平 阳 于金莹

(北京市农林科学院农业信息与经济研究所 北京 100097)

0 引 言

我国农业正处于从传统农业向现代农业迅速推进的过程中，农业物联网是我国农业现代化的重要技术支撑[1]。农业物联网是指物联网技术在农业领域的应用，将传感器技术、计算机网络技术与感知技术融合并应用于农业生产的各个环节，其实现过程主要包括传感器信息采集、无线信号传输、标准化存储、综合统计分析、远程实时监控等。通过农业物联网可以实现对农业对象和过程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[2]。通过智能化控制终端实现农业环境的闭环控制[3]，从而实现农业生产的高度信息化、自动化及智能化。

农业物联网技术的研究与应用在农业生产管理方面取得了一定成效。如：利用农业物联网技术远程实时监控草莓大棚内的环境参数，观察大棚内草莓的生长情况[4]；通过物联网技术实时监测玉米株高长势、土壤养分及虫灾等信息，实现玉米长势可视化远距离诊断的全程管理[5]。但目前大多数农业物联网系统研究仅重视搭建系统平台对农业生产环境数据的监控与分析[6-8]，缺乏对农作物生产的标准化种植指导。在应对生产过程中可能发生的病虫害，缺乏有针对性的技术解决方案，而且由于缺乏农作物生产的标准化知识库，使得物联网技术与农业生产技术的融合程度急需改善。

以农业物联网技术为基础，通过分析京津冀地区的主要温室农作物在不同环境不同时段的种植要素的差异性特征，梳理并制定对应的标准化生产指导方案和病虫害处理技术。应用数字化的技术手段使温室农作物生产技术与物联网技术高度融合，将任务化的生产过程管理手段及智能化的预警与知识服务全面植入构建的农业物联网生产管理体系。最终设计并研发基于物联网的农业智能标准化生产管理平台。

1 分析与研究

1.1 设计目的

本文针对京津冀地区温室农业生产技术及其管理方式两个方面，以优化和改善我国传统农业生产过程中的不足之处为主要目标，从农产品质量提升及规模化生产模式推广的实际需求出发，主要解决如下3个方面的问题：

(1) 标准化生产流程制作 依托北京市农林科学院农业数字资源中心的专业技术资源，重点选取京津冀地区的主要温室作物甘蓝、西红柿等作为研究对象，梳理其生产过程中的农事活动、生产要素、注意事项、技术解决方案等内容。以时间轴为主线进行生产工作分布和关联，最终形成针对不同地域、不同品种、不同种植时段的个性化标准化生产管理流程。该流程的设计与应用可以为上述农作物的温室种植过程提供标准化的作业管理及技术指导。

(2) 任务化管理模式设计 以标准化的生产流程信息为依据，将其按最小工作单元进行切分，并将最小工作单元作为任务进行管理。利用计算机数据库管理技术完成任务信息的数字化编辑及存储，以备系统功能调用。通过对生产流程中各个工作的任务划分，建立标准化生产流程的任务化管理模式，进而可为实现智能化的人机交互提供数据支撑。

(3) 模块化功能组件研发 为了保证平台功能的可靠性、稳定性、兼容性、安全性及扩展性，其功能模块将采用组件式的开发架构。功能组件的开发是以具体功能的业务逻辑划分为前提的，意在加强功能组件的独立性和适用性。此外，在设计功能组件时，应采用动态链接的形式进行封装，并充分隐藏其内容实现细节，进而便于组件的载入或卸出。

1.2 设计工作流程

研究将按地域、品类、种植时段的标准化生产流程数据预先存储在平台的知识数据库里。在实际生产中，平台可有针对性的自动匹配，为不同的大棚生成适当的生产过程自动提醒或推送技术指导信息，或者能够与传感器数据动态比对进行预警预报等。任务化管理模块的设置就相当于为每个大棚单独配置了一个“生产管家”，在大棚内的作物生长到了一定阶段，这个“生产管家”就会为生产者提供作业指导和病虫害指导以及预警等服务。标准化生产的工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

