基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控方法與系統與流程
2023-06-01 12:37:47
本發明屬於計算機和網絡技術領域，涉及一種基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控方法與系統。
背景技術：
隨著社會的發展和科技的進步，我國農業的發展也越來越快，然而，目前我國農業生產仍然面臨以下問題：
1)生產者規模小，產品缺乏標準。以零散農戶為個體生產單位居多，以公司為生產單位的少，生產規模偏小。帶來的問題是，農業生產管理偏向個體化，往往是一個農戶管理幾畝農田或果園、菜地。管理沒有統一的參考依據，採取管理措施不統一，產品難以標準化。成為產品走向大市場、出口國際的障礙。
2)勞動力短缺，傳統管理模式難以為繼。隨著農村勞動力的減少，農村老百姓從事農業意願降低，農業生產勞動力會持續短缺，依靠大量勞動力耕作、管理的傳統農業模式難以為繼。國家糧食安全是我國穩定發展第一要務，不可停止，不可減少。發展集約化管理的精準農業迫在眉睫。
3)農藥施用過量，農藥殘留嚴重。對病蟲害防治了解不夠科學，農藥施用的時機，施用的量沒有科學依據。存在施用時機錯誤，施用頻率過高，施用量過大的問題，造成產品農藥殘留超標，同時增加生產成本負擔。
4)肥料施用過量，環境危害嚴重。對土壤的理化現狀缺乏科學監測，對農作物的需肥量也缺乏精準把握，存在肥料施用過量，造成土壤板結問題和肥料淋溶汙染地下水問題。
5)灌溉管理不節約，水資源浪費嚴重。對土壤含水量情況和相應的氣溫、光照、蒸騰等指標沒有連續監測和分析，不能準確把握作物灌溉的時機和灌溉量，造成水資源浪費。
6)災害抵禦能力差，損失難以承受。農業生產者，特別是以散戶為單位的農業生產者，不能及時掌握極端氣候變化信息，承受凍害、澇害帶來的嚴重後果，損失慘重。
面對上述問題，「網際網路+農業」提供了很好的解決問題的出路。「網際網路+農業」是充分利用移動網際網路、大數據、雲計算、物聯網等新一代信息技術與農業的跨界融合，創新基於網際網路平臺的現代農業新產品、新模式與新業態。以「網際網路+農業」驅動，努力打造「信息支撐、管理協同，產出高效、產品安全，資源節約、環境友好」的我國現代農業發展升級版，對我國農業現代化的影響深遠。
本發明作為網際網路+農業的體現，提供了一種基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理與監控系統，其主要涉及以下幾項技術：
1、大數據技術
大數據的概念最早是由著名未來學家阿爾文·託夫勒於1980年在《第三次浪潮》一書中提出的，將大數據稱為「第三次浪潮的華彩樂章」。伴隨著物聯網、移動網際網路和雲計算等新技術的出現與發展，人們對「大數據」的認識與理解不斷升華。2013年3月，IBM在其發布的白皮書《分析:大數據在現實世界中的應用》中進一步闡釋了大數據的概念.指出大數據應當具備4個基本特徵即「4V」理論:Volume(大量)、V ariety(多樣)、Velocity(高速)和Veracity(真實性)。目前出現另一種類似的「4V」理論，前面的「3V」內容和IBM定義的相同，將Veracity(真實性)變成了V clue(價值)，將兩者綜合即可得出大數據的「5V」理論。
大數據技術，就是從各種類型的數據中快速獲得有價值信息的技術。大數據領域已經湧現出了大量新的技術，它們成為大數據採集、存儲、處理和呈現的有力武器。大數據關鍵技術一般包括：大數據採集、大數據預處理、大數據存儲及管理、大數據分析及挖掘、大數據展現和應用(大數據檢索、大數據可視化、大數據應用、大數據安全等)。
2、WSN物聯網技術
WSN(無線傳感器網絡)就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，並發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。而構成WSN網絡的重要技術，zigbee技術以其低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本的優勢，逐漸被市場所接受。
3、雲計算技術
