农情综合信息智能监控体系的开发及应用*

孟祥宝，谢秋波，彭 宾，黄家怿，郭佩佩

（1.广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630；2.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东广州 510630）

0 引言

农业具有地域分散、对象复杂多样、环境因子不确定等特点，也是受环境影响最明显的领域[1]。农情信息可分为地理环境、土壤环境、小气候、水环境、作物生长状况信息以及管理信息六大要素，具有信息量大、形式多样、动态变化快、不确定性、不完整性、稀疏性、时空变异性强等特点[2-4]。如何实时获取农业生产环境信息并对其进行精确控制显得十分重要。农业环境相对恶劣，干扰源多，传统单功能传感器不能获得全面、丰富的现场信息，也不具备对现场环境调控设备进行精准控制的功能[5]。随着信息技术在农业的广泛应用，各种面向复杂应用背景的农业信息管理系统大量涌现，信息资源丰富，表现形式多样，信息容量和处理要求已大大超出传统处理方法的能力。此外，如何有效采集、筛选和利用这些信息资源，充分体现农业信息的时效性和综合性，也是农业信息化亟待解决的问题之一[6-8]。

针对上述问题，本文拟研制一套成本低、运行稳定、支持多通道数据采集的农情信息监控终端，在快速获取农作物种植现场温度、湿度、酸碱度（pH值）、二氧化碳（CO2）浓度、光照度、图像等信息的同时，提供直观的图表和智能分析功能，并根据环境检测结果和作物生长需要，自动控制和调节温控系统、调湿系统、喷淋系统、浇灌系统、遮阳及补光系统等设备。同时开发配套的后台通信、信息管理、发布和查询服务平台，实现农业生产过程的远程在线监控，并通过建设数据沟通通道，实现不同平台间功能和信息的互建互通。

1 农情信息监控终端

自制多种环境检测传感器，组成传感器组，并综合应用嵌入式技术、GPS定位技术、3G通信技术、多传感器多通道数据融合技术以及工控组态技术，开发集在线检测和实时调控功能于一体的多功能农情信息监控终端。终端主要包括两部分，一是负责多种农情信息采集的一体化硬件设备，二是负责控制检测传感器、环境调控设备、数据管理、通信服务等应用的软件系统。所建的智能化作物培育系统拓扑图如图1所示。

图1 智能化作物培育系统拓扑图

1.1 终端硬件功能与结构

终端的硬件核心部分包括数据采集和远程视频监控两部分。数据采集部分利用传感器组获取多种环境指标，并以直观的图表或曲线方式呈现给用户，主要实现以下六类环境数据的综合采集：①土壤成分/养分信息；②土壤特征信息；③作物生长小气候信息；④人工采集的作物信息（作物种类、生长状态等）和病虫害信息；⑤地理空间定位信息；⑥图像信息。同时，终端设备提供一定的设备开关控制输出功能。远程视频监控部分针对农业生产场地偏远、地域分散等特点，在生产现场的关键位置安装摄像枪，通过无线远程技术对农田、温室等各类农业现场情况和作物生长发育状况进行图像采集，并通过网络实现前端生产情况的远程、实时监控。

根据仪器仪表显示的检测结果，结合作物生长状态和实际需求进行智能分析，与系统预设值进行比较，进而向控制柜发出适配指令，对排风扇、喷淋、遮光帘等生产环境调控设备进行精准控制，保证农作物有良好、适宜的生长环境。

监控终端内部主板卡的设计采用性能优越的基于ARM9低功耗CPU、具有MinilSA总线扩展功能的工控核心板，集成一系列硬件扩展模块（主要包括：数据采集模块、3G通信模块，GPS定位模块、Zigbee通信模块、工控组态模块等）。外壳采用高密封防水材料制作，所有对外接口线路采用防水套件加固，保证系统防水性能、同时提高设备野外的抗干扰能力。人机交互界面选取较大尺寸（10＂）的VGA触摸屏，保证产品的操作性能。选择大容量可充电蓄电池为内部设备和外围设备供电，并采用太阳能供电设备提供电源补充。

1.2 终端软件设计

监控终端软件组成与功能模块设计如图2所示。在Linux操作系统的基础上，采用C++编程语言及EMACS编辑器、GDB调试器和GCC编译器等编程工具开发软件。考虑到设备的野外强光操作环境，界面采用高对比背景与高亮度前景显示设计。监控终端软件主界面如图3所示。

2 信息管理服务平台

2.1 平台功能设计

图2 农情信息监控终端的软件功能模块结构示意图

图3 农情信息监控终端显示界面原型图

信息管理服务平台具有与终端设备保持实时通信、信息入库、信息统计分析与空间分布展示、发布和备份等功能，其软件组成和主要功能模块如图4所示。平台在设计上采用面向对象分析和组件式开发方法，平台架构由基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层和表现层五个结构层面组成，各层面功能详见图5。通信服务程序开发采用Window系统Service程序开发技术，选择C++语言开发，开发工具为VC++.net。Web服务程序采用B/S(Brower/Server）结构，Java语言开发；系统的技术架构采用基于J2EE组件技术的多层应用体系结构，支持Internet，通过XML技术提供可跨平台交换和移植的业务数据；数据按照需求采取远程单位分散、逐级集中的管理模式。

