本發(fā)明涉及物聯(lián)網技術領域，確切地說涉及一種以云為中心的農業(yè)物聯(lián)網生產與管理系統(tǒng)。

背景技術：

農業(yè)在我國是安天下、穩(wěn)民心的戰(zhàn)略產業(yè)，農業(yè)問題關系黨和國家事業(yè)發(fā)展的全局，始終得到我們黨高度的重視和認真的對待。當今世界的農業(yè)發(fā)展的兩大趨勢，就是農業(yè)的規(guī)?；⑸鷳B(tài)化。要實現(xiàn)規(guī)模化的生態(tài)農業(yè)生產，就必須采用工業(yè)化和信息化的生產方式對農業(yè)生產的過程實施控制和管理。將物聯(lián)網技術應用于精細農業(yè)的工業(yè)化生產中，能大幅提升規(guī)模化生態(tài)農業(yè)的生產效率和產品質量，同時大規(guī)模的典型應用能夠為大數(shù)據(jù)實施提供。

農作物的生長受到光照、溫度、濕度和土壤水分等自然條件的影響，對農作物環(huán)境生態(tài)參數(shù)的采集是實施精準農業(yè)的基本手段。以麥冬為例，在光照方面，麥冬宜稍蔭蔽，在強烈陽光下，葉片發(fā)黃，對生長發(fā)育不利。但過于蔭蔽，易引起地上部分徒長，不利于塊根的生長；溫度方面，麥冬5—30℃能正常生長，最適生長氣溫15—25℃，過高或過低的溫度其生長都要受到抑制。濕度方面，干旱和澇洼積水對麥冬生長發(fā)育都有顯著的不良影響。麥冬宜稍濕潤的土壤環(huán)境，需水較多，除栽植后應及時灌水浸潤田土，促進幼苗迅速發(fā)出新根外。當天氣較熱土壤水分蒸發(fā)快時，需要及時灌水。麥冬的苗期管理，保證麥冬苗期生長良好，是麥冬高產的基礎。目前精準農業(yè)的熱點實施方法就是通過物聯(lián)網（無線傳感器網絡）的地面監(jiān)測進行農作物環(huán)境變化的快速監(jiān)測，并利用無線自組織網絡和互聯(lián)網的數(shù)據(jù)對接實現(xiàn)三網融合，并且對灌溉實施自動控制。這已成為高效利用農業(yè)資源，提高農業(yè)生產的重要技術手段。

云是近期提出的最有期望成為下一代基于虛擬存儲技術的數(shù)據(jù)中心，能夠有效、安全、可擴展和面向市場的計算和存儲資源。物聯(lián)網的發(fā)展需要云技術強大的處理和存儲能力作為支撐。從量上看，物聯(lián)網將使用數(shù)量驚人的傳感器，采集到海量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要通過無線傳感網、寬帶互聯(lián)網向某些存儲和處理設施匯集，而使用云技術來承載這些任務具有非常顯著的性價比優(yōu)勢；從質上看，使用云技術設施對這些數(shù)據(jù)進行處理、分析、挖掘，可以更加迅速、準確、智能地對農業(yè)進行管理和控制，使人類可以更加及時、精細地進行管理和控制，從而達到“智慧”的狀態(tài)，大幅提高資源利用率和社會生產力水平。云技術憑借其強大的處理能力、存儲能力和極高的性能價格，成為物聯(lián)網的后臺支撐平臺。對于沒有基于云的農業(yè)管理系統(tǒng)而言，很難為多數(shù)人提供普適的應用和數(shù)據(jù)分析。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在針對上述現(xiàn)有技術所存在的缺陷和不足，提供一種基于云的農業(yè)物聯(lián)網生產與管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)能綜合監(jiān)測多用戶農業(yè)生產場所的陸表溫度、土壤水分、視頻信息和PAR（有效光合輻射）指數(shù)；農田信息通過Zigbee和GPRS傳送，能夠提供數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)農情信息的分析、發(fā)布以及根據(jù)作物需求下達灌溉指令，通過自動灌溉子系統(tǒng)，根據(jù)灌溉指令實現(xiàn)農田的局部灌溉。

本發(fā)明是通過采用下述技術方案實現(xiàn)的：

一種基于云的農業(yè)物聯(lián)網生產與管理系統(tǒng)，其特征在于：包括農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)、農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)和灌溉控制子系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)和農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)設置在公有云上，灌溉控制子系統(tǒng)、農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)設置在私有云上。

所述的農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，由分布于農田中的農田監(jiān)測短距離WSN節(jié)點、部署于控制箱中的長距離WSN節(jié)點和視頻監(jiān)控節(jié)點三類節(jié)點組成，三類節(jié)點均通過無線接口發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。