雲計算(Cloud Computing)是分布式計算(Distributed Computing)、並行計算(Parallel Computing)、效用計算(Utility Computing)、[5]網絡存儲(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負載均衡(Load Balance)、熱備份冗餘(High Available)等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物。美國國家標準與技術研究院(NIST)給出的雲計算定義是：雲計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池(資源包括網絡，伺服器，存儲，應用軟體，服務)，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。
4、電子數據保全技術
電子數據保全技術就是對電子數據形式(文字、圖形、字母、數字、三維標誌、顏色組合和聲音以及上述要素組合等)存在的各類電子信息，進行運算、加密固定，載明保全生成標準時間、運算值、文檔編號等，防止被人篡改，確保電子數據原始性和客觀性，即對電子數據進行保全時所使用的技術。主要包括時間戳技術和電子籤名技術。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控方法與系統，該方法和系統綜合運用物聯網、大數據、雲計算和電子數據保全技術，對農業生態環境信息進行管理及監控，通過傳感器和雲計算平臺等對農業生產過程實時監控、進行遠程診斷和預警以及遠程控制農業自動化設備完成相關作業，可以實現智慧農業生產。
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控系統，該系統包括農業生態環境信息採集與傳輸模塊、農業生態環境信息安全存儲模塊、農業生態環境信息分析應用模塊和農業設施遠程控制模塊；
所述農業生態環境信息採集與傳輸模塊用於對農業生產現場的各類環境信息數據進行採集，並將採集到的信息數據通過網絡傳輸至農業生態環境信息安全存儲模塊；所述農業生態環境信息分析應用模塊用於對接收到的農業生產現場的各類環境信息數據進行分析，以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，並根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息和簡訊報警信息；所述農業設施遠程控制模塊用於實現對農業生產現場的設備遠程控制，用戶根據聲光報警信息和簡訊報警信息，啟動遠程控制器，對灌溉、施肥及設施農業中的包括燈光、溫控、通風設備在內的各類設備實現遠程自動化管理。
進一步，所述農業生態環境信息採集與傳輸模塊包括農業生產現場設置的各種傳感器，所述傳感器包括但不限於空氣溫溼度傳感器、土壤溫溼度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器；將採集到的包括溫度、溼度、光照在內的環境數據傳送至遠程遙測終端(RTU)，遠程遙測終端通過GPRS實現農業生態環境信息數據的網絡傳輸。
進一步，所述農業生態環境信息安全存儲模塊對接收到的農業生產現場的各類環境信息數據進行存儲，採用雲計算中心的數據存儲伺服器，並利用時間戳服務中心的時間戳服務，實現農業生態環境信息的安全存儲，以確保農業生態環境信息的有效利用。
本發明還提供了一種基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控方法，包括以下步驟：
S1：設置在農業生產現場的各類傳感器定時採集生產現場的農業生態環境信息；
S2：遠程遙測終端定時巡檢收集緩存各類傳感器採集的生態環境信息；
S3：遠程遙測終端接收系統平臺指令，上傳緩存的信息，將生態環境信息存儲在雲計算中心的數據存儲伺服器；
S4：平臺中的農業生態環境信息分析應用模塊對存儲的數據進行分析，並將分析結果以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，並根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息和簡訊報警信息；
S5：用戶根據聲光報警信息和簡訊報警信息，啟動遠程控制器，對灌溉、施肥及設施農業中的包括燈光、溫控、通風設備在內的各類設備實現遠程自動化管理。
進一步，在步驟S3中，具體包括：
S31：農業生態環境信息管理監控平臺通過網絡接收遠程遙測終端傳送的農業生態環境信息數據後，生成相應的哈希值；
S32：將生成的哈希值上傳至時間戳服務中心，時間戳服務中心生成時間戳證書返還給農業生態環境信息管理監控平臺；
S33：農業生態環境信息管理監控平臺將農業生態環境信息數據和相應的時間戳證書分類存入平臺伺服器，同時上傳至雲計算存儲中心，實現農業生態環境信息的安全存儲。