(1) 标准化流程：以温室农作物种植生产全周期为管理对象，针对不同的作物分别制作与之相符的标准化生产管理规则。主要涵盖生产环境、生产任务、病虫害防治、技术指导等方面的数据资源。

(2) 标准化流程制作与存储：将标准化生产流程进行梳理，并建立逻辑关系，最终存储在系统数据库中。

(3) 选择温室种植类型(种植地域、种植品类、种植时段)：根据温室所在地区及种植品种的不同，选择符合实际情况的温室种植关键信息。这是标准化生产流程应用与服务实际生产过程的关键环节。

(4) 生成流程(任务)模板：根据选择的温室种植关键信息，系统会在数据库中自动匹配与之对应的标准化流程，并依据此流程生产任务化模块，用于指导生产。

(5) 任务提醒与记录：依据已生成的任务化模板，系统会提前发送任务提醒，通知生产者或管理者在特点时间执行特定任务，并将任务执行过程中的关键信息采集至系统数据库中。

(6) 生产环境动态监控：以标准化模板中的生产环境数据为基础，依托物联网实时监测数据，进行动态比对。在实际生产环境超出阈值范围时，对自动触发工控设备，进行生产环境的调节。

(7) 病虫害技术推送：为了提升温室种植的产品质量和工作效率，系统会在特定时段提供当前温室农作物可能发生的病虫害预警及防治措施指导，以避免或减少因病虫害造成的损失。

(8) 智能预警推送：根据生产环境监测的结果，对在超出正常范围时，通过系统信息推送、移动端通知提醒及手机短信等形式向管理者发出预警信息，便于管理者及时发现问题。

2 平台设计

基于物联网的农业智能标准化生产管理平台的设计，是以物联网设备自动感知、标准化生产活动定时提醒、动态识别智能预警以及生产技术主动指导等为业务核心要素，采用先进的架构设计思想，合理搭配其功能结构，并充分考虑易用性、友好性等方面，力求在满足业务需求的同时，提升用户的人机交互体验。

平台的设计将从框架设计、功能设计、界面设计三个层面进行描述。基于物联网的农业智能标准化生产管理平台的功能结构和数据流程图如图2、图3所示。

图2 基于物联网的农业智能标准化生产管理平台的 功能结构图

图3 基于物联网的农业智能标准化生产管理平台的 数据流程图

2.1 框架设计

平台采用MVC的设计模式，将其分为模型层、视图层和控制层。每个层各司其职互不干涉，有利于提升平台的健壮性和稳定性，且分层后更有利于组件的创建与复用。

平台的框架设计需从硬件和软件两个方面着手。硬件层面主要包括物联网传感设备的选型、物联网传输方式的设计、控制设备的接入等。其中，平台采用的传感设备需基于RS485的行业通用标准，网络传输采用Wi-Fi+AP的传输模式，控制设备需支持逻辑开关。

软件层面主要包括物联网传感数据监测、生产任务管理、智能预警、主动技术指导、自动控制、统计分析及相关参数设置和数据管理等功能。其中：数据监测可实时反映生产环境指标；生产任务可定时提醒；智能预警可根据动态量化指标进行比对；技术指导可根据不同品种的不同生产时段有针对性地推送技术解决方案；自动控制可根据阈值标准量进行自动触发；统计分析可提供多维度的数据汇总；参数设置可用于设备接入和设备控制等。

2.2 功能设计

由于平台的组成涉及硬件和软件两个组成部分，故其功能也将从硬件和软件两个角度分别说明。

2.2.1 硬件设计

平台硬件主要包括传感设备、无线网络和控制设备。

1) 传感设备 针对温室种植对环境的需求，平台预置的传感器主要包括：空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器和CO2浓度传感器。此外，还需为每组传感器配套合适的数据采集器，用于传感信号的采集。