農田監(jiān)測短距離WSN節(jié)點配置土壤水分傳感器，負責測量農田土壤的水分；長距離WSN節(jié)點配置溫度和光合輻射傳感器，負責測量作物冠層溫度和有效光合輻射指數(shù)；視頻監(jiān)控節(jié)點配置網絡攝像頭，獲取農田環(huán)境的視頻信息。

所述的數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng), 分為以下三個模塊：

（1）數(shù)據(jù)接收模塊：用于接收來自地面監(jiān)測子系統(tǒng)的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊：用于存儲和管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫模塊又分為用戶數(shù)據(jù)模塊和地圖數(shù)據(jù)模塊及農田監(jiān)測信息數(shù)據(jù)模塊；

（3）數(shù)據(jù)處理和灌溉決策模塊

數(shù)據(jù)接收模塊接收來自地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對該數(shù)據(jù)進行格式轉換處理，然后傳入到數(shù)據(jù)存儲模塊，進行分類管理；數(shù)據(jù)處理和灌溉決策模塊根據(jù)前端用戶需求和系統(tǒng)采用的預制模型與算法對數(shù)據(jù)進行處理，形成統(tǒng)計數(shù)據(jù)與相關決策；處理后的數(shù)據(jù)由農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)以web和GIS形式進行發(fā)布，并提供用戶查詢交互功能；灌溉決策模塊產生的操作指令發(fā)送到灌溉控制子系統(tǒng)控制管道電磁閥，完成可控灌溉。

所述的農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)，作為農田遠程監(jiān)控與自動化灌溉的物聯(lián)網系統(tǒng)的展示系統(tǒng)并放置于公有云之上，結合地理信息為用戶提供農田監(jiān)測參數(shù)以及系統(tǒng)運行狀態(tài)，并且提供實時數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)下載，專題圖顯示以及與用戶的直接交互功能。

所述的灌溉控制子系統(tǒng)，是由管道流量計、電磁閥和電磁閥控制器構成的硬件執(zhí)行機構，根據(jù)專家子系統(tǒng)發(fā)來的灌溉指令，控制電磁閥的啟閉動作，實現(xiàn)對農田的分區(qū)按需自動灌溉。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所達到的有益效果如下：

1、本發(fā)明提出了一種以云為中心的“農業(yè)物聯(lián)網生產與管理系統(tǒng)”，構建了能夠綜合監(jiān)測多用戶農業(yè)生產場所的陸表溫度、土壤水分、視頻信息和PAR（有效光合輻射）指數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)；農田信息通過Zigbee和GPRS傳送。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)農情信息的分析、發(fā)布以及根據(jù)作物需求下達灌溉指令。通過自動灌溉子系統(tǒng)，根據(jù)灌溉指令實現(xiàn)農田的局部灌溉。

2、本發(fā)明構建的概念性框架，即“農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)、農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)和灌溉控制子系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)和農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)設置在公有云上，灌溉控制子系統(tǒng)、農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)設置在私有云上”，目的是整合云和無線傳感器網絡設備，建立一個以大型的基于云和無線傳感器網絡組成的系統(tǒng)，針對不同的農業(yè)應用（如機械化種植、大棚種植、藥用種植等不同領域的應用）和不同的種植者習慣提供靈活的擴展性。傳感器服務提供上可以加入網絡并使用存儲云提供數(shù)據(jù)；分析工具研發(fā)者可以提供軟件工具；人工智能專家可以提供數(shù)據(jù)挖掘和機器學習工具用于將數(shù)據(jù)轉化為知識，計算機圖形設計者提供不同的可視化工具。云將為此提供一個統(tǒng)一的平臺。

附圖說明

下面將結合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，其中：

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖；

圖2為地面監(jiān)控子系統(tǒng)工作流程圖；

圖3為無線傳感器系統(tǒng)網絡架構圖；

圖4為灌溉決策模塊示意圖；

圖5為農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)示意圖；

圖6為灌溉控制器組成示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述的農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)由三類負責信息采集的節(jié)點構成，即分布于農田中的農田監(jiān)測短距離WSN（無線傳感器網絡）節(jié)點、部署于控制箱中的長距離WSN節(jié)點和視頻監(jiān)控節(jié)點。這三類節(jié)點通過所連接的傳感器，分別采集土壤水分、作物冠層溫度和有效光合輻射指數(shù)、農田環(huán)境視頻信息，并通過無線通信方式發(fā)送到監(jiān)控中心。

本發(fā)明具有以下特征。數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)運行于監(jiān)控中心服務器，專家子系統(tǒng)對農田生態(tài)信息以及其他輸入數(shù)據(jù)進行分析和處理，獲得農田環(huán)境的相關統(tǒng)計信息，并根據(jù)預設的農田灌溉模型形成灌溉決策和指令。