本發明的有益效果在於：本發明所述系統是自動監測(控)系統與管理系統的有機結合，參數資料庫自動形成，且貫穿了作物生長的整個過程。這些數據經過挖掘研究，可以獲得很多規律性資料，進而作更多的有益工作，如作物成熟期預測、培育環境優化等。系統將為生態學的研究提供先進的現代化手段。此系統可應用於各種環境參數的監測，如蔬菜、瓜果、花卉大棚、植物組培、魚蝦苗的培育養殖，具有廣闊的應用前景。對實現工廠化高效農業，提高農業的現代化技術及管理水平將起巨大的推動作用；同時將在現代農業科研方面發揮作用。所述系統利用電子數據保全技術，可以確保農業生態環境信息的可靠性，確保農業生態環境信息的有效利用。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：
圖1為本發明系統的整體架構圖；
圖2為系統功能模塊圖；
圖3為系統信息流程圖。
具體實施方式
本發明提供的系統是自動監測(控)系統與管理系統的有機結合，參數資料庫自動形成，且貫穿了作物生長的整個過程。這些數據經過挖掘研究，可以獲得很多規律性資料，進而作更多的有益工作，如作物成熟期預測、培育環境優化等。系統將為生態學的研究提供先進的現代化手段。此系統可應用於各種環境參數的監測，如蔬菜、瓜果、花卉大棚、植物組培、魚蝦苗的培育養殖，具有廣闊的應用前景。對實現工廠化高效農業，提高農業的現代化技術及管理水平將起巨大的推動作用；同時將在現代農業科研方面發揮作用。所述系統利用電子數據保全技術，可以確保農業生態環境信息的可靠性，確保農業生態環境信息的有效利用
下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
圖1為本發明系統的整體架構圖，圖2為系統功能模塊圖；如圖所示，本發明提供的基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控系統，該系統包括農業生態環境信息採集與傳輸模塊、農業生態環境信息安全存儲模塊、農業生態環境信息分析應用模塊和農業設施遠程控制模塊。
所述農業生態環境信息採集與傳輸模塊用於對農業生產現場的各類環境信息數據進行採集，並將採集到的信息數據通過網絡傳輸至農業生態環境信息安全存儲模塊；所述農業生態環境信息分析應用模塊用於對接收到的農業生產現場的各類環境信息數據進行分析，以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，並根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息和簡訊報警信息；所述農業設施遠程控制模塊用於實現對農業生產現場的設備遠程控制，用戶根據聲光報警信息和簡訊報警信息，啟動遠程控制器，對灌溉、施肥及設施農業中的包括燈光、溫控、通風設備在內的各類設備實現遠程自動化管理。
所述農業生態環境信息採集與傳輸模塊包括農業生產現場設置的各種傳感器，所述傳感器包括但不限於空氣溫溼度傳感器、土壤溫溼度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器；將採集到的包括溫度、溼度、光照在內的環境數據傳送至遠程遙測終端(RTU)，遠程遙測終端通過GPRS實現農業生態環境信息數據的網絡傳輸。包括以下流程：1)農業生產現場安置的各種傳感器在農業生產的不同階段定時或不定時地採集土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣溼度、光照強度、植物養分等農業生態環境信息；2)各種傳感器把各自採集的信息通過WSN上傳至遠程遙測終端；3)遠程遙測終端將收集到的模擬或者數位訊號傳送到農業生態環境信息管理監控平臺。
所述農業生態環境信息安全存儲模塊對接收到的農業生產現場的各類環境信息數據進行存儲，採用雲計算中心的數據存儲伺服器，並利用時間戳服務中心的時間戳服務，實現農業生態環境信息的安全存儲，以確保農業生態環境信息的有效利用；包括以下流程：1)農業生態環境信息管理監控平臺通過網絡接收遠程遙測終端傳送的農業生態環境信息數據後，生成相應的哈希值；2)將生成的哈希值上傳至時間戳服務中心；時間戳服務中心生成時間戳證書返還給農業生態環境信息管理監控平臺；3)農業生態環境信息管理監控平臺將農業生態環境信息數據和相應的時間戳證書分類存入平臺伺服器，同時上傳至雲計算存儲中心，實現農業生態環境信息的安全存儲。
