设施农业物联网平台构建的研究与思考

（山东农业工程学院，山东 济南250100）

我国是一个农业大国，农业已有数千年的发展历史，生产结构包括种植业、林业、畜牧业、渔业和副业，但由于农业生产周期长、环境影响大、回报见效慢，仍然是一个典型的传统弱质产业，存在地域性和季节性强、产品标准化低和竞争力弱、生产经营及生产者分散等特点，具有较高的自然风险和市场风险。

随着工业信息化、物联网、大数据技术的进步，我国农业在得到普遍重视和较快发展的同时，也始终面临着小生产和大市场的矛盾，我国的小农经济现象和信息服务不畅的封闭状态正在逐年得到改善。

在以物联网为核心的现代信息化发展的过程中，制定以及实施农业物联网标准是一项基础性工程，农业物联网标椎化可以用于农业物联网科学化的研究，这样可以避免劳动力的重复，进一步提高相关方面研究人员的工作效率、缩短农产品的生产周期，使农产品的生产走在高效、科学的道路上。对农业相关的信息资源进一步深层挖掘，农业物联网标准化起到了关键的作用。首先必须将农业物联网的相关信息以标准的形式表达出来，这也才能为农业信息的进一步开发、农业数据知识的获取以及表示提供一个规范。

农业物联网的技术应用范围也越来越广，在农村土地流转后实现大规模耕种地区，农业抢耕、抢种、抢收中发挥巨大经济价值。农业物联网的大规模运用是未来现代化农业必选之路。我国在农业自动化灌溉、畜牧业养殖、农业机具智慧管理、渔业养殖监管等方面都已有很多尝试。笔者以农机智慧监管作为研究主题，对农机具使用物联网平台智慧管理需求进行分析，提出构建农机智慧管理平台的方式方法。

1 农机物联网使用现状

我国是农业生产大国，农机设备保有量巨大，针对农机位置、状态等作业信息采集不完善、作业管理不规范，仍缺乏有效的监控管理手段。农机作为农业生产的重要组成部分，在加快农业现代化进程和提高农业生产效率等方面起着决定性作用。

农机使用现状不利于推动我国现代化农业转型。“物联网”的出现在很多领域改变了生产方式，提升了生产效率。特别是近几年物联网在农业生产领域的技术研究越来越受到热捧。农业物联网分为感知层、网络层和应用层。感知层负责数据生产的相关信息；网络层负责信息的发送和传输处理；应用层负责加工、处理、分析数据，提供结合农业生产过程的数据服务。

2 农机物联网平台建设目标

通过设施农业物联网工程建设与运维规范的研究可以有效建设低成本高效的通用精准农业信息采集与处理系统，实现作业环境因子数据的采集、存储、无线传输、在线监测、环境调节设备的智能控制和作业一体化智能精准管理，从而实现良好的经济效益、社会效益和生态效益。

运用云计算、5G、物联网、人工智能、农业大数据等高性能信息数字化技术，深入开发和高度整合农机生产资源，实现市、县、乡各级单位，农业生产、管理、仓储、运输的网络化、智能化、数据实时化，指导农业种植和管理一体化、精准化、智能化开展。实现农业机械跨区域的智能调度。在采购、调配、维修、保养阶段有数据可依，智慧合理管控农机设施，发挥农机设施最大使用价值。

3 农机物联网平台主要功能设计

农机物联网监管平台的构成至少应包含管理平台、监控平台、指挥平台、管理APP、装维APP、各类接口几个部分。

3.1 管理平台

管理平台功能至少应包含基础信息管理、告警管理、工单管理、统计分析。

（1）基础信息管理模块：主要实现建筑物管理、房屋管理、企业管理、场所管理、组织机构管理、人员管理、系统管理。

（2）告警管理模块：基于元数据进行设备指标建模，支撑多种数据存储格式（Hadoop、MPP、RDB）的数据模型生命周期管控及模型呈现。设置指标监控规则，支持监控策略分级、指标分类管理，实现单指标监控和多指标自动化监控规则设置与规则横向扩容。

（3）工单管理模块：基于告警事物的工单管理系统，一系列的数据记录与管理。各类工单创建完成后，通过系统工单管理页面，提醒各级用户有新的工单发出，责任人查看后进行相应的点检、润滑、保养、轮保或检查维修，并在工单中输入相应的维护或检查维修工作结果。工作结果输入完成后，系统通过工单管理页面，提醒设备管理人员进行工单检查与评价。工单经管理人员的确认与评价后，对于检查发现并记录的未解决的问题，系统自动将问题转换成设备隐患，为设备隐患管理提供详细的信息来源。需考虑工单管理、模式、分类、流程的闭环工单管理模块。

