智慧农业案例

2020-03-14 14:35:01 13

“面朝黄土背朝天”,这是自古以来人们对农民的基本印象。中国是个农业大国,也是一个农业弱国。智慧农业作为现代农业发展的高级阶段,是我国农村经济社会发展转型的必由之路,也是增加农民收入的重要方式。伴随着物联网、大数据、人工智能等新技术的快速发展,智慧农业有望改变现有农业生产方式,驱动农业变革。

如何利用新技术驱动农业发展、提高农业生产效率、提升农产品质量,同时,解决水资源短缺、化肥农药使用过量以及农村劳动力不断减少等问题,改善农业 “看天吃饭”的现状,成为农业变革中的重要环节。

智慧农业涉及农业的生产、流通和销售三个环节。目前,智慧农业多应用于生产环节,即利用新技术实现农业生产环节的精细化、智能化和现代化发展。根据目前行业内存在的问题,提出了关于智慧农业未来发展的建议。

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一、建设目标

物联网是一个新兴行业,被世界公认为是继计算机互联网之后的第三次信息革命浪潮,我国种植业发展正处于从传统向现代化种植业过度的进程当中,急需用现代物质条件进行装备,用现代科学技术进行改造,用现代经营方式去推进,用现代发展观念引领。如今将物联网技术运用于传统农业,就是要为传统农业插上腾飞的翅膀,促使其转型升级。随着相关理论、技术的进一步成熟,物联网必将成为“数字农业” 建设中的决定力量,极大提高农业信息化的水平和程度。因此,种植业物联网的快速发展,将会为我国种植业的发展与世界同步提供一个国际领先的全新的平台。为传统种植业改造升级起到推动的作用。

智慧城市是城市发展的重要目标,而智慧农业作为智慧城市的重要内容从2014年开始陆续展开。围绕智慧农业信息化建设与农业产业化发展需求,结合国内外现代农业信息技术发展趋势,立足现代智慧农业的功能定位和产业化经济发展现状,依托资源优势、区位优势和政策优势,采用物联网、云服务、溯源技术、3S技术等前沿技术手段,完善数据中心,建设智慧农业应用服务平台,省级网上智慧农业门户网站,形成完善的技术服务体系,将信息技术与农业生产管理实践有机融合,实现农业生产、监管、服务一体化支撑,使实现信息技术与产业发展的和谐互动和融合提升,推动现代生态农业快速发展。

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二、建设理念

智慧农业综合信息服务平台项目的实施与应用在节省农业资源、人力资源、管理成本等方面必定显现出明显的经济效益。

充分运用现代信息技术,对农业生产的各种要素试行数字化设计、智能化控制、精准化运行、科学化管理,不仅将农业资源、生产要素、市场信息的运用提升到一个全新的水平,极大地提高了资源利用效率,还有助于农业管理部门、管理者及时、准确的掌握农业生产运行动态和经营信息,并制定出科学的宏观决策,极大的提高了农业行政管理效率。利用先打信息技术,加快农业信息服务,有助于技术人员、农民、企业经营者及时掌握先进、实用的农业技术和市场信息,试行科学化生产经营,有助于实行农产品产销对接,促进农业增效、农民增收和农业经济全面可持续发展。

三、建设内容

本期项目结合信息化建设与农业产业化发展需求,充分利用物联网技术、3S技术、无线技术、数据库技术等信息化技术,集成传感器、监控视频、小型气象站、智能手机等智能化自动化设备,从农业生产只能监控、资源管理、农资监管、植物医院等方面,建设智慧农业综合信息服务平台,重点一个门户,构建一个平台,平台重点建设农作物生产监控系统、农作物病虫害测报系统、“物联网+”的精细管理系统、农技服务系统、农产品追溯系统等。逐步建成智慧,充分展示、推广现代农业技术,把打造成为智慧农业典范,助力现代农业快速发展。

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1.物联网:

通过传感器、摄像头等监测设备,使用无线传输技术,实现农作物远程监控,智能管理等。

2. 大数据:

