基于黑龙江垦区大田的种植物联网综合服务管理平台的构建研究

调研、工程设计及技术集成与优化相结合，利用物联网技术、GIS技术、GPS技术、RS技术、智能APP技术、数据库技术、360°全景影像技术，在物联网理论、方法的指导下，开发物联网综合服务平台的基本架构，设计农业物联网综合服务流程，构建农业信息化综合一体化数据库系统，为保障我国农业发展，建设黑龙江“智慧垦区”奠定坚实基础。

关键词：黑龙江省；垦区农业；物联网；综合服务管理平台；构建和应用

2016年，习近平总书记在黑龙江省考察工作结束时的讲话：黑龙江农垦在屯垦戍边、发展生产、支援国家建设、保障国家粮食安全方面做出了重大贡献，形成了组织化程度高、规模化特征突出、产业体系健全的独特优势，是国家关键时刻抓得住、用得上的重要力量。要深化国有农垦体制改革，以垦区集团化、农场企业化为主线，推动资源资产整合、产业优化升级，建设现代农业大基地、大企业、大产业，努力形成农业领域的航母。2018年9月，习近平总书记来到黑龙江农垦建三江管理局，他强调，农业是基础性产业，中国现代化就离不开农业现代化。农业要振兴，就要插上科技的翅膀，就要靠优秀的人才、先进的设备、与产业发展相适应的园区。黑龙江垦区是我国重要商品粮基地和国家粮食安全战略基地，也是国家重要的农畜产品生产和绿色特色农产品深加工基地，是我国耕地规模最大、现代化程度最高、综合生产能力最强的国有农场群。垦区作为我国现代化农业综合试验区，肩负着发展现代农业、率先实现农业现代化的重任。

在新常态背景下，我国的农业领域发展面临巨大的挑战，加进农业现代化建设步伐，转变农业农村发展方式势在必行。目前我国农业信息化发展己经成为我国农业现代化建设的一个短板。纵观全球的农业领域的发展情况，可以得出的结论是没有农业信息化就没有农业的现代化。农业规模化经营、可持续发展、实施粮食安全战略等，都迫切需要大力发展农业物联网、移动互联网、云计算等新一代现代信息技术，这也是推进四个现代化发展的战略要求。物联网、云计算等现代化信息技术是国家重点推进的新兴产业，所涵盖技术及应用范围能与传统行业有效结合。我国第一产业农业作为关系着国民经济的基础产业，我国农业现代化的标志体现在农业信息化程度、智能化应用、机械化推广。通过应用物联网、大数据、可追溯体系等技术，打造属于我国自身的“智慧垦区”，可以提升农业生产水平，提高劳动生产率，保障农产质量安全，应对我国城镇化带来的农业从业人员快速减少及餐桌食品安全问题的挑战，实现农业可持续发展。

1 农业物联网及其架构

1.1 农业物联网

首个物联网的概念是由美国麻省理工学院自动识别中心提出的网络无线射频识别系统衍生出来的，其目的是利用RFID等信息感知技术，把所有物体连接到互联网上，实现智能化识别与现代化管理。农业物联网在各个领域中得到了广泛的应用，同时对改造传统农业、加快农业现代化发展具有重要意义。目前，农业物联网的定义被来自各种不同领域的研究者从各种不同的侧重点所提出。农业物联网概念从广义和狭义，技术角度和管理角度被分别给出了定义，综合来看，农业物联网是指通过农业信息感知设备，采集农业系统中相关信息，按照约定的协议，通过信息交换，实现智能化识别、跟踪和监控农业生产对象及过程的一种网络。

1.2 农业物联网架构

简单的说，物联网技术是一种通过农业信息感知设备，智能传感器等信息传输设备，通过协议，将物理的现实世界中存在的物品和实物与互联网的数据信息衔接起来，相互之间实现信息的交换，并且实现对物品的精准定位，实时跟踪，远程监控，智能识别的一种综合网络。农业物联网就是农业生产在物联网技术下的应用。农业物联网的整个架构总体可以分为以下三个层次：感知层，网络层和应用层。整体的架构图如图1-1所示。

感知层：感知层的主要功能是采集监测对象的实时数据信息，如农作物生长环境中土壤的温度和湿度，实时天气信息，风向风速，农作物生长或农产品加工过程中的视频信息，地理信息等等。它要通过不同的设备在不同环境下产生的不同的设备状态，并通过不同的途径来获得有用的信息，然后将采集到的信息通过信息传感设备及网络，将信息传送到网络层中。

网络层：网络层也叫传感层，它的主要功能是通过互联网、移动通信网络，无线网络将感知层采集到各种农作物生产和农产品加工信息传送给上层平台（应用层）。农业物联网本身是一个混合了各种不同构造的网络，如无线网络，光纤网络及专用网络等的及其庞大又错综复杂的网络系统。因此农业物联网架构中的网络层的实现需要大量的网络设备作为架构支撑。这些网络设备包括交换机，路由器和用于物联网的网关设备等等。

