摘 要：随着物联网及云计算技术的发展，其在智慧农业中的应用日益广泛。本文设计实现了基于物联网及云计算平台的智慧农业生产管理系统。该系统包括环境监测子系统、智能控制子系统、视频监控子系统和信息化管理子系统，实现了对农业生产管理过程中关键环境参数数据的采集、存储、分析、控制等，有效提高了农业生产管理效率。
关键词：物联网;云计算;传感器;智慧农业
智慧农业已成为我国农业的发展趋势。在智慧农业的发展过程中，通过现代信息技术的应用，对农业的生产、经营、管理和服务4个方面进行改造升级，从而实现农业的精准生产和科学管理[1]。智慧农业以物联网为依托，结合移动互联网及云计算技术，通过精准把控风险、监管过程、产品溯源等来实现智慧农业的平台化发展战略。
本文针对智慧农业生产管理中的实际问题进行研究，设计了基于物联网及云计算技术的智慧农业生产管理系统，并且实现了对各个监控点的数据采集、管理控制和云数据分析等功能。
一、智慧农业生产管理系统设计
智慧农业生产管理系统包括以下4个子系统：环境监测子系统、智能控制子系统、视频监控子系统、信息化管理子系统。如图1所示，前端主要进行作物生长环境监测，基于物联网及云计算的信息化平台面向用户提供数据分析、查询、数据报表等服务，用户可通过平台进行环境参数控制的远程操作。
（一）环境监测子系统
环境监测子系统主要监测环境温度、环境湿度、光照度、二氧化碳浓度、水体pH值、土壤温度和土壤湿度等参数，通过LORA组成一个无线传感网，多个大棚或大田将各自环境参数实时上传给云端服务器。
（二）智能控制子系统
根据监测到的环境参数数据，与各类作物生长所适宜的环境参数进行比较，监测值超过一定阈值时将驱动各类设备如湿帘降温系统、通风系统等进行工作，对环境参数进行控制。
（三）视频监控子系统
提供对大棚或大田的远程视频实时查看和视频录像，用户随时可以通过电脑或手机查看监控点的各个场景。视频通过有线网络传输至流媒体服务器，通过OCX（Object Linking and Embedding Control Extension）接口协议被云数据中心调用。
（四）信息化管理子系统
通过实时监测各样本点，存储各种前端设备回传的数据信息，并进行归类、汇总、数据综合分析，用于环境实时监测与控制、作物生长过程管理和综合分析预警等，可提供各种数据报表、数据查询等服务，并可作为多功能信息发布平台和用户的信息沟通交流平台。
二、智慧农业生产管理系统组成
本系统能够集成各种不同的农业环境传感器，使用采集控制器对空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳含量、光照度、水体pH值和降雨量等数据进行采集，实现农业生产的小环境监测。采集控制器采用LORA无线通信技术与传输网关实现通信，通过传输网关把数据传输到云平台，采用大数据云平台管理系统对数据进行存储、统计和分析，建立数据库，形成数据报表，与事先设置好的参数阈值进行比较，如果超过了阈值范围，云平台将向用户手机发送短信提醒，用户可以通过手机APP或电脑客户端软件向云平台发送控制指令，云平台再将控制指令传送给采集控制器，实现无人在现场的情况下远程操控温室大棚设备，如控制排风扇、水帘、喷淋设备等调控温室环境;对于大田种植的作物，可以形成预警信息或生产指导数据，为当年或来年的生产种植提供参考数据。系统组成如图2所示。
（一）采集控制器
本系统的采集控制器基于LORA通信技术，具备超长通信距离，空旷实测通信距离超过1.5 km，特别适合于户外通信场景。采集控制器的结构框图如图3所示，主要包括ARM 32-bit Cortex™-M3 CPU工业级高性能嵌入式处理器和LoRa无线传输模块，通过RS-485、I2C等接口可以连接多种传感器，具有与传输网关自动组网、即插即用、免维护的特点。采用超低功耗设计、终端休眠功耗低至2 μA;基于TDMA（时分复用）通信技术，网络内所有终端通信无碰撞，最大化利用带宽，没有重传延时，提高了网络整体的QoS，降低了网络整体功耗。采集控制器通过传输网关与云平台进行数据通信，所有的采集控制器均需系统综合管理平台进行接入管理，包括注册、激活、接收平台各种下发信息等。