以天气、土壤、农作物、病虫害以及相关特征数据等作为大数据基础,对作物生长情况进行分析、预测等。

3. 人工智能

以计算机视觉、图像识别以及深度学习等人工智能技术实现农作物产量预测、土地规划、病虫害防治及自动分拣等。

4. ICT技术

使用ICT技术实现信息传输、农作物生长情况以及病虫害预测、预防分析,实时数据传输、分析等。

3.1 打造1个门户:智慧农业信息门户

门户网站是智慧农业发展和对外信息展示的窗口,结合农业管理部门的业务职能,综合农业生产管理工作的需要,将整个网站的定位为智慧农业信息应用集成,旨在运用科技的力量达到智慧管控农业生产、深化农业服务的目的。门户中包含所有智慧农业信息系统应用的入口,包括集成基于GIS区域种植业资源管理系统、农作物生产监控系统、农产品质量检测管理系统、农作物病虫害测报系统、“物联网+”的精细管理系统、农技推广服务系统,便于工作人员登录使用,并且设置不同的栏目版块,内容涵盖农业相关的政策和生产相关信息,可分为新闻版块、工作动态、政策法规、农技问答、经验集萃等版块。

网站主页建设外观上美观大方,体现本区域农业和农村经济的特点。按照服务功能,将网站主页设置成政务公开区、新闻资讯区、农技服务区、互动交流区、专题专栏区、应用系统区等,每个区域又设置有相关的信息栏目。

门户网站页面方便、友好,采用图文,视频等方式显示;排版合理,各栏目在首页有多条信息显示;显示站内统计功能,显示各栏目所有文章数目及当日更新文章数目;以滚动图片的方式显示特色产品;页面底部显示多个友情链接,可以在后台智能设置;提供乡镇网站的链接,在首页合适位置,同时提供到各个乡镇、村网站的链接地址。

智慧农业门户网站总体架构如下:

用户层包括平台访问终端和平台门户两个部分,用户可以通过平台终端和平台门户访问智慧农业各系统应用。

表现层由分布式信息采集发布和自助式供求信息发布平台组成,主要提供信息发布、互动交流、网上办公三方面功能。

应用层基于SOA架构,整合平台ESB服务总线,提供WebService服务接口,供门户层调用相应服务。

共享交换支撑层实现农经综合平台与各主要涉农部门之间的信息共享交换,形成“物理分散、逻辑集中”的信息资源体系架构。

涉农信息资源层通过数据交换从各个不同应用系统物理数据库获取信息数据,形成逻辑上集中统一的信息资源层数据库。

基础设施层是农村综合平台的网络和计算设备部署层,主要包含物理运行环境、软件运行环境、网络运行环境和实体运行环境。

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3.2 构建一个应用平台:智慧农业应用服务平台

3.2.1 农业生产监控系统 

智能农业大田种植智能管理系统,是针对农业大田种植分布广、监测点多、布线和供电困难等特点,利用物联网技术,采用高精度土壤温湿度传感器和智能气象站,远程在线采集土壤墒情、气象信息,实现墒情自动预报、灌溉用水量智能决策、远程/自动控制灌溉设备等功能。


1、地面信息采集;

    1)使用地面温度、湿度、光照、光合有效辐射传感器采集信息可以及时掌握大田作物生长情况。

    2)使用雨量、风速、风向、气压传感器可收集大量气象信息,当这些信息超出正常值范围,用户可及时采取防范措施,减轻自然灾害带来的损失。

2、地下信息采集;

1)可实现地下或水下土壤温度、水分、氮、磷、钾、pH值的信息采集。

3、水肥一体化系统:

水肥一体化设备是借助压力系统(或地形自然落差),将可溶性固体或液体肥料,按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点,配兑成的肥液与灌溉水一起,通过可控管道系统供水、供肥,使水肥相融后,通过管道、喷枪或喷头形成喷灌、均匀、定时、定量,喷洒在作物发育生长区域,使主要发育生长区域土壤始终保持疏松和适宜的含水量,同时根据不同的作物的需肥特点,土壤环境和养分含量状况,需肥规律情况进行不同生育期的需求设计,把水分、养分定时定量,按比例直接提供给作物。

