基于物联网的设施农业环境监控与数据挖掘技术的研究应用

       传统农业以人力为中心、依赖于孤立机械，而农业物联网系统工程在农业服务业中开展应用后，通过基于物联网的设施农业环境监控系统服务平台可以有效改变生产模式，使农业生产转向以信息和软件为中心，提升农业生产效能[1-3]。通过建立物联网远程专家诊断指导系统，利用物联网技术、通信技术和传感技术，将日光温室种植过程中关键的要素（空气的温度、湿度及土壤的温度、湿度等）数据通过各种传感器的采集，并利用网络通信技术如以太网WEB、GPRS、3G等，将数据及时传送到本地的设施农业物联网控制室以及远端的设施农业物联网数据中心，使设施农业管理人员及时掌握农作物的生长环境，并及时采取控制措施，从而达到预防病虫害、提高生产质量、提升劳动效率的目的。通过农业专家预警系统，调节适宜作物的设施内小环境，提高农产品的产量和品质，提高水肥利用率，降低人力消耗。通过实时监测数据，可以有效预测和预防风灾、雪等自然灾害，防止设施损害、农产品减产。在作物的不同生长阶段，种养殖户实时定量监控各环境因子，如光、温、水、气等，科学管理设施内作物的水、肥、气等环境因子，降低人力消耗，实现了真正的精耕细作[4-5]。 
　　1 总体思路 
　　依靠无线网络，对区域内分散的农业设施实行精细化管理，实时监控光、温、水、气、湿及病虫等对作物生长有重要影响的因素，掌握其变化情况。此模式可以应用于畜禽养殖、大棚果蔬生产等。农民可以使用手机或电脑在该系统平台上查询自己的种、养情况，例如大棚和鸡猪舍超过或达不到正常状况随时有短信提示。在了解种养过程中各项关键要素的实时变化情况后，可以通过专家系统进行关键因素的定时、定量分析，对病虫害的发生和发展进行预测预警，以便农户及时采取应对措施，为农业生产提供保障[6]。 
　　2 技术方案 
　　2.1 物联网远程专家诊断指导系统的目标 
　　一是信息采集采用智能测控系统，依托物联网监测农作物生产；二是对农业生产信息进行实时监控，应用智能产品检测、控制作物；三是实现农业生产管理的科学化与智能化，通过智能产品中的专家知识和技术支持，保障农业生产，为农户提供及时有效的服务。 
　　2.2 物联网远程专家诊断指导系统的功能 
　　2.2.1 环境监测。主要包括各项环境数据的采集，如温度、光照、土壤水分、湿度等，监测范围包括大棚及作物生产区域。通过单传感节点独立采集和多传感节点汇集采集的数据先传输到主机，再转至服务器（GPRS网络），以此实现可视化展现、实时监测、历史数据查询，并对实时数据和日数据形成直观曲线。 
　　2.2.2 数据挖掘。进行知识库服务器本地化，冀东半地下标准温室揭帘时间为M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，盖帘时间为M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，其中X为当日到6月22日之间的天数，TEXT为Excel函数，实现种养小环境内远程精准可控化生产。 
　　2.2.3 智能预警、报警。一是报警。对任意监测指标或者在此基础上计算得到的二级指标设置警戒阈值，满足一个或者多个报警条件时，系统通过短信、电子邮件等方式向农户、管理员等发出警报，通知其及时采取应对和处理措施。二是预警。设置一定的条件，对监测数据进行计算更新，当监测指标以及二级指标被预测到未来将达到某一阈值，系统发出预先警报。以多种形式通知用户，提醒其提前做好防范准备。 
　　2.2.4 基地管理。主要包括基地（园区、片区）管理、大棚管理、设备（监测、控制设备，网关，设备参数）管理等。同时，可按以生产企业、合作社分布图的方式进行查询、统计。系统通过提供直观的页面为用户查询和控制提供便利。 
　　2.3 物联网远程专家诊断指导系统的构成 
　　系统硬件通过RF组网技术，完成各个传感器的数据采集和设备控制，通过检测各项参数实现生长环境数据的实时获取。 
　　2.3.1 工业控制专用计算机。专门为工业控制设计的计算机，在生产过程中监测与控制各个机器设备、生产流程以及数据参数。 
　　2.3.2 传感器。①光照传感器。采用<36 V直流供电或者电池供电；量程在0～50 000 lx之间，准确度为±50 lx；工作环境要求温度在-20～60 ℃、湿度在5%～95%之间，悬挂安装。②温湿度传感器。采用<36 V直流供电或者电池供电；量程在 -20～60 ℃之间，准确度±2 ℃；工作环境要求温度在-20～60 ℃、湿度在5%～95%之间，悬挂安装。③二氧化碳传感器。采用 <36 V直流供电或者电池供电；量程在0～5 000 mg/kg之间；准确度±40 mg/kg；工作环境要求温度在-20～60 ℃、湿度在5%～95%之间，悬挂安装。④土壤水分传感器。采用<36 V直流供电或者电池供电；量程在0～100%之间；准确度为±3%；工作环境要求温度在-20～60 ℃、湿度在5%～95%之间，直插式安装。 
