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2021年 5期 智慧农业 专论与综述 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 基于物联网的智慧农业系统建设与思考 李 欣泽 邓昀 陈 守 学 桂 林 理 工 大学 广 西 桂 林 541006 我国农业 发展 中 普遍 存 在 农业 产 业 化 的 整 体 水平 低 农业 发展 不 平 衡 农业 生产 中 浪 费 人 力 物 力 农业 生 产 机 械 化程度 低 等 问题 我国农业 发展 面 临 巨 大 挑 战 水 土 资源 束缚 日 益 严峻 不 正 确的农业 生产方式 还 可能 会 导致 农业 生 态 环 境 污 染 加重 生 态 系 统 遭受 较大 程度 破 坏 因 此 目前 的农业系 统 需 要 向更 专业 化 更 智 能 化 的 智 慧 农业系 统方 向 转 型 推 动 农业 产 业 发展 1智慧农业 系统 的现状 智 慧 农业是 根 据 农业 畜牧 业及 林 业 生产实 际 需 求 及现 代 网络 发展 现 状 采用 顶 层 设 计 统 一 规 划 建 设统 一 资源 数据 系 统 统 一 平 台 分 部 门 实 施 分 系 统 建 设 提供 统 一 集 成 服务 统 一 运 营 维 护 综 合 应 用 互 联 网 移 动互 联 网 云 计 算 物 联 网 智 能 控制 智 能 决 策 精 准农 业 卫星遥 感 等 现 代信 息 技术的 新型 农业 智 慧 农业 最 大的 特点 就 是 使 农业 生产 更 智 慧 化 信 息 化 保 证 农业 生产 效 率 智 慧 农业系 统 常 应 用 于 1 对农业 生产 环 境 的 数据 监 控 智 慧 农业系 统在实 际 的农 业 生产 当 中能 够 准确地 获 得 植物 生 长 发 育 的 条 件和 环 境 状 况 例如 土 壤 电 导 率 温湿 度 环 境 温湿 度 风 速 风 向 等 环 境 要 素 然后 通过 人 们 长时 间 从事 农业 生产 当 中 的经验以及大 数据 所 带 来的 预 测 能 够 有 效 地 为 农业 发 展 提供 科 学的 信 息 2 农业 危 害 状 况的 预 防 智 慧 农业 能 够 有 效 避免受 自 然 原 因 和人 为 原 因 的 影响 为 农业的 发展 提供 有 效 的 控制 方法 3 农业病虫害识别 检 测 农 作 物 健 康 状 况一 直 在 农业 生产 中 备 受 关 注 部 分智 慧 农 业系 统具备 病虫害识别 检 测系 统 可以准确识别农 作 物 病虫害类 型 2智慧农业 系统 建 设 主 要 内容 系 统 主要 包括 环 境 信 息 监 控 系 统 视 频 监测系 统 气象 监测系 统 病虫害 视 频 监测系 统 管 理决 策 系 统 2 1环境信息监控系统 环 境 信 息 监 控 系 统 架构 如 图 1所 示 摘 要 近年 来 随着 智 慧 农业 精 准 农业的 发展 智 能 感 知 芯片 移 动 嵌 入式系统等 物 联网 技术在现代 农业中的 应 用 逐步 拓宽 物 联网 技术在 精 准 农业中 发 挥 出 越来越 大 的 作 用 实现科学 监测 科学 种植 提高农业 综 合效 益 促 进 了现代 农业的 转 型 升 级 团队 设计 的 智 慧 农业 系统 基 于 云 计 算 人工智 能 物 联网 等技术 建 设 环境 信 息 监 控 系统 气象 监测 系统 视频 监测 系 统 管理 决 策 等系统 实现 农业生 产 的 智 能分 析 智 能 决 策 专家 在 线 农 作 物病虫害 防治 及 科学 种植 指导 可以 减少 农业生 产 中 的 人 力 物 力投 入 实现 农业 智 能 化 关键词 物 联网 传感 器 云 服务 器 农业 智 能 化 中图分类号 S126 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 05 0012 04 Abstract Inrecentyears withthedevelopmentofsmartagricultureandprecisionagriculture theapplicationofInternet ofThingstechnologyinmodernagriculture suchasintelligentsensingchipandmobileembeddedsystem hasbeengradually broadened InternetofThingstechnologyisplayingamoreandmoreimportantroleinprecisionagriculture realizingscientific