基于物聯網的設施農業環境監控與數據挖掘技術的研究應用論文
傳統農業以人力為中心、依賴于孤立機械，而農業物聯網系統工程在農業服務業中開展應用后，通過基于物聯網的設施農業環境監控系統服務平臺可以有效改變生產模式，使農業生產轉向以信息和軟件為中心，提升農業生產效能[1-3]。通過建立物聯網遠程專家診斷指導系統，利用物聯網技術、通信技術和傳感技術，將日光溫室種植過程中關鍵的要素（空氣的溫度、濕度及土壤的溫度、濕度等）數據通過各種傳感器的采集，并利用網絡通信技術如以太網WEB、GPRS、3G等，將數據及時傳送到本地的設施農業物聯網控制室以及遠端的設施農業物聯網數據中心，使設施農業管理人員及時掌握農作物的生長環境，并及時采取控制措施，從而達到預防病蟲害、提高生產質量、提升勞動效率的目的。通過農業專家預警系統，調節適宜作物的設施內小環境，提高農產品的產量和品質，提高水肥利用率，降低人力消耗。通過實時監測數據，可以有效預測和預防風災、雪等自然災害，防止設施損害、農產品減產。在作物的不同生長階段，種養殖戶實時定量監控各環境因子，如光、溫、水、氣等，科學管理設施內作物的水、肥、氣等環境因子，降低人力消耗，實現了真正的精耕細作[4-5]。
1 總體思路
依靠無線網絡，對區域內分散的農業設施實行精細化管理，實時監控光、溫、水、氣、濕及病蟲等對作物生長有重要影響的因素，掌握其變化情況。此模式可以應用于畜禽養殖、大棚果蔬生產等。農民可以使用手機或電腦在該系統平臺上查詢自己的種、養情況，例如大棚和雞豬舍超過或達不到正常狀況隨時有短信提示。在了解種養過程中各項關鍵要素的實時變化情況后，可以通過專家系統進行關鍵因素的定時、定量分析，對病蟲害的發生和發展進行預測預警，以便農戶及時采取應對措施，為農業生產提供保障[6]。
2 技術方案
2.1 物聯網遠程專家診斷指導系統的目標
一是信息采集采用智能測控系統，依托物聯網監測農作物生產；二是對農業生產信息進行實時監控，應用智能產品檢測、控制作物；三是實現農業生產管理的科學化與智能化，通過智能產品中的專家知識和技術支持，保障農業生產，為農戶提供及時有效的服務。
2.2 物聯網遠程專家診斷指導系統的功能
2.2.1 環境監測。主要包括各項環境數據的采集，如溫度、光照、土壤水分、濕度等，監測范圍包括大棚及作物生產區域。通過單傳感節點獨立采集和多傳感節點匯集采集的數據先傳輸到主機，再轉至服務器（GPRS網絡），以此實現可視化展現、實時監測、歷史數據查詢，并對實時數據和日數據形成直觀曲線。
2.2.2 數據挖掘。進行知識庫服務器本地化，冀東半地下標準溫室揭簾時間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，蓋簾時間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600， "hh：mm：ss"]，其中X為當日到6月22日之間的天數，TEXT為Excel函數，實現種養小環境內遠程精準可控化生產。
2.2.3 智能預警、報警。一是報警。對任意監測指標或者在此基礎上計算得到的二級指標設置警戒閾值，滿足一個或者多個報警條件時，系統通過短信、電子郵件等方式向農戶、管理員等發出警報，通知其及時采取應對和處理措施。二是預警。設置一定的條件，對監測數據進行計算更新，當監測指標以及二級指標被預測到未來將達到某一閾值，系統發出預先警報。以多種形式通知用戶，提醒其提前做好防范準備。
2.2.4 基地管理。主要包括基地（園區、片區）管理、大棚管理、設備（監測、控制設備，網關，設備參數）管理等。同時，可按以生產企業、合作社分布圖的方式進行查詢、統計。系統通過提供直觀的頁面為用戶查詢和控制提供便利。
2.3 物聯網遠程專家診斷指導系統的構成
系統硬件通過RF組網技術，完成各個傳感器的數據采集和設備控制，通過檢測各項參數實現生長環境數據的實時獲取。
2.3.1 工業控制專用計算機。專門為工業控制設計的計算機，在生產過程中監測與控制各個機器設備、生產流程以及數據參數。
2.3.2 傳感器。①光照傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～50 000 lx之間，準確度為±50 lx；工作環境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。②溫濕度傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在 -20～60 ℃之間，準確度±2 ℃；工作環境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。③二氧化碳傳感器。采用 <36 V直流供電或者電池供電；量程在0～5 000 mg/kg之間；準確度±40 mg/kg；工作環境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，懸掛安裝。④土壤水分傳感器。采用<36 V直流供電或者電池供電；量程在0～100%之間；準確度為±3%；工作環境要求溫度在-20～60 ℃、濕度在5%～95%之間，直插式安裝。
