九月丰家庭农场智慧农业平台设计与实现

王聪 徐勇 张晨 王东印

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130021)

引言

党的十九大提出实施乡村振兴战略，开启了加快我国农业农村现代化的新征程。《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》建立了乡村振兴指标体系，提出了推动城乡融合发展、加快城乡基础设施互联互通等政策举措[1]。近年来，伴随着互联网等新技术的加速涌现，物联网、云计算、大数据等技术运用到农业生产各环节，数字农业、智慧农业应运而生。当前中国农业已完全开放，进入了世界经济循环，我国要发展农业科技创新，才能提高农业生产能力和竞争力。随着数字与网络信息技术飞速发展，我国的农业发展也面临着全新的技术变革，数字技术在我国农业领域中的运用，不仅极大地改变了我国传统的生产模式，更能切实促进我国农业现代化发展目标的顺利实现[2]。

随着信息技术和物联网技术的不断完善，智慧农业也在不断的改进并趋于成熟，智慧农业是运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行监测、分析与控制，是根据物联网技术框架来实现农业生产技术的改变[3]。应用农业物联网、数据可视化等先进的技术和方法，建设九月丰家庭农场智慧农业平台，将九月丰家庭农场打造成为现代化新型农场，本文对九月丰家庭农场智慧农业平台进行了具体的设计与实现。

1 九月丰家庭农场简介

永吉县九月丰家庭农场成立于2013年，坐落在吉林省永吉县一拉溪镇，该农场拥有现代化农机设备60多台套，耕地300余hm2(含流转)，现代化育苗大棚60栋(共2.8hm2)，1座20t智能水稻催芽车间，1座25万kg种子粮食保鲜库，2座220t自然风烘干塔，建有工人食堂、宿舍、学习培训与办公于一体的综合楼，实现了农场与农机、农艺、农技相结合，以规模化生产、集约化经营、产业化运作的现代农业家庭农场。项目组和九月丰家庭农场合作建设了九月丰家庭农场智慧农业平台。

2 九月丰家庭农场智慧农业平台设计

本文依托科技项目，利用九月丰家庭农场的现有资源，在项目组专家的指导下，在同九月丰家庭农场长期合作的科技企业配合下，共同为九月丰家庭农场建设了九月丰家庭农场智慧农业平台。九月丰家庭农场智慧农业平台包含水田环境监测数据可视化系统、育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统。九月丰家庭农场智慧农业平台适用于普遍的种植业，该平台涉及生产、管理、组织等多个方面，在农业生产中，通过九月丰家庭农场智慧农业平台的应用，在育苗、播种、种植、管理、收获等多个环节都做到了智能化，解放了大量劳动力的同时，能够更精准地计算农业生产的时间和比重。在农作物种植和培育阶段能够更及时进行施肥、除草、灌溉等养护程序，种植更科学、更专业。在农业管理方面，运用物联网技术和数据分析，分析土壤水肥情况，准确给予补充，更好地实现农作物的优良种植[4]。精准施肥，精准喷药除草、杀虫，能有效减少化学制剂对土地的损害。

2.1 服务器方案设计

根据九月丰家庭农场智慧农业平台架构设计，以及视频流媒体情况，服务器方案设计：为物联网设备提供数据接收和指令发送的通信服务器；面向用户对象服务器(包含Web服务、移动端服务)；处理流媒体视频服务的RTMP服务器；数据存储服务器。九月丰家庭农场智慧农业平台服务器架构设计如图1所示。

图1 服务器架构设计

设备通信服务器与九月丰家庭农场智慧农业平台感知层通过4G网络进行通信，负责接收传感器数据和发送设备控制指令。总控制器和节点控制器时间对齐，控制传感器采集数据时间同步，以水田环境监测数据可视化系统为例，其传感器数据采集数据库信息表，如表1～4所示。