monitoringandscientificplanting improvingthecomprehensiveefficiencyofagriculture andpromotingthetransformationand upgradingofmodernagriculture The smartagriculturalsystem designedbytheteamisbasedoncloudcomputing artificial intelligence InternetofThingsandothertechnologiestobuildenvironmentalinformationmonitoringsystem meteorologicalmon itoringsystem videomonitoringsystem managementanddecision makingandothersystemstorealizeintelligentanalysis in telligentdecision making onlinecroppestcontrolandscientificplantingguidanceofexpertsinagriculturalproduction which canreducetheinputofmanpowerandmaterialresourcesinagriculturalproductionandrealizethetransitiontosmartagricul ture Keywords InternetofThings sensor cloudserver smartagriculture 基 金项目 2020年国家 级 大 学生 创新创 业 训练 计 划项目 编号 202010596053 作者简介 邓昀 1980 男 硕士研究 生 教授 研究方向 无 线 传感 器网络 陈 守 学 1978 男 硕士研究 生 讲师 研究方向 无 线 传感 器网络 12 2021年 5期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 专论与综述 图 1环境 信 息 监 控 系统 架构 图 1 空 气 温湿 度 监测 功 能 实 时监测 园 区 空 气 的 温 度 和 湿 度 2 土 壤 湿 度 监测 功 能 土 壤 湿 度采 集 节 点 配 有 土 壤 湿 度 传 感 器 实 时监测 园 区 土 壤 的 湿 度 3 光 照 度 监测 功 能 光 照 度采 集 节 点采用 光 敏 电 阻 来 实 现对 园 区 光 照 情况的 检 测 4 土 壤 pH监测 功 能 土 壤 pH采 集 节 点采用 土 壤 pH传 感 器 来 实 现对 园 区 土 壤 pH情况的 检 测 5 控制风 扇 促 进 植物 光 合 作 用 功 能 植物 光 合 作 用 需 要 光 照 和 二 氧 化 碳 当 光 照 度 达 到 系 统设 定 值 时 系 统 会 自 动开 启风 扇 加 强 通 风 为 植物 提供 充 足 的 二 氧 化 碳 6 控制 加 湿 器给 空 气 加 湿 功 能 如 果 空 气 湿 度小 于 设 定 值 系 统 会 启 动 加 湿 器 达 到设 定 值 后 便 停 止 加 湿 7 控制喷 淋 装 置 给土 壤 加 湿 功 能 当土 壤 湿 度 低 于 设 定 值 时 系 统便 启 动 喷 淋 装 置 来 喷 水 直 到 湿 度 达 到设 定 值 为 止 8 控制 加 热 器给环 境升 温 功 能 当 温 度 低 于 设 定 值 时 系 统便 启 动 加 热 器 来 升 温 直 到 温 度 达 到设 定 值 为 止 2 2视频监测系统 视 频 监测系 统 架构 如 图 2所 示 在 园 区 内 安 装 高 清 监 控 摄 像 机 摄 像 头 实 时 捕获 农 田 温 室 大 棚 内 部 的 画 面 通过高 速 IP网络 将 画 面 数据传 输 给 控制 中 心 视 频 编 解 码 模 块 处理 管 理 人员 农业专家可以 在 液晶 显 示 器上 看 到 农 田 温 室 大 棚 内 部 的 实 时 画 面 可 按 设 定 频 率拍照 并 上传照片 视 频 图 片 保存 在 存 储 服务器 中 可以 实 现 视 频 信 息 的长期 存 储 和 方便 调 用 2 3气象监测系统 基 于 4G技术 风光 互 补 的 无 外 插 电 源 野 外 气象 站 实 时监测 气象 信 息 实 时 采 集 园 区 大 气 温湿 度 风 向 风 速 光 照 辐射 以及 降雨 量 并 通过 4G网络 传 输 至 控制 中 心 进行 处理 控制 中 心 通过 作 物 生产 控制 模 型 对 作 物 生 长 态 势 进行实 时监 控 和 数 字 化 处理 以 指 导 