　　2.3.3 物联网网关。数据传输单元（DTU）主要用于汇集、打包多个采集节点的数据，发送至上位机及市级数据中心。网关与采集控制器组成基于RF射频的无线传输網，传输距离 ≥1 000 m，1个温室大棚部署1套采集控制器，则通过1个网关控制32个大棚的采集器。具有设备入网功能，与周围无线采集器、无线控制组成网络；不同的网关与周围采集控制节点具有构成互不干扰的网络。

       2.3.4 采集器。1个采集控制器负责1个环境监测节点，负责收集温室的各种数据，通常1个大棚部署1个采集节点（较大规模温室可设置多套）。采集控制器具有LED显示屏功能（图1），可循环显示采集到的温度、湿度、土壤水分、二氧化碳等数据信息；采集控制器通过RF射频向数据网管发送数据。 
　　2.3.5 气象哨。气象哨可以采集露地和温室外相应的环境参数，包括空气温度、湿度、风速、风向等，为种植管理者提供环境依据，为农业生产活动和决策提供帮助。 
　　2.3.6 LED显示终端。LED（0.35 m×1.00 m）阵列显示屏，放置于安装物联网监测设备的温室缓冲间外壁，可实时显示该温室的环境参数，方便生产管理者及时采取措施，确保温室环境稳定。 
　　3 主要技术创新点 
　　通过对冀东半地下式棚室内多个传感器大量数据的采集与分析，挖掘出本地设施内的温、湿、水、气等多种作物生长因子的变化规律，结合设施内当地的主栽品种，编制出相应作物的物联网控制参数阈值（针对冀东地区半地下温室，黄瓜顶风口单独放风温度阈值为25.5 ℃，西红柿顶风口单独放风温度阈值为27 ℃，双风口同时放风温度阈值提高2 ℃），形成标准化的作业流程。 
　　利用物联网技术、手机移动应用APP技术，通过专家知识库服务器远程自動应答，实现对冀东地区设施农业种植中的核心要素及畜牧养殖环境中的关键指标（如温度、湿度、NH4浓度、CO2浓度、土壤水分）的远程监测与控制能力。 
　　进行知识库服务器本地化，冀东半地下式标准温室揭帘时间为M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，盖帘时间为M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，其中X为当日到6月22日之间的天数，TEXT为Excel函数，实现种养小环境内远程精准可控化生产。 
　　整合多种资源，形成气象+市场+物流=农产品生产，改善系统处理异常数据的容错能力，实现物联网系统对农业基础设施的预判性控制。推广微灌肥水一体化技术，利用控制器精准控制施肥量，可使肥料利用率提高40%～50%，春季黄瓜结果盛期，黄瓜棚每4 d随水浇施纯N 19.5 kg/hm2、P2O5 7.5 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。 
　　4 效益分析 
　　4.1 直接经济效益 
　　一是通过物联网专家系统的精确温湿度控制，保证适宜的水、肥、气、热等作物生长因子管理，做到科学种养，平均年增收2.1万元/hm2。以种植温室黄瓜为例，温室黄瓜平均产量为105 t/hm2，平均增产8%（8.4 t/hm2），按平均价格2.4元/kg计算，实现增收2.016万元/hm2。二是通过物联网的自动化控制，使每个棚室每年减少用工时数18个，节省农药、水肥成本90元，温室平均可节约成本28 350元/hm2。 
　　4.2 社会效益和生态效益 
　　一是有效保护生态环境；二是节约了水肥资源；三是实现了农业生产管理的远程化和自动化，减少了人工投入，从而使社会资源得到更合理的分配。可以直接促进当地经济的发展，并为农业信息化发展积累经验。 
　　5 参考文献 
　　[1] 阎晓军，王维瑞，梁建平.北京市设施农业物联网应用模式构建[J].农业工程学报，2012（4）：149-154. 
　　[2] 李作伟，丁捷，毛鹏军.设施农业物联网关键技术及工程化应用探讨[J].农业工程，2012（2）：35-39. 
　　[3] 周小波. 基于物联网技术的设施农业在线测控系统设计[J].太原科技大学学报，2011（3）：182-185. 
　　[4] 卢闯，彭秀媛，宣锴，等.物联网在设施农业中的应用研究[J].农业网络信息，2011（9）：10-13. 
　　[5] 贾宝红，钱春阳，宋治文，等.物联网技术在设施农业中的应用及其研究方向[J].天津农业科学，2015（4）：51-53. 
　　[6] 贾文珅，李孟楠，李雨，等.物联网关键技术在设施农业中应用探讨[J].食品安全质量检测学报，2016（11）：4401-4407.