基于物聯(lián)網智慧農業(yè)平臺建設大數據的研究

　　摘要：伴隨著科學技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網技術在眾多領域開始得到運用。農業(yè)領域也開始采用物聯(lián)網技術向著科技化、便捷化、高效化方向發(fā)展。本論文對比分析了國內外智慧農業(yè)發(fā)展的現狀，介紹了智慧農業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著物聯(lián)網技術的成熟，根據中國農業(yè)的現狀，結合互聯(lián)網技術，設計并實現了一套基于Web的智慧農業(yè)平臺，以解決農業(yè)生產過程中農民獲得即時專家指導，監(jiān)控農作物生長因子狀態(tài)，高效控制生長條件，科學降低生產成本等問題，為將來中國智慧農業(yè)的全面發(fā)展做了初步的探討?；谶@個智慧農業(yè)平臺，得到相關的農業(yè)大數據，然后進行了數據的初步處理，為中國農業(yè)大數據的建立提供一定的參考數據信息。

　　關鍵詞：物聯(lián)網；智慧農業(yè)；大數據；B/S；智慧農業(yè)；數據庫

　　第1章緒論

　　1.1課題研究背景及意義

　　1.1.1課題研究背景

　　中國是一個地域寬廣有著上下五千年的歷史國家，在中國的歷史上主要以農業(yè)為主要的產業(yè)。農業(yè)是作為國家經濟的基礎，在整個國家經濟體系中占有十分重要的地位?？v觀中國農業(yè)的發(fā)展過程，雖然農業(yè)技術在隨著科技的發(fā)展而不斷的進步，但是中國農業(yè)這種以犧牲資源和生態(tài)環(huán)境為代價來換取農業(yè)的發(fā)展模式，造成了許多嚴重的后果。例如：自然環(huán)境破化，生產過程浪費，生態(tài)系統(tǒng)抵御自然災害能力下降，農業(yè)生產食品不安全等后果。并且在生產方式上比較粗放，基本上是靠天吃飯，風險抵御能力弱，勞動強度大，投入產出不確定，資源浪費嚴重。在食品安全上產生了這樣的問題：生產出來的農作物是否受到污染，農藥殘留有無超標，均不能確定。

　　1.1.2課題研究意義

　　智慧農業(yè)是農業(yè)發(fā)展的高級階段，即集成應用傳感和測量技術、計算機網絡和通信技術、智能技術及自動控制技術等現代信息技術，依托部署在農業(yè)現場的各種傳感器節(jié)點和通信網絡，實現農業(yè)生產的田間智慧種植、可視化管理、智能預警及智能化決策等[9]。智慧農業(yè)統(tǒng)一平臺中的生長因子環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和生長因子采集設備的開發(fā)，可以實現了控制過程精細化、環(huán)境控制智能化?；谖锫?lián)網（IOT）的智慧農業(yè)與傳統(tǒng)農業(yè)和現代農業(yè)有著很大的差異，智慧農業(yè)是在農業(yè)領域運用科技手段實現生產開發(fā)的高級階段，它整合了傳感器技術、網關技術、服務器技術、數據庫技術、通信傳輸技術、云計算、云存儲以及物聯(lián)網技術等多個領域的技術，搭載形成一個智慧農業(yè)平臺。通過這個智慧農業(yè)平臺，可以實現對農作物生長環(huán)境有效監(jiān)管和對農作物生長過程的全方位全時段檢測，以及對生長因素進行合理的控制，這對研究實現農業(yè)生產的高效化和推動農業(yè)走向智能化有著重要的意義。第一,基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)推動農業(yè)走向科技化。智慧農業(yè)在現場設置多種傳感器、無線網關、服務器基站等設備，使現場的農作物的各個階段的生長信息以更加科學易懂的圖表界面?zhèn)鬟f給生產者，實現了足不出戶就可以種植農作物的夢想。與此同時，還有一些報警和控制程序，可以實時預警和對突發(fā)的一些情況進行相應的控制，實現了智慧農業(yè)的信息化和自動化。第二，基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)提高農業(yè)生產管理水平。物聯(lián)網等科學技術運用在農業(yè)領域，對于提高傳統(tǒng)的農業(yè)管理水平有著十分顯著的效果。通過智慧農業(yè)平臺，將現場傳感器采集的農作物的生長因素傳遞給生產者，為生產者提供管理控制的科學數據。通過這些實時數據，可以優(yōu)化植物的生長環(huán)境，確保農作物收益的最大化。智慧農業(yè)平臺不僅僅提高了農作物的管理和產量，還可以提高在生產過程中對與水、化肥等消耗品的合理利用。最后，基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)通過追溯可以保障農產品和食品安全。在農產品的成摻和運輸過程中，可以通過電子條形碼、無線網絡、通信網絡和計算機互聯(lián)網等的聯(lián)合應用，對產品從生產到加工到包裝到出廠到運輸最后到達消費者手中這整個鏈條進行有效的監(jiān)管，實現了農產品的可數字化的追蹤管理，確保每一個農產品的安全，提高了食品的安全性。我國是農業(yè)大國，但非農業(yè)強國。目前我國農業(yè)發(fā)展相對落后，基本上是半傳統(tǒng)半機械的農業(yè)，而國際上許多國家在農業(yè)方面都在逐漸向科技化的精細農業(yè)發(fā)展。面對國內不發(fā)達的農業(yè)技術和國際的嚴峻挑戰(zhàn)，研究智慧農業(yè)是十分有必要的和有意義的。