①工单管理：是对设备运维活动工单的整个生命周期进行管理，包括工单创建、工单检查、工单评价、工单结束的全过程。

②维护工单管理：维护人员日常维护工单，包括设备型号、设备编号、生产厂商、安装地址、安装日期、批次、使用年限、使用情况等。

③工单管理模式：是基于管理流程，以任务管理为核心，重点强调过程监控和绩效考核的管理模式。

④工单分类：分为计划性工单与日常性工单两类。计划性工单：轮保工单、润滑工单、点检工单。日常性工单：故障处理工单、维修工单。

⑤工单管理流程：工单管理流程包括工单创建、工单执行、工单检查与评价等，工单管理流程如图1。

图1 工单管理流程

（4）统计分析模块：针对设备状态数据、设备告警信息数据、巡查管理数据进行大数据统计分析，分析结果指导物联网农机管理决策。

①设备状态统计：

图2 设备状态统计流程指示图

a)实现对设备试验数据、运行数据、巡视数据、事故数据、缺陷以及设备的基本信息的记录。

b)实现对设备信息进行处理，生成可供状态检修监测预警、状态评价所需要的设备状态量，从而发布预警信息和确定设备状态。

c)实现设备状态检修的流程管理，即设备信息收集、设备状态评价、检修决策、检修计划、检修实施等5个主要环节。

d)实现设备的状态查询，从而确定设备的状态：正常、注意、异常、严重。

②设备状态统计：

通过信息采集以及用户信息关联匹配，得到各个用户相关告警，再对同意用户告警进行管理匹配，呈现最高级别报警。

通过接入与业务相关的设备告警接入性能数据,通过分析生成性能告警通过客户资料及时在系统中的告警集中监控界面滚动显示告警,使用系统的监控、维护人员可以及时的看到告警,找出故障点,提高客户业务监控的主动性。

③巡查管理统计：

系统向各级用户分配管理帐号，各级用户凭账号登录系统后，查阅下级用户上报上来的事件并做出处理。以水政巡查管理为例，如果中队对发生水事件没有处理成功，则会把该事件上报到县大队，县大队首先要审核该水政巡查事件，并做出处理决定，如果县大队没有处理成2功，则将该事件上报到市支队进行处理，市支队同样也要审核该水政巡查事件并做出处理决定，如果该事件市支队没有处理成功则最后向省总队上报，总队审核该事件后，通过网上办案系统通过水政执法大队组织进行处理。各级巡查大队与各级执法大队的上报、审核及处理的操作全部都要存储在计算机系统中的水政巡查事件数据库中，方便各级巡查与执法部门调取和查阅事件处理的进展情况。该流程再造后，通过计算机系统来集中管理水政巡查事件的处理过程，缓解了传统过程中处理过程复杂，处理结果不能即时有效的往各部门传送的弊端，提高了工作效率。

④位置轨迹分析管理：

位置分布：通过植入GSM或BDS装置卫星定位农机位置，通过位置数据回传，可以图形化的方式显示出农机在各地市、县、乡镇的分布情况。

位置查询：平台可实时查看农机所在位置的详细信息，用户只要输入所需查询的农机编号，就可以在地图上以图形化的方式实时展示出农机所在位置。

轨迹回放：平台可对机械作业历史轨迹进行查看。通过设置起止时间点，播放速度等，再现机械的作业过程。

就近服务：当农机车辆出现故障时，服务人员可通过查询故障车辆一定范围内的服务站，从而指引车辆到服务站去进行修理。

围栏提醒：用户可在平台上设定贷款车辆的区域工作范围，车辆一旦超出围栏范围，平台将触发报警。

资讯发布：平台支持农机厂商对外发布农业相关的信息及农业机械的促销信息，信息在农机终端显示屏上显示，可语音播放。

站点寻车：用户可通过此平台查询离本站附近的农机车辆运行情况（包括发生故障和报警的车辆），提前做好服务和配件的准备。

3.2 监控平台

物联网监控是一种防范能力较强的综合系统，主要由前端采集设备、传输网络、数据处理、监控运营平台四个部分组成。物联网监控的主要功能是通过对视频、声音、温度等数据的直观、准确和及时地监控，以实现各种物品之间的联动反应。

物联网监控管理平台具体由服务器、注册与登录、数据上传以及数据显示与查询四大模块组成。服务器模块主要完成监控管理平台服务器的搭建，作为数据处理和数据可视化的前提，是监控管理平台应用层的基础。注册与登录模块是进入监控管理平台的凭证，用户可以注册相应的平台会员账户，登录账户可以实时管理传感器数据并查看数据动态，以便根据提示做出相应的预防工作。数据上传模块主要完成传感器数据上传到MySQL数据库，通过数据库管理工具对数据进行管理，以及通过服务器网络控制传感设备。数据显示与查询模块主要完成传感器数据的实时显示和历史趋势图查看，另外可以根据关键字对数据进行査询。这四大模块相辅相成，共同完成监控管理平台软件部分的工作。

物联网监控子系统主要功能是实现传感器数据的实时显示，以及对传感器历史数据进行绘图分析。

（1）实时数据部分用户可以实时查看环境数据：实时数据包括传感器数据、显示时间以及传感器地址。另外可以根据要求查询传感器数据信息。

（2）历史趋势部分主要功能是查看传感器数据的历史趋势：用于选择不同数据信息，包括温度、湿度、PM2.5、声音、红外和光强，可显示该传感器数据的历史趋势，当鼠标置于图中某点之上时会显示该点所对应的传感器数据以及该数据对应的时间信息。