(1) 空气温湿度传感器：一般安装在温室地表垂直上方的中高位，用于测量温室内空气温度与湿度的数值。空气温度感应是通过热敏电阻的半导体材料在受到外界温度变化时，引起其阻值的改变来进行温度测量。空气湿度感应是通过湿敏元件上覆盖的高分子材料的感湿薄膜，在吸附水蒸气时使，引发其介电常数发生变化来进行湿度测量，最终均以电信号的形式产生测量结果。其中：空气温度测量范围为-30至70 ℃，精度为±0.2 ℃；空气湿度测量范围为0～100%，精度为±3%。

(2) 土壤温湿度传感器：一般安装在温室地表垂直下方1 m左右且水平放置，用于测量温室土壤的温度与湿度的数值。土壤温度感应是应用铂热电阻在土壤温度变化时，发生阻值变化来进行温度测量。土壤湿度感应是应用三极管电路特性，在土壤水分含量不同时导致其电阻值及导通电流变化来进行测量。其中：土壤温度测量范围为-40～120 ℃，精度为±0.2 ℃；土壤湿度测量范围为0～100%，精度为±3%。

(3) 光照强度传感器：一般安装在温室接近棚顶的位置，用于测量温室光照强度的数值。光照强度感应是利用半导体PN结的光伏效应，即在热平衡下的PN结变化情况，进行光照强度测量。其光照强度测量范围为0～200 000 Lux，精度为±7%。

(4) CO2浓度传感器：一般与空气温度传感器安装在同一区域，用于测量空气中CO2浓度的数值。CO2浓度感应是利用不同气体对红外辐射的光谱吸收强度的不同来进行测量的。其CO2浓度测量范围为0～5 000 ppm，精度为±30 ppm。

(5) 数据采集器：一般与电源装置一并集成安装在控制箱内，挂于温室侧壁。用于连接所有传感器，并与之通信，其可按所需的频度对所有感应信号进行采集。

2) 无线网络 为了提升物联网搭建的便捷性和适用性，平台将采用Wi-Fi传输作为数据通信方式，并提供AP设备，用于增加Wi-Fi的覆盖范围，进而保证网络的稳定性。

(1) Wi-Fi传输模块：该模块与数据采集器连接并通过Wi-Fi，将数据采集器的数据包发送至目标服务器。

(2) AP设备：AP设备属于选用设备，需根据农业园区的具体网络条件进行安装和部署，可用于较大规模园区的Wi-Fi信号覆盖，为物联网数据传输提供稳定的网络支撑。

3) 控制设备 为了提升生产管理的自动化水平，降低其人工成本，平台采用自动化控制设备，主要包括滴灌、风机、卷帘和日光灯。此外，还需为每组控制设备配套逻辑控制器，用于设备的自动控制。

(1) 滴灌：一种节工、节水的土壤补水装置，用于土壤湿度的补偿。

(2) 风机：一种通风装置，用于温室内空气的流通。

(3) 卷帘：一种控制遮光板的设备，用于带动遮光板为温室遮光。

(4) 日光灯：一种照明设备，用于为温室补光。

(5) 逻辑控制器：可连接不同的控制设备，并通过数模转换电路、逻辑电路与继电器等组件，实现对设备的逻辑控制。

2.2.2 软件设计

平台软件主要包括PC端管理平台及移动端工作软件。

1) PC端管理平台 PC端管理平台主要面向农业园区的管理者，为其提供温室环境远程监测、温室生产任务管理、温室环境智能预警、温室设备远程控制或自动控制、标准化流程管理、环境数据统计分析、系统参数配置等方面的管理手段。该管理平台的功能板块主要包括：监控中心、任务中心、数据中心、管理中心等。

(1) 监控中心：主要提供温室环境监测、远程设备控制和智能预警3项功能。其中：温室环境监测功能可对其空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子进行实时获取和展示；远程设备控制功能可对温室控制设备进行远程操作，并支持手动模式和自动模式的切换；智能预警功能是根据标准化生产流程中的阈值曲线区间与环境因子的实时数据进行动态判定，在超出阈值曲线区间时，会自动触发网页、移动端及短信等形式的预警信息提醒。当管理平台的设备控制功能处于自动模式的状态时，则可在发送预警提醒的同时，自动启动或关闭控制设备进行温室环境调节。

