【现代化智慧农业解决方案】

现代化智慧农业解决方案 第一章 概述 （一）前言 在农业生产过程中，农作物的生长与自然界的多种因素息息相关，其中包括大气温度、大气湿度、土壤的温度湿度、光照强度条件、二氧化碳浓度、水分及其他养分等等。传统农业作业过程中，对这些影响农作物生长的参数进行管理，主要依靠人的感知能力，存在着极大的不准确性，农业生产也就成为一种粗放式管理，达不到精细化管理的要求。随着科学技术的发展，伴随着城镇化改革的进行，在农业生产过程中，越来越多的劳动力被解放出来， 劳动力成本不断增加，传统农业无法进一步的发展，也逐渐滞后于社会的发展。因此，对传统农业的要求在不断提高，将先进技术应用于农业将得到广泛推广，智慧农业随之产生。

（二）、智慧农业发展现状 1、政策方面 以建设现代化农业为着力点，以实现农业增效、农民增收为目标，以提高增效为核心， 以提高农业产业化水平和增强农业综合生产能力为主线，大力发展特色农业、绿色农业、科技农业，加快推进农业全面发展，努力实现我国农业发展的新跨越。

2、技术方面 随着物联网技术的不断发展，越来越多的技术应用到农业生产中。目前，远程监控系统、无线传感器监测等技术日趋成熟，并逐步应用到了智慧农业建设中，提高了农业生产的管理效率、提升了农产品的附加值、加快了智慧农业的建设步伐。

3、应用方面 目前，利用基于云计算核心的 GPRS 模块，采集农业生产信息，通过云计算中心或短信进行简单设置后即可将任何设备的数据传输到农业云管控平台，并可通过农业云管控平台下发控制指令，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，使农业生产自动化、智能化，并可远程控制。

温室大棚在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。因此对种植作物生长环境的要求要精确的多。大多数农户加温、浇水、通风等，全凭感觉。人感觉冷了就加温，感觉干了就浇水，感觉闷了就通风，没有科学依据。农业进入信息化时代后，对温室内部的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度及光照等农业环境信息的采集也越来越重视。因此，将物联网技术引入温室大棚中来，实现温室种植的高效和精准化管理。

（三）需求分析 本方案研发的基于云计算核心的物联网智慧农业控制系统将所有控制终端连接到云计算服务器，云计算中心服务器采用多端口、多进程、多线程复合通讯技术，能够支持极大量的终端同时连接，并且能够做到实时数据传输与控制。另一方面，可以通过控制中心对不同的终端设备进行协议设置，云计算服务器会将协议透传给终端设备。

1、项目建设是民生所向。目前我国粮食生产实现“十一连增”，农民增收实现“十一连快”。然而在粮食连年丰收的背后，我国农业持续发展的压力明显加大，通过推进农业智能化建设，加快农业发展方式的转变，从依靠拼资源消耗、拼农资投入、拼生态环境的粗放经营，尽快转到注重提高质量和效益的集约经营上来。将推动“物的新农村”和“人的新农村”建设齐头并进。农业已成四化“短板”，推进农业智能化刻不容缓。

2、项目建设是行业发展趋势。智慧农业已成为合理利用农业资源、提高农作物产量和品质、降低生产成本、改善生态环境及农业可持续发展的前沿性农业科学研究热点之一。智慧农业技术的引进和应用会给我国农业发展带来新的机遇,为我国推广、应用和发展现代化农业起着示范和推动作用 。

3、项目建设为国家农业科技规划及相关政策重点支持发展领域。我国政府部门高度重视我国农业的发展，先后出台了一系列政策，全力支持“十二五”期间我国农业的发展， 并且明确规定，积极调整支出结构，不断加大投入农业物联网建设，主要包括环境、动植物信息检测，温室农业大棚信息检测和标准化生产监控，精农业中的节水灌溉等应用模式。

（四）方案的目的 智慧农业发挥在 3G 网络、云计算技术、物联网技术、全球眼技术等方面的优势，积极响应国家号召，参与智慧农业建设。提供了从科学育种、农作物精细管理、农作物远程控制到食品溯源、农机定位等智慧农业的一系列解决方案。发展智慧农业能够加速提升农业科技水平，进一步增强农产品竞争力,实现高效农业，保护环境、促进农业的可持续发展。