3.2.1.1系统架构

1、设备层

系统设备层主要分为数据收集设备与逻辑控制设备,数据收集设备负责将农业生产过程中的重要数据进行系统化集中。包括农作物生长环境数据、农作物自身数据、生产管理人员数据等。设备主要分为六大类:

(1)无线数据传感器,主要包括收集空气温湿度、光照度、CO2浓度,水体数据,土壤温度、土壤水分、土壤PH值,土壤肥力等信息采集传感器。

(2)有线扩展模块,主要包括在广泛分布的农业生产过程中相对集中的密集型数据采集环境,通过有线数据采集扩展模块,实现多种方式的数据传感器的组网,用尽量低的成本采集到足够多的样本数据。

(3)无线逻辑控制器,实现对农业生产过程中的可控电气设备进行逻辑控制,灌溉水泵、灌溉阀门、农机设备、施肥机等。

(4)物联网摄像头,用于农业生产环节中实时视频监控,与安全防盗监控,便于管理人员在第一时间了解生产环节中的实时情况。

(5)智能网关,支持NB-Iot、GPRS、3G/4G、wifi、lora、蓝牙、433MHz、RS485等无线与有线连接方式,内部集成多种预设逻辑模式,便于现场组网与数据汇总上传。

(6)小型智能气象设备,可以高效收集一定范围内的气象数据,为系统运行提供准确的环境数据支撑。

2、网络层

设备与网关之间、网关与物联网平台之间的数据交换行程网络传输层。包括传感器有线组网、短距离无线组网、物联网专网与公共网络。平台通过预设配置将多重网络以固有规则进行统一规划、集中管控,实现多重网络下的分散与统一。

3、平台层

平台采用B/S经典架构,同时配合专用App,实现跨平台、跨地域的统一管理。底层设备通过TCP/IP、UDP、HTTP等协议接入管理平台,与平台建立加密通讯连接。第三方平台通过API接口实现多平台数据互通。

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3.2.1.2资源管理

    资源管理模块主要对农业生产相关的主要资源进行可视化管理。主要资源类别分为:土地资源、水利资源、农机资源等等。通过智能调用农村土地确权数据、水利数据、农机数据等涉农要素,智能分析并形成地图gis标注,直观展示,实时查询,并为决策提供数据基础。

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3.2.1.3土壤数字化

利用人工智能对土壤进行分析,使用机器学习的系统,对土壤的优势和弱点进行高效评估。能防止有缺陷的作物,并优化健康作物生产的潜力。通过提供土壤样本,会得到其土壤含量的详尽数据,包括细菌和真菌的病原体筛检以及全面的微生物评估。

利用土壤检测技术,得出土壤深度检测数据,通过对PH值,有机质,速效氮、磷、钾、钙、镁等养分数据,及重金属含量多项土壤信息,同时结合人工智能大数据挖掘算法,建立农业高精度的土壤数字地图。

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3.2.1.4田块智慧管理

国内农田较为碎片化,耕作模式也很不同,每块农田都蕴含了丰富而独特的气象、地块、土壤、作物、产量等历史和实时数据。通过不断积累土壤、气象、遥感数据,结合作物生长模型,可根据每块田地提供出最合理,最科学的作物种植全套解决方案,实现土地田块智慧化管理。

