科研创新，为农业生产管理和科技创新提供新方法、新思路。

3.3 番茄病毒病预警系统

农业科技协同创新平台根据园区现有生产科研的实际需求出发，对设施蔬菜病害监测预警系统进行设计开发。目前已通过采集设施番茄病害发生的环境信息，建立了番茄病害数据库，并运用大数据存储、处理和分析方法，基于深度网络学习对数据与病毒病的发生进行关联分析，构建了番茄病毒病预警模型及预警系统，可实现设施番茄病毒病自动预警，突破传统平台阈值预警模式，实现环境参数连续积累的自定义预警。

设施番茄病毒病预警平台第一部分对番茄病毒病进行介绍，包含典型症状，发病原因和防治措施;第二部分为预警信息，基于设施内全天候实时视频与环境监测数据，以日历上出现红色警铃的方式进行病毒病预警提示（图3）;第三部分主要进行药品推荐，针对番茄病毒病的防治，以及防治措施的建议和药品推荐。

4 结论与展望

目前，农业科技协同创新平台不仅整合了园区的农业物联网设备，建立了各驻园单位的视频会商渠道，实现了监测数据的融合共享，并首次高效地利用传感器设备收集的种植环境信息，构建了设施番茄病毒病预警模型及预警平台，有效地促进了赵县现代园区向着现代农业、生态循环农业以及科研协同的目标靠近。赵县农业科技协同创新平台建立以来本地区的内化政策利好导向明显、资源要素聚集效应增强、农业科技成果产出与转化能力逐步提升、农业生产方式升级步伐加快[12]。

在平台投入运行中，新的需求不断涌现，今后将通过孢子捕捉仪、虫情灯、图像识别系统等物联网技术的不断加入，继续丰富和构建更多的番茄常见病预警模型，进一步完善和丰富设施蔬菜病虫害预警系统。同时继续开发低功耗、高兼容性的大田气象站，结合地理信息技术、多光谱技术，深入挖掘大田作物生长数据信息，构建小麦、玉米等大田作物产量预测模型、病虫害预警模型，进一步丰富赵县农业科技协同创新平台服务生产和科研的能力，继续发挥农业科技协同创新助力本地区农业实现智慧化跨越的功能。

参考文献：

[1]中国农业部.十三五全国农业农村信息化发展规划[EB/OL].（2016-08-30）[2020-01-05].http：//www.moa.gov.cn/govpublic/

SCYJJXXS/201609/t20160901_5260726.htm.

[2]江三宝.信息分析与预测[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3]曹晨.基于Android的农业信息管理系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2014.

[4]龙江，靳永辉.我国智慧农业发展态势、问题与战略对策[J].经济体制改革，2018（3）：74-78.

[5]李茜.科技协同创新推动现代农业发展研究[D].长沙：长沙理工大学，2014.

[6]刘俊.园区智慧化发展及建设探索[J].物联網技术，2013（1）：6-9.

[7]张洁华.广东省农业科技创新和成果转化连栋发展研究[D].广州：华南农业大学，2016.

[8]刘家玉，周林杰，荀广连，等.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例 [J].江苏农业科学，2013（5）：377-379.

[9]马国俊.物联网核心技术及其在农业领域的应用[J].江苏农业科学，2012，40 （11）：390-392.

[10]杨博，武洪峰，林思伽.物联网传感技术在农田生态环境监测中的应用[J].现代化农业，2013（6）：58-59.

[11]贺园园，冯春贵，祝诗平.基于GPRS的茶园环境参数无线监测系统的设计[J].农机化研究，2012（9）：120-123.

[12]徐艳艳.物联网时代智慧化园区建设方案的研究[D].西安：长安大学，2014.