表1 传感器数据采集信息

表2 传感器数据采集信息

每个节点由一个数据采集节点控制器管理、控制，下设3个采集点，每个采集点土壤深度分为10cm、20cm、30cm、40cm，4个深度采集土壤的温度和湿度数据。

表3 传感器数据采集信息

RTMP服务器通过RTMP协议搭建流媒体服务器。RTMP是Real Time Messaging Protocol的简写。RTMP是应用层协议，其是基于TCP实现的。消息(Message)是 RTMP 协议的基本单元。当建立连接后，服务器与客户机之间通过消息进行数据传输。RTMP服务器应用RTMP协议能有效解决多媒体数据传输流的多路复用(Multiplexing)和分包(packetizing)的问题[5]。

表4 传感器数据采集信息

面向用户对象服务器，实现用户能通过大屏幕、计算机以及移动设备(手机、平板电脑等)通过数据可视化的方式获取数据信息，并向控制器发送操作指令。面向用户对象服务器采用B/S架构设计，MVC模式，包含View用户界面、Model业务模型、Controller控制器3层。具体程序设计本文不做详细描述，用户界面见图2、图3。

图2 水田环境监测数据可视化系统

图3 水田环境监测数据可视化系统数据展示

2.2 水田环境监测数据可视化系统

九月丰家庭农场拥有数千亩良田，如何管理、如何掌握农田的状态、了解水稻的长势，靠人工成本太高，浪费了人力、物力、资金和时间，许多情况也得不到及时、详细的反馈。应用农业物联网技术，在300hm2水田中建设农田环境监测基站，分区设置多组摄像头对农情进行视频监测解决了这一问题，让管理更加科学，大大减少了人力、物力、资金和时间的浪费。

水田环境监测数据可视化系统架构是按照物联网3层架构设计的，分为3个层次，即应用层、网络层和感知层[6]。感知层是水田环境监测数据可视化系统的核心和基础，是信息采集的关键部分，主要是使用环境参数传感器对农业现场环境参数进行采集，包含空气温度、湿度、大气压力、风速、风向、降水量、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、虫情。网络层的功能是将感知层中传感设备获取的农业现场环境参数通过4G无线通信协议上传至应用层，实现传感器网络与互联网的深度结合，到达农业信息的快速、准确传输，传输层是水田环境监测数据可视化系统到通讯中心，也是核心之一。应用层是水田环境监测数据可视化系统架构的顶层，是智慧农业实现具体应用的平台，是用户与系统之间信息交互的窗口。应用层通过可视化的方式，将水田现场环境参数信息展示，并将田间架设的摄像头视频信号的实况显示，根据显示的不同水田现场的数据信息和视频信号对农业生产过程进行科学有效的指导，通过视频信号的实时监控，可以对农业现场出现的意外状况快速处理，在做到对农业现场环境实时把控的同时，让农业生产收益到达最大化[3]。

2.3 育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统

育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统架构也是按照物联网3层架构设计的，与水田环境监测数据可视化系统不同的是，育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统包含控制功能。在应用层包含操作层，主要负责生产任务执行，如操作层收到灌溉和施肥的指令后，打开水泵和阀门，根据作物生长灌溉水和肥料所需的时间、数量进行喷淋。传输层还包含应用层将控制信息传递给感知层的过程。

九月丰家庭农场应用育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统实现了种苗规模化生产、商品化供应，在满足自身种植的基础上，也为周边农户提供了水稻育苗服务。育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统采集大棚中的土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照度、大气压等作物生长环境数据，进行监控分析，及时了解环境变化。通过控制设备进行卷帘，调节光照、通风和保暖，控制喷淋操作调节土壤水分。通过对植物生长环境的调节与控制，来满足幼苗生长发育的需要。

图4 育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统

图5 育苗大棚自动控制喷淋

图6 移动端实时数据读取

育苗大棚在育苗后种植了蔬菜，供家庭农场员工食用，同样使用了育苗大棚环境监测数据可视化与控制系统进行管理，让大棚蔬菜种植变得便捷。

3 总结

智慧农业是依托生物技术、智能农机、信息技术，能够实现信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务5大功能的一种现代化农业生产方式，智慧农业是中国农业未来的发展方向[7]。九月丰家庭农场智慧农业平台帮助九月丰家庭农场提升了管理水平、提高了工作效率、减少了劳动力的投入、降低了成本、增加了收入，促进了其农业信息化发展。九月丰家庭农场智慧农业平台同样适用于其它家庭农场，能为更多的农民创造更多的价值。