農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)運行于監(jiān)控中心服務器，以WEB和GIS形式構成用戶界面，提供信息發(fā)布和用戶查詢與檢索功能。

灌溉控制子系統(tǒng)是由管道流量計、電磁閥和電磁閥控制器構成的硬件執(zhí)行機構，根據(jù)專家系統(tǒng)發(fā)來的灌溉指令，電磁閥控制器控制管道電磁閥的啟閉動作，實現(xiàn)對農田的分區(qū)按需自動灌溉。

私有云由各個生產基地的服務器和中心服務器構成。各個生產基地的服務器提供了本地數(shù)據(jù)接入、灌溉控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)提交、倉庫管理等功能，即由灌溉控制子系統(tǒng)、農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)組成。

私有云收集的各個生產基地的數(shù)據(jù)、處理、過濾后再提交數(shù)據(jù)給公有云。由于部分生產基地沒有能力管理本地服務器，因此公有云還需要承擔部分生產基地的服務器工作。公有云由數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)和農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)構成，考慮的采用阿里云、阿里短信云等平臺。

農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

基于無線傳感器網絡技術的農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)可連續(xù)實時的監(jiān)測作物的農田生長環(huán)境信息，獲取的數(shù)據(jù)再通過無線的方式發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)進行進一步處理。由于監(jiān)控在田間操作，從通信成本和數(shù)據(jù)的私有性出發(fā)，該系統(tǒng)將放置與私有云之上，實現(xiàn)公有數(shù)據(jù)共享。工作流程如圖2所示。

農田生產環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)中的短距離WSN節(jié)點配置土壤水分傳感器，負責測量節(jié)點農田土壤的水分；長距離WSN節(jié)點配置溫度和光合輻射傳感器，負責測量作物冠層溫度和有效光合輻射指數(shù)；視頻監(jiān)控節(jié)點配置網絡攝像頭，獲取農田環(huán)境的視頻信息。三類節(jié)點均通過無線接口發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)建模結果，在農田觀測區(qū)域內需設置多個觀測點，每個觀測點之間的距離可在數(shù)公里甚至數(shù)十公里，若將所有觀測點中的傳感器節(jié)點進行互聯(lián)組網，會造成資源的極大浪費。根據(jù)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針及現(xiàn)有的技術基礎，我們將每個觀測點中的所有傳感器節(jié)點作為一個子網，子網中短距離WSN節(jié)點通過相應的長距離WSN節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控中心，系統(tǒng)網絡架構如圖3所示。

數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析專家子系統(tǒng)放置與公有云之上，將匯聚的數(shù)據(jù)進行分析，具體分為以下三個模塊：

（1）數(shù)據(jù)接收模塊（通信站）

用于接收來自地面監(jiān)測子系統(tǒng)的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊

用于存儲和管理數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)庫模塊又分為用戶數(shù)據(jù)模塊和地圖數(shù)據(jù)模塊及農田監(jiān)測信息數(shù)據(jù)模塊。

（3）數(shù)據(jù)處理和灌溉決策模塊

該子系統(tǒng)的工作流程為：數(shù)據(jù)接收模塊（通信站）接收來自地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對該數(shù)據(jù)進行格式轉換等處理，然后其傳入到數(shù)據(jù)存儲模塊（數(shù)據(jù)庫），進行分類管理；數(shù)據(jù)處理和灌溉決策模塊根據(jù)前端用戶需求和系統(tǒng)采用的預制模型與算法對數(shù)據(jù)進行處理，形成統(tǒng)計數(shù)據(jù)與相關決策。處理后的數(shù)據(jù)由農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)以web和GIS形式進行發(fā)布，并提供用戶查詢等交互功能。灌溉決策產生的操作指令發(fā)送到灌溉控制子系統(tǒng)控制管道電磁閥，完成可控灌溉。

灌溉決策模塊如圖4所示。該模塊的輸入為田間無線傳感器網絡所取得的數(shù)據(jù)。模塊從WSN數(shù)據(jù)庫中取得最近一段時間內作物冠層溫度、物候數(shù)據(jù)（即當?shù)貧夂颍?、農業(yè)標準和土壤水分數(shù)據(jù)（時間長度根據(jù)作物的需求而定。有文獻指出作物在10:00點至14:00點的冠層溫度絕對變化率與土壤水分的絕對變化量趨勢一致，且這個時間段為冠層溫度的最佳測量時間，采集間隔為1小時。）等信息送入作物需水模型。