第二章 系统总体设计 （一）系统设计原则 本方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。本系统设计内容是系统的、完整的、全面的；
设计方案具有科学性、合理性、可操作性。其具有以下原则：
1、先进性与适应性 系统的技术性能和质量指标达到国际领先水平；
同时，系统的安装调试、软件编程和操作使用简便易行，容易掌握，适合中国国情和本项目的特点。该系统集国际众多先进技术与一身，体现了当前计算机控制技术与计算机网络技术的最新发展水平，适应时代发展的要求。同时系统是面向各种管理层次使用的系统。其功能和配置以能给用户提供舒适。安全、方便、快捷为准则，其操作应简便易学。

2、经济性与实用性 充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据用户现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现最佳的性能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济适用。

3、可靠性与安全性 系统的设计具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能，同时系统具有一整套完成的系统管理策略，可以保证系统的运行安全。

4、开放性 以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状的发展趋势， 可以消防、防盗、聚光系统实现联动，可实现远程控制。

5、可扩充性 系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后该项目工程的实际要求扩展功能，同时，本方案在设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。

6、追求最优化的系统设备配置 在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。

7、保留足够的扩展容量 该项目设置的控制容量保留一定的余地，以便在系统中改造新的控制点；
系统中还保留与其他计算机或自动化系统连接的接口；
也尽量考虑未来科学的发展和新技术的应用。

8、提高监管力度与综合管理水平 本项目系统设备控制需要高效率、准确及可靠。本系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合控制，时时动态掌握监视及报警情况。闭路电视监控大大减少劳动强度， 减少设备运行维护人员；
另外，系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，在最佳情况下运行，既可节能，又可大大减少设备损耗，减少设备维修费用，从而提高监管力度与综合管理水平。

（二）系统结构 智慧农业控制系统 智慧农业控制系统能够将多达几十万台的控制终端同时连接到云计算中心，可以在同一平台下对多个地区，多个控制点进行集中控制，更能够进行大范围综合计算与综合控制。

（三）系统特点 1、基于云计算核心 Wiscloud 智慧农业控制系统基于云计算核心，分组控制与用户不需要自建服务器， 不需要固定 IP，只要一台能够上网的电脑/平板/手机即可通过云计算平台对多个地区的多个终端进行控制，所有数据记录在云计算数据中心，数据永不丢失，可以方便的进行历史数据查询与分析。

2、最强的控制能力 Wiscloud 智慧农业控制系统终端主机具有 5 个 485 及 232 通道以及 12 个专用扩展通道，核心系统支持线程模式，可同时采集多个通道的数据，通过扩展通道可以扩展大量的采集模块，通过云计算中心能够对每个扩展模块的控制通道进行采集控制，单个终端主机可扩展至多达 4096 个 A/D 通道，1792 个 IO，1024 个 RS485 接口以及 512 个 12 位 D/A 通道，具有极强的扩展及控制能力。

3、无需任何编程 Wiscloud 智慧农业控制系统终端机采用触摸屏一体化设计，在施工部署时不需要任何的编程，具有完美的模糊控制理念及控制算法，可以将所有输入输出接口进行任意组合控制，并且可以完全脱离云计算中心自动运行，也可以通过云计算中心进行极端复杂的流程控制。

4、开放&开放 Wiscloud 智慧农业控制系统开放所有控制终端、控制模块、云计算平台接口，软件企业可以用自己的软件对智慧农业控制系统进行控制，形成自己的软/硬件自动化控制产品， 物联网及自动化控制企业可以将硬件接入到智慧农业控制系统的云计算平台中，通过云计算平台进行实时通讯，实时控制，并可集合大量终端进行综合控制，并能够将历史数据保存到云计算中心。

（四）系统功能 1、基于云计算平台：拥有自己的云计算中心，无需自建机房和数据中心，可以在手 机、平板等任意终端连接到云计算中心，进行高效率的数据运行及运算能力，并可以在云端对所有设备进行设定，实现了随时调用，随时监管，随时控制。