　　1.2國內外基于物聯(lián)網智慧農業(yè)信息平臺建設研究情況

　　從物聯(lián)網技術嶄露頭角，到現在物聯(lián)網技術基本上走入到社會的各個領域，物聯(lián)網技術在強勁的發(fā)展，并且在未來的一段時間必將有更大更強勁的發(fā)展。同樣物聯(lián)網技術也沖擊了農業(yè)領域，使得農業(yè)領域的生產方式發(fā)生了很大的改變。在國外，首先在農業(yè)資源監(jiān)測領域，由于國外物聯(lián)網技術發(fā)展和運用比較早，美國、德國、日本和法國等一些發(fā)達國家運用物聯(lián)網相關技術建立了先進的農業(yè)生態(tài)環(huán)境檢測網絡?；谶@種網絡，運用物聯(lián)網等科學技術構建了一個可以全國性檢測農產品的平臺。通過這個平臺，可以對全國各個地方的農業(yè)生態(tài)環(huán)境進行檢測和預警管理，確保農作物的高效產量以及可持續(xù)化發(fā)展。其次在農業(yè)精細管理的領域，美國、加拿大、法國等國家在大田糧食作物方面機械化精準種植、農業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測和智慧灌溉施肥控制、果園生產方面不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養(yǎng)殖監(jiān)測網絡和精細養(yǎng)殖等方面應用廣泛。通過實時數據的分析，對生長因子的精確控制，合理利用資源。最后在食品安全溯源方面，國外許多發(fā)達國家在農產品包裝標識、動物個體的標識以及產品流通過程中的檢測追蹤方面取得很大的成就。例如日本利用RFID標簽技術和網絡通信技術，構建了可以監(jiān)測追蹤農業(yè)農產品的追溯系統(tǒng)。一旦有安全問題，就可以追溯到源頭。

　　第2章系統(tǒng)技術方案

　　2.1系統(tǒng)主要研究對象

　　（1）基于SOA架構的業(yè)務管理平臺性能指標系統(tǒng)平臺支持即實時數據信息的采集、管理、歷史存貯功能；建模及模型驅動功能；具備與企業(yè)其他信息系統(tǒng)集成的專用模塊，實現應用系統(tǒng)松耦合，并支持本標準列出接口技術要求[18]。（2）數據庫業(yè)務數據管理應采用關系型數據庫；實時數據管理應采用實時和歷史數據庫[19]。（3）基工業(yè)以太環(huán)網的網絡傳輸技術，性能指標如下表所示。