应用层：应用层可以分为两个子层。一个是服务子层是整合和存储来自感知层采集并通过网络层传输回来的各种信息。第二个子层是应用子层，应用子层为低一层结构提供各种必需的系统支持，并为所有的农业生产应用和各类预警、预判、决策模型提供特定的服务，如：精准农业，智能物流，食品安全可追溯等面向于生产加工者，大众消费者，流通业管理者和安全监管者的应用。各子层的正常运转都需要感知层和网络层的支持。

2 种植物联网综合服务管理平台系统构成

基于GIS技术打造的种植物联网综合服务管理平台，将农田生态环境监测系统、农田视频监控系统、农田作业机械管理系统、农作物病害远程诊断与防治方法咨询系统、大田生产专家远程指导系统、食品安全追溯系统、基于RS多源数据融合的农业灾害监测及预警系统、农场综合管理系统等进行功能性整合，并且进行统一管理。黄攀攀[2]运用计算机模拟模型技术、数字建模方法和水稻高产栽培理论及试验数据，设计了基于农业物联网的水稻高产栽培专家系统，为实际生产提供技术指导。赵胜利[3]将物联网技术和GIS、Web和云服务技术相结合，构建了基于农业物联网的大田作物生长感知和智慧管理平台，该平台可进行区域化数据采集管理，帮助用户根据气候、土壤等外在环境制定合理的栽培方案和监测节点部署方案等。刘伟[1]根据大田农作物生长特点，设计了大田物联网监控终端数据管理系统，通过远程在线观察苗情，采集大田土壤基质和气象环境参数，实现自动或手动控制合理灌溉的目的。陈晓栋[4]通过研究谷子安全高效栽培管理技术和病虫害防治诊断技术，结合农业物联网，构建了谷子农田环境监测和节水灌既系统、病虫草害智能诊断和智能激光语音驱鸟系统等，最终实现谷子生产多信息感知和智能精细管理。施苗苗等[5]构建远程智能化信息監测系统，提高自动化和智能化程度，制定合理的水肥投放指标，以提高作物品质、减轻劳动强度，实现田间环境参数的远程监测，为农户提供合理建议。在该平台上可以准确的了解垦区耕地的地块分布情况、地块信息、物联网监测信息、现场视频信息、追溯信息等数据信息，为管理者提供数据真实有效准确的辅助决策数据。

2.1 农田生态环境监测系统

农田作物生长环境好与坏是关系着农产品的产量、质量的重要因素。当前，大田生态环境缺少有效的实时自动监测网络，使得我们对农田生态实时环境缺少及时、有效的监管。农田生态环境监测系统的建立可以实时大范围地获取农田生态环境关键参数，进而基于生态环境反演知识模型，对农田生态环境进行实时监控，切实防止因生态环境问题引起的食品安全、环境破坏等问题，保证农业健康、持续发展。

2.2 农田视频监控系统

采用多角度视频获取-高效视频处理传输-智能控制的体系结构，集成多种类型的视频获取设备，应用高效的视频压缩处理算法和高速传输通道，实现农田作物生长过程的全方位监测，便于管理者在监控室内实时观测到农田作物生长的视频场景、病虫害情况，从而对农业作业作出决策。实现对主要农作物农情和病虫害的实时诊断，降低风险成本，避免不必要的浪费。

2.3 农田作业机械管理系统

针对目前农田作业机械管理模式中信息技术落后，缺乏实时的农机信息获取、传输、以及反馈手段，缺少统一的远程监控管理调度平台等问题，基于农业物联网建设一套高效、实用、配套、低成本、易维护的农田作业机械物联网管理系统。应用农田作业机械感知终端，获取农田作业机械工作状态、位置等信息；通过农田作业机械运行信息的分析、处理、调度信息反馈、实现对农田作业机械的远程监控与调度，形成一个与规模化农场机械化水平相符的农机作业物联网管理体系。

要求系统能够兼容新入网的不同品牌视频传感设备。以农田作业机械为对象，应用基于物联网的农田作业机械远程监控技术和无线网络对农机信息进行快速准确传输。构建基于物联网的农田作业机械数据中心，并依托该数据中心建立农田作业机械远程监控调度系统。

2.4 农作物病害远程诊断与防治方法咨询系统

针对水稻、玉米和大豆作物病虫害诊断难、诊断时间长等问题，应用基于多角色用户管理体系的农作物病虫害远程诊断与防治方法咨询系统，该系统对接收到的数据进行存储分类，并进行智能诊断，最后将诊断结果和防治信息传回便携式终端。

2.5 大田生产专家远程指导系统

大田生产专家远程指导系统利用物联网技术，采用高精度土壤温湿度传感器、监控摄像头和智能气象站等先进设备，利用有线无线信息传输技术将田间实时的影像、土壤墑情、气象等信息提供给农业专家，利用云计算的现代计算手段实现大田信息进行管理和分析，借助专家的决策分析形成决策结果，实现墒情（旱情）预报、远程、自动控制灌溉设备等功能，达到精耕细作、准确施肥、节本增效、减少由于病虫草等意外造成的经济损失，在保障粮食安全的同时最大限度地提高农业生产效率，实现了农业增产、农民增收的目的。