图4 信息管理服务平台软件功能模块结构示意图

图5 信息管理服务平台架构示意图

2.2 平台界面设计

为了使平台更符合农业生产实际的需要，将二维GIS空间插值分析和展现技术应用到农情数据分析中，使得监控数据的分析结果能得到更为直观的展示。以土壤湿度分析为例，图6给出了广东省不同城市土壤湿度的二维空间插值模拟分析结果。此外，平台还提供了多种数据显示和查询方式，用户可随时随地了解当前和历史农情综合信息（见图7），操作简单，结果直观，适于不同用户群使用。

图6 广东省不同区域土壤湿度插值分析模拟界面

图7 历史检测数据查询与多元素分析图

3 示范及推广应用

为了验证研制的硬件设备及开发的软件平台的实际应用效果，研究组在广州市农业机械总公司的现代农业装备示范基地进行了安装和使用，现场监控情况如图8所示。此外，研究组还在该示范基地成功建立了智能化监控系统、智能化培育系统、渔塘水质环境监测系统和农产品质量溯源系统。

图8 现代农业装备示范基地智能培育及监控系统

采用了J2EE架构的农情信息管理服务平台，是一种能提供可创建广泛兼容的企业解决方案而无需进行复杂编程的平台。因此，通过建立与其他应用系统的数据沟通通道，并结合自动分类、智能化文本挖掘和中文信息处理等技术，便可简单、方便扩充平台功能和容量，将不同功能的应用系统进行整合和统一，还可集成企业OA系统、邮件系统、视频会商系统等第三方应用软件，建成“一站式”综合农业信息管理平台。该平台可提供用户管理、日志审计、搜索引擎、报警机制、报表引擎等功能，方便用户对整个平台进行系统、全面的管理，达到为不同目标用户提供统一、个性化界面和应用的目的。

目前，研究组已在本农情信息监控系统的基础上，集成了“农产品质量安全检测系统”、“农业信息采集与处理发布系统”、“农业技术推广奖一站式审批管理信息平台”、“农机安全监理信息管理系统”、“农业机械购置补贴一站式审批管理系统”、“农机数据统计信息管理系统”、“农机培训机构管理信息系统”、“农村能源建设管理信息系统”、“畜牧饲料行政管理信息系统”、“农村远程教育与培训系统”、“农村沼气建设管理信息系统”等10多个农业应用系统，成功为全国不同领域的农业工作者提供专业化的农业信息管理服务。例如，为广东省农业厅农业机械化管理办公室建设了农机信息管理平台，以广东省农机购置补贴完成情况分析为例，平台根据农业机械购置补贴工作流程管理规范的要求，对采集到并经过加工处理后的数据进行统计分析，再以直方图及饼图的形式直观地呈现给用户。又如以面向种子检测的全国种子检测实验室管理信息系统为例，平台可根据检测项目需要和使用人员习惯，生成相应的种子检测记录表，支持PDF格式导出，并能实现打印、查询等功能。此外，研究组还在广东省动物防疫监督总所、广东省兽药与饲料监察总所、山东省饲料监察所、河南省种子管理站等单位进行了推广应用，不仅产生了较好的经济收入，同时也为各农业管理部门和广大农民提供了及时信息服务，进一步推动了我国农业信息化进程。

4 结语

针对我国发展现代精准农业的客观要求，构建了集信息采集与信息管理服务于一体的农情综合信息智能监控体系。研制的农情信息监控设备具有成本低、性能好、运行可靠、支持多元素信息采集和环境控制等优点，能满足精细农业定位、快速、精确、连续测量和实时调控的需要。配套开发的后台通信服务、信息管理和信息发布平台，能有效提高农情信息监控效率，降低成本，对促进我国农业的持续健康发展有重要意义。

［1］王丽芬，马明涛.基于ARM的农业环境因子监测系统的设计的探析［J］.中国农机化学报，2013，34（4）： 231-233，256.

［2］ 于涌鲲，缪小燕，高飞.中外农业信息管理现状研究［J］.情报科学，2004，22（9）： 1149-1151.

［3］李其才，马兴伦，张晓辉，等.农业信息管理研究［J］.科学管理研究，1998，16（2）：49-53.

［4］张芳，王珏.基于Web的农业信息管理系统建设研究［J］.农业网络信息，2013（7）：20-21，37.

［5］刘红刚.现代农业生产环境监测组态与融合技术的研究与示范应用［D］.广州：华南理工大学，2011.

［6］张玉香.关于加强我国农业信息体系建设的对策研究［EB/OL］. （2002-10-25）［2013-11-06］.http：//www.ycqny.net/html/main/nyplView/2006031329942.html.

［7］徐东升，袁飞云，陈军.基于P2P网络的农业信息管理系统［J］.农机化研究，2006，（10）：89-91.

［8］石元春.我国农业信息化发展战略［J］.科技导报，2003，（8）： 3-6.