所述農業生態環境信息分析應用模塊實現的功能包括：1)農業生態環境信息管理監控平臺調用平臺存儲的數據，生成溫度溼度光照度等環境參數動態變化曲線圖，生成包含文字、數字、圖表、報表的PDF或DOC形式的決策分析報告；2)用戶查看環境參數動態變化曲線圖，在線分析數據段的最大值、最小值、平均值，累計值，查詢PDF或DOC形式的決策分析報告，進行農業生產管理決策。
所述農業設施遠程控制模塊實現的功能包括：1)遠程遙測終端採集傳感器生成的農業生態環境信息數據，當數據觸及系統設定的報警監測指標時，通過聲光和簡訊向用戶發出警戒信息；2)用戶收到警戒信號後登錄系統平臺進入農業設施遠程控制系統；3)用戶啟動遠程控制器發出指令，遠程控制機井、灌溉閥門、加熱器、加溼器、鼓風機、遮陽網、水產養殖增氧機等設施進行作業。
本發明還提供的基於物聯網、大數據和雲計算的農業生態環境信息管理及監控方法包括以下步驟：
S1：設置在農業生產現場的各類傳感器定時採集生產現場的農業生態環境信息；
S2：遠程遙測終端定時巡檢收集緩存各類傳感器採集的生態環境信息；
S3：遠程遙測終端接收系統平臺指令，上傳緩存的信息，將生態環境信息存儲在雲計算中心的數據存儲伺服器；
S31：農業生態環境信息管理監控平臺通過網絡接收遠程遙測終端傳送的農業生態環境信息數據後，生成相應的哈希值；
S32：將生成的哈希值上傳至時間戳服務中心，時間戳服務中心生成時間戳證書返還給農業生態環境信息管理監控平臺；
S33：農業生態環境信息管理監控平臺將農業生態環境信息數據和相應的時間戳證書分類存入平臺伺服器，同時上傳至雲計算存儲中心，實現農業生態環境信息的安全存儲。
S4：平臺中的農業生態環境信息分析應用模塊對存儲的數據進行分析，並將分析結果以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，並根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息和簡訊報警信息；
S5：用戶根據聲光報警信息和簡訊報警信息，啟動遠程控制器，對灌溉、施肥及設施農業中的包括燈光、溫控、通風設備在內的各類設備實現遠程自動化管理。圖3為系統信息流程圖。
下面從新用戶的註冊到如何使用系統平臺提供的各種服務功能進行詳細說明。
S1：用戶註冊，提交相關證明材料，填寫相關用戶資料，協商雙方服務約定，由用戶管理模塊實現；用戶可在必要時更新註冊資料；如用戶已註冊也可直接進入S2；S2：用戶登錄，系統平臺確認用戶身份；S3：使用平臺數據採集及傳輸服務功能，如用戶需要暫停服務轉S6，否則重複S3；S4：使用平臺數據安全存儲服務功能，如用戶需要暫停服務轉S6，否則重複S4；S5：使用平臺數據分析應用服務功能，如用戶需要暫停服務轉S6，否則重複S5；S6：使用平臺農業設施遠程控制服務功能，如用戶需要暫停服務轉S6，否則重複S5；S7：退出服務。
S3所述之使用平臺數據採集及傳輸服務功能，其步驟為，S31：用戶登錄系統平臺；S32：用戶通過平臺啟動遠程遙測終端系統；S33：遠程遙測終端系統上傳其緩存的各類傳感器採集的農業生態環境信息數據至平臺；S34：服務結束，用戶退出平臺。
S4所述之使用平臺數據安全存儲服務功能，其步驟為，S41：用戶登錄系統平臺；S42：平臺通過網絡接收遠程遙測終端(遠程終端控制系統)傳送的農業生態環境信息數據後，生成相應的哈希值；S43將生成的哈希值上傳至時間戳服務中心；時間戳服務中心生成時間戳證書返還給農業生態環境信息管理監控平臺；S44農業生態環境信息管理監控平臺將農業生態環境信息數據和相應的時間戳證書分類存入平臺伺服器，同時上傳至雲計算存儲中心存儲；S45：作業結束，用戶退出平臺。
S5所述之使用平臺數據分析應用服務功能，其步驟為，S51：用戶登錄系統平臺；S52：調用平臺存儲的數據，生成溫度溼度光照度等環境參數動態變化曲線圖，生成包含文字、數字、圖表、報表的PDF或DOC形式的決策分析報告；S53：用戶查看環境參數動態變化曲線圖，在線分析數據段的最大值、最小值、平均值，累計值，查詢PDF或DOC形式的決策分析報告，進行農業生產管理決策；S54：作業結束，用戶退出平臺。
S6所述之使用平臺農業設施遠程控制服務功能，其步驟為，S61：平臺分析採集的農業生態環境信息數據，當數據觸及平臺設定的報警監測指標時，通過聲光和簡訊向用戶發出警戒信息；S62：用戶登錄系統平臺進入農業設施遠程控制系統；S63用戶啟動遠程控制器發出指令，遠程控制機井、灌溉閥門、加熱器、加溼器、鼓風機、遮陽網、水產養殖增氧機等設施進行作業；S64：作業結束，用戶退出平臺。
最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。