2、系统成本低：省去了 PLC 系统自拉光纤、自架服务器、购买 UPS 和蓄电池等额外的财力消耗，同时也省下了后期昂贵的系统维护费用。

3、控制能力强大：单机可承载 1 万以上的终端连接数量且运行毫无负担。物联网控制终端主机具有 5 个 485 及 232 通道以及 12 个专用扩展通道，嵌入式软件开发时采用了线程模式，可同时采集多个通道的数据，通过扩展通道可以扩展大，终端主机能够将扩展模块的数据自动打包上传到云计算中心，也可以通过云计算中心对每个扩展模块的控制通道进行控制，单主机通过扩展可实现多达 2048 以上通道的数据采集以及控制。

4、扩展能力强大，扩展方便快捷：可达到无缝扩展至 10 万以上的终端连接数量，独自研发的物联网终端设备的透传协议，使后期新增扩展模块时无需重新编程，模块的通用性强，自带输入、输出、485、Mbus、模拟量采集适应用户的新增需求。

5、稳定性强：一体化开发的自有系统，直接集成通信模块，信息实时传输、反馈、报警、处理，我们的主机高度集成化，把触摸屏的控制、DTU 和主机的处理部分、以及采集部分、下位机通信部分集成一体，任何节点的损坏都不会影响整个系统的运行，运行更加稳定。

6、人性化服务：支持地理信息系统，触摸屏终端可随时提供动态数据，提供系统运行的评价指标，提供对运行分析和参数预测所需的各种温度、湿度和流量分配的图表，对同类参数进行分析比较，并可进行人性化参数重置。

7、后期运维方便：系统不需要专门维护，一旦发生故障，根本不需像老式系统那样等待专业人员现场编程调试，只需请电工按照操作要求重新安装备选模块即可，傻瓜式操作， 方便快捷，时效性高。

8、兼容性强：能兼容并学习市面上几乎所有品牌的热表、压力表等设备的协议，进行远程操作，无需配备指定设备，利于厂家控制设备成本。

9、服务持久：智慧农业管控系统将与公司系统同步升级。第四章 智慧农业解决方案 智慧云谷基于云计算核心的物联网技术的智慧农业，是指充分利用各类 iWiscloud 无线传感器和先进设备，实现现代农业生产的实时监控、精准管理、溯源管理、远程控制和农业信息知识支撑的农业综合智能信息化解决方案。

以开发利用基于云计算核心的智慧农业控制系统为主导，对气候、土壤、水质等环境数据的分析研判，系统规划园区分布、合理选配农产品种，科学指导生态轮作。智慧农业建设主要包括环境、植物信息检测，温室、农业大棚信息检测和标准化生产监控，精准农业中的节水灌溉等应用模式，例如农作物生长情况、病虫害情况、土地灌溉情况、土壤空气变更 等环境状况以及大面积的地表检测，收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量等信息的监测。

第五章 智慧云谷智慧温室管控系统功能描述 在这列举智慧温室大棚的解决方案，智慧温室大棚控制可以根据用户需求，随时进行处理，为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据。大棚监控及智能控制解决方案是通过光照、温湿度、二氧化碳等 iWiscloud 无线传感器，实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，自动开启或者关闭指定设备(如远程控制浇灌、开关卷帘等)。

智慧云谷基于云计算核心的温室控制系统采用无线传感器网络技术、基于云计算平台的数据存储与分析,嵌入式技术和传感器技术相结合的方式，精准采集温室内部环境的各项指标， 驱动相应执行器件，如风扇、加湿器、加热器，平稳控制温室内部环境的变化。实现了如下 12 项功能：
（一）空气温湿度监测功能 工作人员可根据智能温湿度传感器，实时监测温室内部空气的温度和湿度。测湿精度可达±2％RH，测温精度可达±0.5℃。并把数据传送至智慧云谷农业云管控平台,中心对数据进行分析处理后将数据分发给云计算终端。如果温室内空气湿度小于设定值，系统会自动启动加湿器，达到设定值后便停止加湿；
如果温度过高，系统会自动开启卷帘机，然后打开通风系统，直到达到设定的温度值，当温室内温度低于设定值时，系统便启动加热器来升温，直到温度达到设定值为止。自动调节温室内温湿度，保证作物生长于一个最适宜的环境中，为安全高效生产提供保障。