田块智慧管理数据以田块为基本单元,通过 AI 算法深度挖掘 “作物-环境-耕作”之间的耦合关系,提供实时、精准、优化的农业生产管理方案。

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3.2.1.5基地管理

基地管理主要实现区域内三品一标、国家级示范园区、市级示范园区、合作社、龙头企业信息进行精细管理,并结合地理信息技术实现可视化精准定位、实时查询等功能。

3.2.1.6气候资源及天气状况预报预警系统

运用物联网采集技术,设立小型气象站,采集大田示范区气象数据发送到远程控制系统,同时对接气象局气象中心发布的权威数据作为参考和补充,实时的、

动态的掌握区域气象变化,对于极端天气及时作出预警预案,例如干旱发生时,及时通过自动化智能化水肥一体化设备予以应对。

3.2.1.7社团组织

对区域内的专业行业协会、专业合作组织的分布情况通过地理位置标注的方法在gis平台上展示,可以随时查看某个合作组织的详细信息。

3.2.1.8服务体系

对接市农业生产相关的服务需求,包括但不限于购买农资的服务、寻找农机服务、农产品产销服务、合作社经营指导服务等等。将服务内容搬到智慧农业信息门户平台上,对接供应方和需求方,提供一个供需双方交流和合作的平台,把服务送到每一位农民和涉农企业面前,完善市农业服务体系。

点击地图上的地块或者经营主体标记,可以立刻得到周边服务供应方的信息,便利的选择自身需要的农业生产相关服务。

3.2.1.9农业企业

对区域内的农业企业进行精确管理,在地图上实时查看企业位置,点击查看农业企业标签,记录企业详情信息,对农业企业用地的环境数据进行记录,包括土地权证的信息、土壤信息、水源信息等等。

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3.3 农业投入品监管服务系统

3.3.1 门户嵌入导航链接

因该部分由农资监管部门进行统一部署,本次只需要在智慧农业门户网站上挂接农资监管平台链接,用户可以通过链接访问农资监管平台,进行农业投入品查询、农资生产厂家查询、许可证号查询等操作。发挥已有平台的作用。

3.4 农产品质量检测管理系统

农产品检测管理:面向检测机构、各级政府部门的用户,政府部门负责汇总检测中心的检测记录结果,并进行有效的监督和决策;检测中心的检测员、检测点、检测仪器、检测记录均可以通过检测管理系统实现信息化管理。

主要功能包括:检测点及检测人员管理、检测任务管理、检测结果管理、检测室监管、设备对接等功能模块。

3.4.1送检、抽检全流程记录

为了加强对送检、抽检环节的管理,提高质量检测数据的真实性和有效性,系统中将从采集送检农产品环节开始对检测流程进行管理,对容易发生作假行为的环节,如采集样品环节进行视频取证(由采集人员佩戴视频设备),视频上传,存档、备查。

3.4.2检测点及检测人员管理

对检测点进行地图标注,点击标注点可以查看检测点的职能范围、人员配置、检测设备情况,对于安装了实时视频监控设备的检测室,还可以实时调取监控画面。

对检测人员进行精准管理,利用定位技术,实时定位检测人员位置。

3.4.3检测任务管理

实现农产品质量例行检测和日常抽检的任务工作流管理。对于上报的检测数据,可根据该行业权威标准进行自动判定,打印监测任务报告,实现农产品质量检测监测任务的协同管理。

3.4.4监测结果管理

(1)对检测结果数据进行数据挖掘、统计、智能分析和制表处理,提供直观便捷的图形化显示。每张图表均可按照柱状、线状、饼状图形显示;可按照合格率、超标率、检测数量进行统计;可导出可打印,并可按照多种查询条件精准查询。 

(2)监测系统将示范农业企业分配专用账户,企业登录系统后可查看本企业上传的监测数据结果,并可打印农产品质量安全《检测报告》,根据需要查询日报、月报、季报和年报。

3.4.5检测室监管

对现有检测室进行精准管理。对检测室现有设备和资产进行归档、登记,以备查看。

系统对已经安装了监控设备的检测室可以实现监控画面的实时调取。

3.4.6设备对接

3.4.6.1 速测仪对接

农药是把“双刃剑”,对促进农业增产有着及其重要的作用,但由于农药本身固有的化学性和对其使用不当,导致农产品农药残留超标,危害广大人民的身体健康。通过速测仪进行检测农产品的农药残留是否超标,是有效的农产品监管方法。为了保证检测结果能够得到真实的记录、存档,在农产品质量检测管理系统建设中要求使用的速测仪能够实时上传检测数据到系统中,数据一旦上传就无法修改,从而保证数据真实。