传感器采用超低功耗设计，太阳能供电的方式可以满足大部分设备的需要。根据实际数据采集的要求，传感器的量程及分辨率见表1。
（二）传输网关
传输网关为多功能一体化设备，是整个前端系统的核心。所有的数据包括环境监测、报警数据、自动控制指令、与后端系统管理平台的数据通信等，均需要通过传输网关来完成。本系统的传输网关内嵌LoRa和4G通信模块，利用LoRa低功耗网络+4G移动数據网络，为客户终端设备和数据服务中心（大数据云平台）搭建一条高效、实时、健壮、便捷的无线通信链路，实现用户设备到数据服务中心的远程透明数据通信，用户设备即插即用，安装简单，使用方便。
传输网关结构框图如图4所示，采用美国ST公司工业级32位ARM-Cortex高性能嵌入式处理器，带有20K SRAM数据存储器，可以高速处理各种协议数据转换，缓存客户发送数据，同时接收超大数据包，不会造成数据丢失。LoRa和4G模块带有屏蔽罩，抗干扰强，传输距离远、传输稳定。如图4所示，采集控制器数据通过LoRa传输至传输网关，网关内置的4G通信模块通过运营商网络将数据传输至云计算平台。
（三）云平台监控管理软件
本系统软件开发采用面向服务的层次体系架构（SOA），搭建云服务分布式框架，基于Web服务实现数据共享应用。系统使用B/S和M/S 2种模式进行开发，其中B/S模式主要实现基于PC端的业务应用功能，M/S模式主要实现移动端的业务应用功能;服务器端分布式部署，前端采用HTML+JavaScript，后台采用RESTful Web Services。
该软件在集成的数据中心和共享服务平台的基础上，以接收传输网关的数据为基础，满足农业行业对环境关键参数数据监控、分析和控制的需要，主要的监控参数有大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、气压、光照、风向、pH值、雨量和二氧化碳含量等。通过实时传输技术，将数据汇集至云平台上，并进行分析和使用。同时具有报警设置与推送、控制指令的设置与發送等功能。目前，该软件已经在江苏省铜山智能农业物联网数据中心进行了一年多的试点应用。
软件主要包含系统登录管理、首页监测信息综合展示、地图管理、数据采集分析、设施管理、字典维护、系统设置和报警设置等功能模块。其中，首页监测信息综合展示如图5所示，主要展示登录人员所管理监测点的实时生产数据情况、当日天气、日历等。地图管理主要实现监测点地图位置的标注和对应二维码信息的显示。数据采集分析模块可以对采集控制器采集的数据进行展示、查询、录入、编辑、导出和删除等操作。可以“天”或“时”为单位进行监测分析，根据设置的指标、时间段等查询条件进行数据分析，默认生成24 h曲线分析图和对应的数据明细表格。报警模块可以先对需要告警通知的手机号码进行录入，对报警指标的最高、最低限值和开始时间、结束时间等告警条件信息进行设置，报警短信发送频率可以选择1～60 min发送一次，报警日志可以对报警记录进行存储、查询。同时也可以使用手机APP进行数据察看和操作，如图6所示。
三、结语
本文基于物联网、传感器、云计算平台等技术，设计实现了智慧农业生产管理系统。基于云计算及物联网的服务平台为智慧农业生产管理提供了定制化服务能力，同时降低了系统建设的平均成本，提高了各项农业数据的存储和挖掘能力。根据农业部构建天空地一体化的农业物联网测控体系要求[2]，在有着精细化、智慧化需求的各个农业领域有着极高的应用价值。
参考文献：
[1]韩秀艳，孙涛.我国智慧农业发展路径设计及其优化策略研究[J].陕西农业科学，2016（12）：98-101.
[2]中华人民共和国农业部.农业部办公厅关于开展农业特色互联网小镇建设试点的指导意见[EB/OL].（2017-10-13）[2018-10-09].http：//jiuban.moa.gov.cn/zwllm/zcfg/nybgz/201710/t20171016_5840580.htm.
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