作物需水模型的建立是決策模塊的核心。根據(jù)相關文獻，作物土壤水分的含量并不能完全真實反應作物的水分狀態(tài)及缺水程度，作物的缺水與否也可以表現(xiàn)在冠層溫度變化量（Canopy Temperature Variability，CTV）上；該變化量體現(xiàn)作物冠層的蒸騰情況從而間接地反映作物冠層的水分狀況，而不同作物的CTV閾值不同。本發(fā)明采用同時監(jiān)測作物冠層溫度和土壤濕度并建立作物整體（包括冠層和根部）的需水模型，并進而做出灌溉決策的方式。

灌溉決策做出以后，將通過控制系統(tǒng)進行灌溉操作，同時決策模塊繼續(xù)從數(shù)據(jù)庫中取得當前土壤濕度數(shù)據(jù)，當土壤濕度超過閾值，則做出停止灌溉決策，交由控制系統(tǒng)執(zhí)行。

農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)

農田生態(tài)信息發(fā)布子系統(tǒng)作為農田遠程監(jiān)控與自動化灌溉的物聯(lián)網系統(tǒng)的展示系統(tǒng)并放置于公有云之上，如圖5所示。該平臺結合地理信息為用戶提供直觀明了的農田監(jiān)測參數(shù)以及系統(tǒng)運行狀態(tài)，并且提供實時數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)下載，專題圖顯示以及與用戶的直接交互功能。

系統(tǒng)提供的主要服務包括：

（1）信息查詢

提供實時的信息查詢，為用戶提供兩種數(shù)據(jù)查詢方式：目標節(jié)點點擊查詢、菜單選擇查詢，讓用戶多種途徑得獲取數(shù)據(jù)，即農田中無線傳感器節(jié)點實時采集到的農田環(huán)境參數(shù)：包括陸表溫度，土壤濕度、葉面積指數(shù)和光合有效輻射指數(shù)。用戶也可以根據(jù)需要，通過菜單下載某組傳感器某一時間段的數(shù)據(jù)或者是各組傳感器某一項參數(shù)的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示功能，可實現(xiàn)對地面無線傳感器網絡監(jiān)測點一個數(shù)據(jù)采集周期內運行狀態(tài)的顯示和灌溉控制閥開關狀態(tài)的顯示。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計

主要為用戶提供其需要的參數(shù)統(tǒng)計結果，如該項目中對農作物生長有著較大影響的積溫，則提供某一時間段某一區(qū)域的傳感器組采集的陸表溫度的積溫數(shù)據(jù)，幫助用戶對田間管理、農田估產等提供有意義的參考。

（3）專題圖制作

專題圖制作主要提供兩種類型的專題圖，一種是無線傳感器采集到的農田環(huán)境參數(shù)某一數(shù)據(jù)的走向、變化趨勢，通過柱狀圖和折線圖的形式提供。另一種是遙感影像圖的渲染圖，根據(jù)某一參數(shù)的衛(wèi)星遙感圖的灰度值判別該參數(shù)的實際值，并按閾值以不同顏色顯示，顯示試驗區(qū)域的總體的情況。

灌溉控制子系統(tǒng)

灌溉控制子系統(tǒng)傳統(tǒng)上由水源、系統(tǒng)首部、管道、滴頭和系統(tǒng)控制幾個部分組成。該控制子系統(tǒng)是由管道流量計、電磁閥和電磁閥控制器構成的硬件執(zhí)行機構。根據(jù)專家子系統(tǒng)發(fā)來的灌溉指令，控制灌溉管道電磁閥的啟閉動作，實現(xiàn)對農田的分區(qū)按需自動灌溉。由于該系統(tǒng)位于田間，因此由放置于私有云之上。

管道設計以最短距離為設計原則，以減少管道水頭損失，降低灌溉運行費用。盡可能減小因供水管逆坡鋪設，增大支管管徑，減少輪灌小區(qū)壓力差。為保證灌水均勻度，每個支管實際鋪設長度不大于設計最大鋪設長度。為確保管網使用年限，管道材料工作壓力按設計工作壓力增加一級。

灌溉控制器設計如圖6所示，灌溉控制器由AT89C51單片機為主體構成，集成于WSN節(jié)點上。通過接收節(jié)點串口傳輸?shù)男畔?，由I/O口輸出處理控制信息。單片機的通用I/O口與電磁閥之間以繼電器連接，每個I/O口對應控制一個電磁閥。AT89C51多達32個I/O口線，系統(tǒng)具有很高的擴展性。

灌溉控制過程：無線傳感器網絡周期性檢測濕度（周期可調）并上傳至灌溉控制器。當灌溉控制器發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的傳感器網絡節(jié)點周期性檢測濕度低于規(guī)定值時，開啟該區(qū)域管網的電磁閥門進行灌溉。當該區(qū)域土壤濕度上升到一定值后，則關閉該區(qū)域管網的電磁閥門停止灌溉。