3.4.6.2摄像头对接

在检测室需要安装监控设备,保障每次的检测过程能够得到记录并且存档备查。这就要求安装的监控设备需要具备无线传输功能,从而保障画面能够实时上传到检测管理系统中备查。

3.4.6.3 检测车定位跟踪

检测车辆需配备定位装置跟视频监控装置,实时上传位置信息和监控视频信息到检测管理系统中。系统对检测车辆的位置进行地图标注,每天可以生成检测车辆的运行轨迹,以备查看。

在应急事件发生时,系统可以根据距离智能判断离得最近的检测车,实现紧急调度。

3.5 农作物病虫害测报系统

3.5.1 测报点管理

在地图上标记病虫害测报点。每个测报点对应放置测报装置。点击测报点,可以查看测报点上传的历史数据和实时数据。要求测报装置具备无线传输数据的功能。

3.5.2 测报数据管理

对测报点设备上传的数据实时记录,在地图上进行标注,便于工作人员根据位置查看测报数据。同时系统还提供精确检索和模糊搜索的功能,即通过设备编号、设备种类、测报时间等信息,对测报数据进行查询。

3.5.3 测报数据分析

对测报数据进行多维度多角度的数据分析。

(1)同时期不同区域数据对比。对同一时间段内不同地区的测报数据进行对比分析。

(2)不同时期同一区域数据对比。对同一测报点的不同时期的测报数据进行对比,能够及时看出数据变化趋势,以便及时应对病虫害。


3.5.4 病虫害预测

综合分析特定区域内的测报数据,根据不同时期测报数据的变化规律,分析出可能发生病虫害的几率,预测病虫害发生的范围和程度,从而实现病虫害预测和预防。

3.5.4.1短期病虫害预测

短期病虫害的预测需要监测点数据的支持,监测点测报灯的监测数据定期上传,病虫害数据录入系统,数据变化出现比较大的波动,则极可能就有短期病虫害发生。结合数据分析结果,实现短期病虫害预测。

3.5.4.2中长期病虫害预测

长期病虫害的预测需要测报点数据结合气象信息和省市级病虫害数据进行对比分析才能起到预测作用,所以要求对接的省市级病虫害数据需要共享省内其他县市的病虫害测报实时数据和历史数据,并集合气象数据,综合分析判断出可能发生的病虫害影响范围、时间和可能造成的损失,做出应对措施。例如寿光市发生虫灾,蔓延速度和影响范围可以供参考。

3.5.5 数据及设备对接

农作物病虫害测报系统需要进行的数据对接分为两方面,一方面是对接实时采集的病虫害测报数据,另一方面是对接省市级病虫害历史数据和省市乃至全国的气象数据。

农作物病虫害测报系统需要对接的设备目前包括:1、测报点测报设备(病虫害信息图片上传),支持以后更多设备接入。

3.5.6 测报灯对接

测报灯作为一种重要测报设备,测报系统将实现无缝对接测报灯上传的数据。测报灯分布点越多,测报数据越准确。

3.6 “物联网+”的精细管理系统

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3.6.1农田环境监控系统

主要是前端的传感器、采集仪等硬件设备,通过后端的植物生长环境信息监测管理系统软件,实现农业环境信息的在线管理与控制。

在监测点安装一体化环境监测仪(农用通2S),监测的该区域内的环境信息,将该信息展现给管理人员和参观人员。同时数据也通过无线通讯模块传输至监控中心管理系统,为作物生长管理提供精准监测和科学依据。

一体化环境监测仪(农用通2S)采集系统提供的功能包括:环境监测、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度、报警功能、短信报警、邮件报警、实时抓拍图片等

3.6.2农田视频监控系统

集成于物联网综合管控系统中,仅提供视频的实时监测功能,多用于示范展示。

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作为管理农业生产的人员而言,仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。视频与图像监控提供了更直观的表达方式。比如:哪块地缺水了,在物联网单层数据上看仅仅能看到水分数据偏低。应该灌溉到什么程度也不能死搬硬套地仅仅根据这一个数据来作决策。因为农业生产环境的不均匀性决定了农业信息获取上的先天性弊端,而很难从单纯的技术手段上进行突破。视频监控的引用,直观地反映了农作物生产的实时状态,引入视频图像与图像处理,既可直观反映一些作物的生长长势,也可以侧面反映出作物生长的整体状态及营养水平。可以从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。