2.6 食品安全追溯系统

根据物联网技术、移动终端、手机APP等相结合的技术，构架一套信息化、智能化、系统化融合为一体的管理平台，针对大田种植生产过程、农产品加工流通过程中的相关信息进行采集和跟踪，为生产管理、质量监管、食品追溯提供数据基础和管理手段。要求系统能够兼容新入网不同品牌的信息采集设备，采集的信息主要包括种植户信息、地块信息、环境信息、生产资料信息、生产过程信息、加工信息、流通及销售信息等。

2.7 基于RS多源数据融合的农业灾害监测及预警系统

构建面向农业灾害监测预警所需要的高精度农业专用数据设备，以主要农作物水稻、玉米和大豆为对象。选择干旱、洪涝、低温冻害和病虫害等典型农业灾害，针对各种灾害的特点，基于地面物联网、气象观测要素和国产民用高分一号卫星等遥感数据的融合技术；开发多源数据融合的干旱、洪涝、低温冻害和病虫害的发生程度和空间范围监测模型，主要包括：基于RS的农作物干旱监测系统，基于RS的农作物洪涝监测系统，基于RS的农作物冷害监测系统，基于RS的农作物病虫害监测系统，基于RS的农情信息管理及分析决策系统。

2.8 农场综合管理系统

借助计算机网络和现代信息管理技术，农场各项业务管理和农场服务体系得到有效的执行，将农场土地资源收费管理、金融保险管理、生产资料收费管理、粮食补贴收费管理等有机的结合起来。通过集成通信技术、软件技术等多种应用手段，使农场的综合管理水平得到全面的提高。

3 研究结论

种植物联网综合服务平台是以农业物联网技术、GIS技术、基于RS的灾害预警技术、网络传输技术、标准化种植技术等为基础，融合农垦现有信息资源和应用系统，结合农业产前、产中和产后的各自需求，实现种植业生产过程全程可追溯和信息化管理。

3.1 构建种植物联网综合服务管理平台的意义

1、从现有学科优势和学科发展方向出发，立足于黑龙江农垦规模农场群农业生产中对农业信息技术的实际需求，建立与国家物联网基础标准相衔接的垦区大田种植物联网，带动农业物联网产业的发展；

2、建立符合我国农业应用需求的种植物联网基础软件平台和可追溯应用服务系统，为种植物联网技术产品系统集成、批量生产、大规模应用、产品可追溯提供技术支撑。为物联网产业开辟农业领域大市场，提高农业领域物联网技术水平积累重要的经验。

3、提高农产品的调控力，为农产品质量可追溯提供理论支持，同时保障垦区农产品加工的质量安全。通过建立完善的追踪平台，将垦区农产品的种植、生产、质检、包装直至储运整个过程中进行实时监测和监督，提高了传统的农作物监督能力，在很大程度上提高垦区农产品的宏观调控。

4、利用物联网技术和大数据技术，有效提高数据的处理能力。实现对海量数据的采集以及存储管理，并且平台中利用传感器进行作物生长过程中所处环境的数据控制监测，获取相应的数据后利用分布式数据库进行数据存储处理，提高数据的处理性，有效的解决传统数据库不能进行大数据处理的问题。

5、基于互联网技术等无线信息传输技术，可以在智能移动终端上查看、跟踪农业生产承包缴费信息、农业生产资料收费信息、医保、社保收费信息的缴费明细信息、缴费进度信息、完成百分比信息、缴费排名信息等信息。通过集成通信技术、软件技术等多种应用手段，使垦区各农场的综合管理水平得到全面的提高。

3.2 展望

大田种植物联网综合服务管理平台的构建与应用研究这一课题，其丰富的内容，庞杂的问题不是一篇论文所能覆盖。如何高效、低碳、环保的利用和开发垦区土地，实现可持续发展战略一直都是几代“北大荒”人研究的课题，“中国粮食！中国饭碗！”“粮食要靠自己”“中国最终还要靠自己”，如今农业生产与物联网等技术的融合及在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，是将“传统农业”向“现代农业”再向“智慧农业”的转变，对推动农业供给侧改革，保障农产品从产到销，最后走上餐桌的粮食质量安全等具有十分重大的意义。对深化国有农垦体制改革，形成农业领域的航母奠定技术基础。

参考文献

[1]刘伟.大田作物栽培物联网监控终端数据管理系统[D].南京：东南大学，2016.

[2]黄攀攀.基于物联网的水稻高产栽培专家系统研究[D].上海：上海海洋大学，2016.

[3]赵胜利.作物生长感知与智慧管理物联网平台架构与实现[D].南京：南京农业大学，2015.

[4]陈晓栋.基于物联网的谷子大田苗情监测与管理技术研究[D].太谷：山西农业大学，2015.

[5]施苗苗，宋建成等，基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发[J].江苏农业科学，2016，44（11）：392-395.

（作者单位：北大荒农业股份有限公司七星分公司；

吉林大学生物与农业工程学院）

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