农业 生产 防 灾 减 灾 和 生产 管 理 风光 互 补 多 网 融 合 野 外 气象 站 设 备 原 理 框 图 如 图 3所 示 图 3风 光 互补 多 网 融 合 野外气象站 设 备 原 理 框 图 2 4病虫害视频监测系统 基 于 视 频 图像 处理 以 苹果 樱桃 葡萄 三 种 水 果 叶 片 的病虫害 为研究 对 象 首 先 基 于 LeNet 5网络 模 型 设 计了 一 个简 单 11层 卷 积 神 经网络 用 于 叶 片 病虫害的 识别 经 过 了 25批 次 训练 4650次 迭 代 后 在训练 集 的 正 确 率 近 乎 为 1 验 证 集上 的 正 确 率 为 90 LeNet 5网 络 模 型 在用 于 未 经 训练 的 数据 进行随 机 测 试 时 有 害 叶 片 病 症 的识别 率 却 极 低 这 是 因 为该模 型 存 在 数据量 过 图 2视频 监测 系统 架构 图 13 2021年 5期 智慧农业 专论与综述 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 少造 成 的 过 拟 合 现 象 因 此 引 入 数据 增 强 技术 与 迁 移 学 习 思 想 来 解决 该模 型 的 过 拟 合 问题 利用 了数据 增 强 技 术 与 迁 移 学 习 思 想 以 VGGNet 16与 InceptionV3模 型 进行微 调 分 别 取 得了 92 与 94 8 的识别 率 该方法 为 以 后 在 农业中的应 用 奠 定 了基 础 农业大 棚 农 作 物 视 频 监测 界 面 如 图 4所 示 图 4农业 大 棚 农 作 物 视频 监测 界面 2 5 管 理决策 系统 完 成 对 各 种 数据 的 展 示 分 析 和 决 策 指 挥 是 整 个 系 统 的 核 心 其 架构 如 图 5所 示 图 5管理 决 策 系统 架构 图 1 数据 管 理子 系 统 对测 量 采 集 到 的 传 感 器 气 象 视 频 数据 进行统 一 管 理 查 询 2 现 场 设备 的 远 程 控制 常 用 的现 场 设备 包括 风 机 水 阀 加 湿 器 加 热 器 等 这 些 设备 均 可以 通过信 号 线 进行 控制 服务器 发 送 的 指令 被 转 化成 控制 信 号 后 即 可 实 现 远 程 启 动 关 闭 现 场 设备 的 运 转 3 现 场 设备 的自 动 控制 除 了 手 工发 送 指令 之 外 系 统 还 能 够 根 据检 测 到 的 环 境指标 进行 自 动 控制 现 场 设备 的 启 动 关 闭 用 户 可以自定 义 温湿 度 光 照 CO 2 浓 度等 指标 的 上 限值 下 限值 并 定 义 当 指标 超 过 上 限 或 者 下 限 时 现 场 设备 如 何 响 应 启 动 关 闭 4 专家 在 线 分 析指 导 诊断系 统 基 于 视 频 监测 平 台 以及 数据 管 理子 系 统 农业专家 在 远 程 可以 实 时 查 看 园 区 内 的 各 种 数据 温 度 湿 度 光 照 水 量 作 物 生 长 视 频 记录 判 断是 否 是 适 合 作 物 生 长的 最 佳 条 件 通过 远 程 视 频 系 统 查 看作 物病虫害问题 实 现专家 在 线 指 导 诊 断 现 场 设备 远 程 控制 图 如 图 6所 示 图 6现 场 设 备 远 程 控 制图 3 智慧农业 系统 的 广泛 应用 3 1 智慧农业 系统 在农业 大 棚环境监控 中的应用 传 统 农业 方式进行 农业 环 境 的监 控 时 普遍 使用 人 工 管 理 方式 较 多 而 我 们团队研发 的 智 慧 农业系 统 中的 农业大 棚 环 境 监 控 系 统 由 部署 在 农业大 棚 内 的 各 种 传 感 器 包括 土 壤 温湿 度 传 感 器 土 壤 pH传 感 器 二 氧 化 碳 传 感 器 光 照传 感 器 等采 集 农业 环 境 中的 数据 通过 团队设 计 的 多 网 融 合 数据传 输 方 案 进行 数据传 输 不 但 可以 实 现 智 能 化 自 动 化 的农业 环 境 监 控 还 可以 保 证 数据传 输 过程 中的可靠 性 多 网 融 合 数据传 输 方法 解决 传 输 距 离短 数据 单 一 远 程 供 电 困 难 等 一系 列 问题 从 14 2021年 5期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 专论与综述 迈 向 智 慧 农业的 发展模式 和 实 现 路 径 3 以 滨 州学院 服务 区 域中 小 林 果 种植 企 业 为 例 开 展 了 对物 联 网 方 案 建 设 与 模式 策 略 有 效 性 的 检 视 研究 增 强 了 研究 的 科 学 性 同 时 利用 积 累 的 数据 