2.3.3 物聯網網關。數據傳輸單元（DTU）主要用于匯集、打包多個采集節點的數據，發送至上位機及市級數據中心。網關與采集控制器組成基于RF射頻的無線傳輸網，傳輸距離 ≥1 000 m，1個溫室大棚部署1套采集控制器，則通過1個網關控制32個大棚的采集器。具有設備入網功能，與周圍無線采集器、無線控制組成網絡；不同的網關與周圍采集控制節點具有構成互不干擾的網絡。
2.3.4 采集器。1個采集控制器負責1個環境監測節點，負責收集溫室的各種數據，通常1個大棚部署1個采集節點（較大規模溫室可設置多套）。采集控制器具有LED顯示屏功能（圖1），可循環顯示采集到的溫度、濕度、土壤水分、二氧化碳等數據信息；采集控制器通過RF射頻向數據網管發送數據。
2.3.5 氣象哨。氣象哨可以采集露地和溫室外相應的環境參數，包括空氣溫度、濕度、風速、風向等，為種植管理者提供環境依據，為農業生產活動和決策提供幫助。
2.3.6 LED顯示終端。LED（0.35 m×1.00 m）陣列顯示屏，放置于安裝物聯網監測設備的溫室緩沖間外壁，可實時顯示該溫室的環境參數，方便生產管理者及時采取措施，確保溫室環境穩定。
3 主要技術創新點
通過對冀東半地下式棚室內多個傳感器大量數據的采集與分析，挖掘出本地設施內的溫、濕、水、氣等多種作物生長因子的變化規律，結合設施內當地的主栽品種，編制出相應作物的物聯網控制參數閾值（針對冀東地區半地下溫室，黃瓜頂風口單獨放風溫度閾值為25.5 ℃，西紅柿頂風口單獨放風溫度閾值為27 ℃，雙風口同時放風溫度閾值提高2 ℃），形成標準化的作業流程。
利用物聯網技術、手機移動應用APP技術，通過專家知識庫服務器遠程自動應答，實現對冀東地區設施農業種植中的核心要素及畜牧養殖環境中的關鍵指標（如溫度、濕度、NH4濃度、CO2濃度、土壤水分）的遠程監測與控制能力。
進行知識庫服務器本地化，冀東半地下式標準溫室揭簾時間為M1=TEXT[（21 300+56.33X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，蓋簾時間為M2=TEXT[（28 800-89X）/24/3600，"hh：mm：ss"]，其中X為當日到6月22日之間的天數，TEXT為Excel函數，實現種養小環境內遠程精準可控化生產。
整合多種資源，形成氣象+市場+物流=農產品生產，改善系統處理異常數據的容錯能力，實現物聯網系統對農業基礎設施的預判性控制。推廣微灌肥水一體化技術，利用控制器精準控制施肥量，可使肥料利用率提高40%～50%，春季黃瓜結果盛期，黃瓜棚每4 d隨水澆施純N 19.5 kg/hm2、P2O5 7.5 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2。
4 效益分析
4.1 直接經濟效益
一是通過物聯網專家系統的精確溫濕度控制，保證適宜的水、肥、氣、熱等作物生長因子管理，做到科學種養，平均年增收2.1萬元/hm2。以種植溫室黃瓜為例，溫室黃瓜平均產量為105 t/hm2，平均增產8%（8.4 t/hm2），按平均價格2.4元/kg計算，實現增收2.016萬元/hm2。二是通過物聯網的自動化控制，使每個棚室每年減少用工時數18個，節省農藥、水肥成本90元，溫室平均可節約成本28 350元/hm2。
4.2 社會效益和生態效益
一是有效保護生態環境；二是節約了水肥資源；三是實現了農業生產管理的遠程化和自動化，減少了人工投入，從而使社會資源得到更合理的分配。可以直接促進當地經濟的發展，并為農業信息化發展積累經驗。
5 參考文獻
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[3] 周小波. 基于物聯網技術的設施農業在線測控系統設計[J].太原科技大學學報，2011（3）：182-185.
[4] 盧闖，彭秀媛，宣鍇，等.物聯網在設施農業中的應用研究[J].農業網絡信息，2011（9）：10-13.
[5] 賈寶紅，錢春陽，宋治文，等.物聯網技術在設施農業中的應用及其研究方向[J].天津農業科學，2015（4）：51-53.
[6] 賈文珅，李孟楠，李雨，等.物聯網關鍵技術在設施農業中應用探討[J].食品安全質量檢測學報，2016（11）：4401-4407.
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