3.3 指挥平台

当发生故障报警时，指挥平台系统会在GIS地图在报警位置显示明显闪烁标志，并显示窗体列出报警时间、单位地址、外观图、周边设施、平面图、联系人、联系电话、探头信息、视频监控图像、现场周边危险源等。

该平台向维护中心提供监测监控、预测预警、信息报告、辅助决策、应急预案、演练培训和协同会商等支撑保障，并满足农机具维护中心日常管控，保障农业生产。

指挥平台的架构设计遵循平台化、组件化的设计思想，采用统一的数据交换、统一的接口标准、统一的安全保障。总体上采用SOA（Service-Oriented Architecture）架构模型。各种服务按多层模式组织，这种多层架构可以搭建松散耦合、易于复用、可扩展性强的应用。

SOA架构具有的规范统一性和高度的开放性可以保证应急体系信息化建设的不断扩展。系统由下至上为三层主框架：数据服务层（细分为数据访问层和数据层）、业务层（细分为业务支撑层和业务应用层）及用户展现层（细分为展现层和用户层）。

3.4 管理APP

当前移动互联网的大背景下，为满足农业物联网管理调度人员的移动办公需求，实现app移动办公，从而随时随地的获取下发指令并接受反馈，使工作更加简单，更加高效。

通过调用移动端的摄像设备，向给各级指挥人员在手机上展现现场情况。利用4G、5G、WIFI、GPS等移动互联通信技术，在智能手持机、平板电脑等终端设备上进行运营分析、作业流程监控、风险监控预警、巡检、视频监控、协同办公等。

可以让农机物联网管理人员、一线人员更加高效，更加准确及时的现场情况和状态，并为管理调度人员提供更先进高效的经营管理手段。

3.5 各类接口

农业物联网包含前端生产与后端管理分析，乡镇与县市互联互通，主管部门与协管部门数据互联。需针对农业物联网定制卫星定位数据接口、短信接口、语音接口、微信接口、信息发布接口、消息推送接口、视频系统接口、南北向接口、FTP接口、数据库接口等。笔者在这里举例几种常用接口类型。

（1）短信接口：通过短信通知功能可以支持在发运过程中出现异常情况及时通告给预设相关人员，当发生各种错误、危险状态等情况时，系统会自动生成报警信息并记录。此时短信报警功能启动，将报警信息，如位置、报警内容等，通过短信收发设备发送到授权分管领导或相关管理人员手机中，使管理人员能够及时了解发运现状，及时解决异常问题。

（2）语音接口：系统提供多种的消息通知功能，及时将业务执行过程中产生的各类异常情况及时自动拨号通知给相关人员，也能根据预设方案进行全员语音电话会议。

（3）微信接口：和微信公众平台的接口，实现信息发布、消息推送等功能。

（4）南北向接口：各乡镇、县级、市级农机物联网平台对接，下级部门向上级部门数据汇报，上级部门根据全局数据进行大数据分析后，向下级部门数据下发。实现南北互通。

（5）FTP接口：对于系统间大数据量非实时数据，特别是非结构化数据（语音、视频、图片等），主要针对外部系统或者导入数据。最终以文件的形式进行传递并处理，上传至FTP服务器。

（6）数据库接口：数据库应为ODBC/JDBC接口，要求提供访问数据库的相关信息以及数据表的详细设计文档等。利用数据库接口访问大数据量非实时数据时，数据提供方必须提供数据库服务器的IP地址、访问端口、数据库实例名（服务名）、数据库用户名/密码、数据库存储模型、数据生成/变化时间，数据获取方则根据上述信息，通过ODBC/JDBC等数据库访问接口连接到提供方的数据库上，通过拼装符合条件的SQL语句来获得数据结果集，通过对结果集中的数据的操作分析实现数据访问功能。

4 结语

本文以农机物联网平台为例进行分析，提出了一种平台开发架构，从监控平台、指挥平台、管理APP、各类接口几个方面进行架构剖析，通过对农机物联网的运用高度整合农村农机生产资源，实现市、县、乡各级单位，农业生产、管理、仓储、运输的环节的网络化、智能化、数据实时化，指导农业种植和管理一体化、精准化、智能化开展。对农机设备采购、调配、维修、保养有数据可依，智慧合理管控农机设备，发挥农机设备最大使用价值。

通过农机物联网平台建设对现存设施农机使用数据采集、上传、分析，为保证数据采集的准确度和可靠性，数据传输的稳定性和高效性，研究设施农业物联网工程建设中的传感器、网关设备、控制设备的安装、调试、测试的技术规范。

寄希望通过农机物联网平台建设使用，在实践中探索农业物联网建设思考,保障设施农业物联网运维过程中的数据准确度和可靠性，提高设施农业中物联网的智能化控制和精细化操作。