(2) 任务中心：主要提供温室种植过程的生产任务及进展情况的管理功能。在为温室配置标准化生产流程后，会自动生成该温室农作物的生产任务的时间表和进度条，并可对生产任务的完成情况进行跟踪。依据生产任务的不同状态，可分为待接收、进行中、延迟中、待审核、已驳回、已终止、已审核等。

(3) 数据中心：主要提供温室环境信息、触发预警信息、生产任务信息等业务数据的统计与分析功能。通过曲线图、饼状图、柱状图及数据表格等形式，为管理者提供直观的生产历史数据分析，为后续的生产管理工作提供量化依据。

(4) 管理中心：主要提供技术资源数据、平台用户及权限信息、平台参数配置信息和平台运行日志等方面的管理功能。其中：技术资源是指标准化生产流程和知识库，可为生产者提供任务提醒和知识推送服务；平台的用户、权限、参数和日志等信息，可为平台功能的正常运行提供基础保障。

2) 移动端工作软件 移动端工作软件主要面向农业园区的生产者，为其提供温室环境远程监测、温室生产任务上报、温室环境智能预警、温室设备远程控制、专业技术指导等方面的生产服务。该工作软件的功能模块主要包括：环境监控、任务上报、智能预警、技术推送等。

(1) 环境监控：可提供温室环境的实时监测和控制设备的远程操作功能，便于生产者了解温室环境状态。

(2) 任务上报：可接收标准化生产流程设定的生产任务，并可通过记录工作情况和现场照片的形式，完成任务的上报。

(3) 智能预警：可接收管理平台发送的预警信息，用于提醒生产者及时采取对应措施。

(4) 技术推送：可接收标准化生产流程设定的病虫害防治技术和处理方法，用于解决生产过程中的技术问题，并提升其科学性和有效性。

2.3 界面设计

平台界面设计主要针对软件的交互管理界面，使其具备清晰的交互逻辑、友好的操作方式和简洁的呈现效果，从而提升其良好的用户体验。

图4、图5为以甘蓝为例展示基于物联网的农业智能标准化生产管理平台监控中心和任务中心的界面情况。

图4 管理平台监控中心界面图

图5 管理平台任务中心界面图

3 结 语

本文通过研究和分析京津冀地区适合温室种植的主要农作物的生产要素，梳理形成了针对不同农作物的生产标准化流程及常见病虫害的解决方案。并使之与农业物联网技术进行有机融合，设计并研发了基于物联网的农业智能标准化生产管理平台。平台不仅实现了对温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子的实时监测和对滴灌、风机、卷帘、日光灯等设备的远程控制，还实现了农作物生产过程的标准化任务管理及智能化预警与技术指导。

其优点主要体现在如下几个方面：

(1) 研究适用于京津冀产区的温室农作物标准化种植流程，并植入平台知识库中。

(2) 可根据标准化流程中的种植条件的差异，实现预警阈值的智能化自主适配。

(3) 可根据标准化流程中的不同阶段，自动推送相关的病虫害防治的解决办法。

通过在京津冀的农业示范园区的示范与应用，初步实现了标准化生产作业的管理要求，验证了标准化种植管理方法的可靠性。该平台应对规模化的温室种植生产管理需求，具有较高的实践价值，有着良好的应用前景及提升空间。

针对本平台在应用过程中出现的问题，仍需进行改进与升级。后续工作将主要集中在如下3个方面：(1) 继续研究其他温室农作物的标准化生产流程，不断丰富知识库的技术资源，进而扩大平台的推广及应用范围；(2) 提升平台对于物联网传感设备及自动化工控设备的灵活性和适用性，通过对业界主流的标准化接口参数进行管理，改善硬件设备集成方式的友好性，便于平台的推广及已有硬件设备的复用；(3) 充分利用专业技术资源，扩展生产数据的应用场景，提升数据的潜在价值。