　　2.2系統(tǒng)創(chuàng)新內容

　　2.2.1更加全面的感知

　　通過智能傳感器等物聯(lián)網技術，不僅遠程實時監(jiān)測作物生長環(huán)境的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度[20]、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳含量指標、光照度，還可以根據實際的應用場景監(jiān)測溶解氧、PH、氮、磷、鉀值等技術指標，同時實現對終端設備進行控制：如卷簾、風機、噴滴灌設備。

　　2.2.2更加可靠的傳輸

　　允許在某些網絡設備或線路發(fā)生故障時仍然能正常傳輸數據，為生長因子和質量溯源信息數據傳輸提供了可靠保證。工業(yè)以太網絡采用星型結構或環(huán)型結構[21]。采用星形、環(huán)形、雙星形和雙環(huán)形網絡拓撲結構，可以實現提高網絡的可靠性的要求。由于雙環(huán)形的網絡拓撲結構其費用高，而且不適用于農業(yè)領域的相關生長因素和農產品溯源管理方面，因此設計選擇為用單環(huán)網絡的方式組網。

　　第3章系統(tǒng)的相關技術及初步研究

　　3.1物聯(lián)網技術

　　3.1.1物聯(lián)網的概念物聯(lián)網，英文名稱：“Internetofthings(IOT)”或者“Webofthings”，是互聯(lián)網技術應用的繼承和發(fā)展，也是新一代的信息技術的重要構成部分[29]。從字面意思理解，物聯(lián)網即是物體與物體的連接而成的網[30]。它有兩個方面的意思：一是物聯(lián)網最重要最關鍵的部分仍然是一種網，這種網它是互聯(lián)網深層次的發(fā)展和擴充；二是由人與物的信息交換轉變到任何物與物的信息交換，即物物相息。從1999年物聯(lián)網這一概念提出到現在，由于不同領域的研究者對物聯(lián)網研究的起點各異[31]，對物聯(lián)網的描述側重點不同，所以短期內對物聯(lián)網這一概念還沒有科學官方的定義[32]。本論文認為物聯(lián)網是通過傳感設備，將物體與互聯(lián)網進行信息流的交互和通信，以實現方便識別、管理和控制的一種網絡?；谖锫?lián)網的智慧農業(yè)就是將物聯(lián)網技術和農業(yè)技術結合起來。具體來說就是：通過濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器，采集農作物的濕度、溫度、光照、二氧化碳的詳細數據，并將這些大數據通過網關和傳輸設備進行存儲和傳輸。農業(yè)物聯(lián)網技術使得農民在家里輕輕點動手指就可以便捷高效的監(jiān)控農作物的生長情況，并且對農作物的生長進行合理的干預。

　　3.1.2物聯(lián)網技術的體系

　　物聯(lián)網是最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a業(yè)之一，它可以帶動其他行業(yè)的轉型或者升級，使傳統(tǒng)的企業(yè)更具有創(chuàng)新性的發(fā)展?？墒且驗槲锫?lián)網的不斷發(fā)展階段中，我國一直缺乏關鍵型的技術以及相關技術的創(chuàng)新，所以導致了不僅產品檔次上不去，價格也下不來的問題。技術落后就會限制發(fā)展，缺乏RFID等關鍵性技術無形之中也大大限制了中國物聯(lián)網的發(fā)展。因此國內物聯(lián)網關注的熱點主要集中在傳感器、傳感器網關、RFID以及云計算等領域。物聯(lián)網技術被應用于多個行業(yè)領域，不同的行業(yè)領域往往具有不同的行業(yè)要求和技術形態(tài)。但是在這些不同的技術體系中，物聯(lián)網技術都是主要有四大體系構成。四大體系是感知體系、網絡體系、計算與服務體系及管理與支撐體系。

　　3.2系統(tǒng)開發(fā)模式

　　數據中心的主要功能在于為監(jiān)測端提供應用服務，與上位機進行網絡通信。網絡開發(fā)應用系統(tǒng)主要有兩種模式：Client/Server客戶端/服務端（C/S）模式和Brower/Server瀏覽器/服務端（B/S）模式。

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