丰 富 了 研究 内 涵 研究 效 果 具有 较 高 的 理 论 和 实 践 推 广 价 值 参考 文献 1 国 务 院 全 国 农业 现代 化规 划 2016 2020年 国 发 2016 58号 Z 2016 2 汪懋 华 关 于智 慧 农业 释义 与创 新 驱 动 发展 的 思考 J 农业 信 息 化 2018 7 24 28 3 赵 春 江 人工智 能 如 何 应 用 于 农业 分 五 步 J 农业 机 械 化 2019 12 126 4 张 辉 发展智 慧 农业 助 力 农业农 村 现代 化 J 农业 信 息 化 2019 9 21 5 张国 锋 肖宛昂 大 力 推 进 人工智 能 在 农业生 产 中的 应 用 J 中 国国 情 国力 2020 4 6 8 6 周 子 晴 焦卫 东 大数据时代 的 河北 林 业 信 息 化 建 设 之我见 J 河北 林 业 2018 8 16 17 7 李 世 东 抓住 重大 机 遇 实现智 慧 超 越 在 甘肃 省 林 业 信 息 化 建 设 现 场会 上的 讲 话 Z 2018 10 18 8 徐元 明 实 施 互 联网 现代 农业 的 技术支 撑 基 于 江苏 省 农业 物 联网 示范 应 用的 调查 J 现代 经济探 讨 2016 5 49 53 9 胡豹 顾 益 康 数 字 乡 村建 设 乡 村 振兴 示范 省 建 设 的 主 引 擎 J 浙江 经济 2019 24 40 41 10 蒋 璐 闻 梅燕 典 型发 达 国 家 智 慧 农业 发展模式 对 我国 的 启 示 J 经济 系统 论 坛 2018 5 158 164 而实 现农业监 控 智 能 化 专业 化 3 2 智慧农业 系统 在农业 环境 数 据可视 化 管 理 中的应用 将 农业 环 境 监 控 系 统 中 采 集 到 的 各 种 环 境 数据 进 行 汇总 统 计 以及 分 析 是 智 慧 农业系 统 的 重 中 之 重 智 慧 农业系 统 中的 智 慧 农业 平 台 即 可以 实 现对 采 集 到 的 环 境 数据 进行统 计 同 比 分 析 环 比 分 析 的 功 能 还 可以 实 时监测 采 集数据 对 比 农 作 物 植物的 适 宜 生 长 条 件 判 断 当前环 境 是 否 适 合 作 物 生 长的 最 佳 条 件 并 给 出 调 整 意 见 3 3智慧农业 系统 在实 践 教 学中的应用 团队设 计 的 智 慧 农业系 统 是 基 于 云 计 算 人 工智 能 物 联 网 等 技术 建 设 了 农业 生产 环 境 监 控 智 能 节 水 灌溉 云 平 台 等 系 统 系 统 可以 转 换 为 农业物 联 网 教 学 设备 将 团队 自主 研发 的 多 网 融 合 数据传 输 技术中 涉 及 的 知 识 点 转 换 为 教 学 案例素 材 加深高 校 学 生 对于 智 慧 农业系 统 的应 用 与理解 4 结束语 综 上 所 述 智 慧 农业系 统在多方 面 多 角 度 都 提 高 了 农业 生产 的 效 率 在 一定 程度 上解决了 农业的可 持续 发 展 问题 具有 一定的 社 会效 益 和经 济 效 益 未 来 也将 有 广 阔 的 发展 空 间 值 得 我 们 不断 研究 与探 索 参考 文献 1 杭 州职 业 技术学 院 基 于 农业病虫害 图像 采集 识 别 防治装置 CN201921759908 5 P 2019 10 16 2 胡 泽林 基 于 无 线 传感 的 精 准 农业物 联网 关 键 技术 与 原 型系统 研 究 D 北京 中 国 科学 院 大学 2012 3 哈尔 滨 市 启 动 农业 信 息 化 平台 建 设 J 农业 工程技术 2016 36 36 77 4 李 兆伟 物 联网 智 能 温 室 控 制系统 分 析 与 设计 D 北京 北京邮 电 大 学 2015 5 李 波 谢箭 罗永 利 等 基 于 无 线 传感 网 技术 的 智 能 畜 牧 管理 系统 J 探 索 科学 2019 9 71 72 6 张 松茂 现代 农 场 智 慧 农业 系统 建 设研究 以 盐城 市 七星 农 场 项 目 为 例 D 南 京 南 京邮 电 大学 2013 7 青 岛港湾 职 业 技术学 院 一 种 GPRS物 联网 接 入系统 及 方 法 CN201910316379 X P 2019 4 17 8 王 东 海 昆仑海岸 基 于 物 联网 的农业 信 息 监 控 系统 J 自 动化 博 览 2014 3 34 36 9 冯森 微 型 ROV结 构设计 与 运 动 稳定 性 分 析 D 天津 天津 科技大 学 2019 10 山东 冠 华 蛋白 有限 公 司 一 种 大 豆乳 品 蛋白复 合 物 及 其制 备 方 法 CN200910017198 3 P 2009 8 4 上接 11页 15