在监测点安装高清网络摄像机,通过光端机、光缆等传输设备将高清视频信息传输至监控中心视频监控系统,实现管理人员在监控中心实时监测果菜区作物的病虫害情、果实大小及颜色等信息。

3.6.3农田智能控制系统

根据环境参数采集系统获取的数据,以及各类作物适宜环境参数,驱动各类监控器和灌溉系统、施肥系统、农机系统等构成整个自动化控制网络。具体包括以下设备:

3.6.3.1 水肥系统远程控制

水肥系统支持单独控制、定时控制、按条件控制和联动控制等多种控制模式。

3.6.3.2 农田轮灌控制

根据农作物分布与需求设定轮灌组,设定计划定时、定期、或手动控制灌溉,控制灌溉时间,显示界面以图形,表格等多种方式动态显示各灌区运行情况。


3.6.3.3 农田阀门控制

实时显示和远控阀门,阀门单独控制,阀门分组控制。并且显示阀门位置和阀门运行状态等信息。

3.6.3.4 农业机器人

种植作业机器人以无人驾驶和人工智能技术为支撑,将信息技术进行集成,并通过感知识、智能分析、自动控制、柔性作业等方式进行信息处理,在农业生产中实现智能化识别、定位、作业、监控和管理等功能。

3.6.3.5 农业无人机

人工智能农业无人机系统,透过无人机载具推动高效植保,农药、肥料自动化喷洒等整合性系统服务。并可以应用搭载人工智能飞控和影像分析系统的无人机,利用高像素摄像机,进行农地植被探勘,品种辨识及生长情形分析,并建立3D影像模型,提供专业植保建议。

3.6.4病虫害监测系统

1、虫情信息自动采集传输设备

虫情信息自动采集传输设备是新一代图像识别式虫情测报工具,在无人监管的情况下,自动完成诱虫、杀虫、虫体分散、拍照、运输、收集、识别等系统作业,并实时将环境数据和病虫害数据远程上传至智慧农业云平台,在平台上实现自动识别计数,对虫害的发生与发展进行分析和预测,为现代农业提供服务,满足虫情测报及标本采集的需求。

2、农作物病菌孢子自动捕捉培养系统

主要用于监测病害孢子存量及其扩散动态,实现全天候无人值守,实时采集分析监测孢子情况。仪器内置高倍光学显微成像系统,可定时清晰拍摄孢子图片,远程自动上传至管理平台,为预测和预防病害流行、传染提供可靠数据。仪器可固定在测报区域内,定点观察特定区域孢子种类及数量。

3.6.5基于智能终端的物联网精细管理系统

物联网精细管理系统主要有远程智能设备控制、综合数据采集与分析预警、智能决策等功能。

1.首页视图:

首页视图展示了环境监控平台整体操作界面和使用环境。


2.功能栏:

通过用户名和密码进入到平台后,可看到“实时监测”、“智能决策”、“数据报表”、“系统管理”、“系统通知”和“视频监控”功能栏。

3.手机端

智能终端远程控制温室智能设备,远程进行生产管理。进行控温、控湿、控制光照、水肥一体、风机等远程操作,精细管理农业生产。

3.6.6农业生产管理系统

1.实时监测:

在实时监测部分,客户可以集中式的查看现场最新的环境参数。并可在当前页面进行控制调节,极大地方便了用户的操作。

2.智能决策

用户可以对室内环境进行上下限设置,并可以选择响应方式,并可在平台查看各种报警数据。

3.变化曲线

在变化曲线部分,客户可以看到设备对应时间段的历史数据生成的曲线图,更直观的反应监测环境的变化。

4.历史数据

(1)通过事先设定好的采集发送时间间隔,可查看以往所有采集时间点的环境信息记录。

(2)还可以导出不同时间段的历史监测数据,及时了解植物不同生理阶段的环境信息。

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