（二）土壤湿度监测功能 工作人员可根据智能土壤湿度传感器，实时监测温室内部土壤的湿度，并把数据传送至智慧云谷农业云管控平台，当土壤湿度低于设定值时，采用智能控制与手动控制两种喷淋装置来喷水，可以依照温度湿度和其他参数，或者根据植物生长模型对灌溉设备进行开关控制或者进行精准的变频控制、高速计数控制（可以是灌溉精度达到 1 毫升/每小时精度级别）等高效且精准的灌溉控制方案。也可以通过本地或者远程对棚内整体或者局部进行灌溉。监测设备可以将根据水流量等技术参数计算出实际的灌溉用水量，支持实时检测自动闭环灌溉、定时定量灌溉、系统预警等，可实现多种模式下的精确灌溉，达到节能控制与精确控制的完美结合，具有成本低廉、适用性强、操作简单、部署灵活、安全性高、扩展性强等优点。

（三）光照度监测功能 采用智能光照度传感器来实现对温室内部光照情况的检测， 对弱光和强光有较高的灵敏度，传输距离长，抗干扰性强，测量精度高等特性保证了稳定性， 并把数据传送至智慧云谷农业云管控平台，植物光合作用需要光照和二氧化碳，当光照度达到系统设定值时，系统会自动开启风扇加强通风，为植物提供充足的二氧化碳。在弱光的时候工作人员采用智能定向补光系统，基于植物生长环境光照不足和各阶段红蓝光需光亮差异问题，采用对应植物吸收峰值波长的红蓝两色 LED 微光源，应用分类限值设置、分段光强检测铬温度检测，精确计算补光量，控制 LED 驱动电流，从而实现低耗能按需精确定量补光。

（四）二氧化碳智能补充系统 植物通过吸收二氧化碳完成光合作用，进行新陈代谢产生养分，而空气中过多的二氧化碳含量却反而会抑制作物的生长，通过控制温室大棚中的 二氧化碳浓度可以有效控制植物的光合作用，采用智能二氧化碳传感器实时检测温室内二氧化碳浓度，根据不同作物所需浓度计算补充量，从而精确控制二氧化碳产生设备的开启与关断，将温室二氧化碳维持在植物生长所需的最佳浓度范围内，达到加快植株生长；
当浓度超过系统设定值范围，通过 iWiscloud 二氧化碳传感器将相关数据传送到智慧农业云管控平台， 由相关工作人员做出相应控制，也可以设置自动打开与之相连的通风设备，也可增加对作物的光照，使之进行更多的光和作用，从而减少二氧化碳的浓度，为植物生长提供良好的空气含量，提高农产品内外品质、实现增产增收。

（五）安防监控功能 采用人体红外感应模块，当温室大棚周边有非法人员出现时， 智慧云谷监控系统向云管控平台发送信号并报警，短信发送报警信息至用户手机。它检测的最远距离为 7 米，角度在 100o 左右，可对多个农业大棚进行 360 度全方位监控可 24 小时不间断工作，并可以长时间保留监控资料。

（六）远程视频监测功能 基于 3G 无线网络，在温室大棚内每隔 50 米安装一个高清摄像头，实时捕获温室内部的画面，将画面数据传输给智慧云管控平台。我们可以通过远程访问的方式来观看温室内部的实时画面，当发现农作物上出现害虫时，工作人员可以及时开启自动喷洒农药系统，可以及时的减少农作物损失；
也可以在触屏液晶显示器上看到温室内部的实时画面，农业技术人员可以随时看到植物生长情况。

（七）远程访问与控制功能 采用云计算远程控制系统，这样用户便可以使用智慧云谷主机访问数据，通过操作智慧云谷农业云管控平台界面远程控制温室内的执行器件，维护系统稳定。

（八）GPRS 云计算数传模块 智慧农业云管控平台接入 GPRS，用户便可以用手机来访问数据，了解温室内部环境的各项数据指标，如温度、湿度、光照度和安防信息等，实现云端控制，永不掉线。

（九）控制参数设定及浏览 对所要实现自动控制的参数如温度、湿度、氧气浓度等， 进行设置以满足自动控制的要求。用户既可以直接操作网关界面上的按钮来完成系统平衡参数的设置，又可以通过电脑或手机远程式的方式完成参数的设置。

（十）显示实时数据曲线 实时趋势数据曲线可将系统采集到的温室内的数据以实时变化曲线的形式显示出来，便于观察系统某时间段内整体的生长状况。系统可扩充多种记录数据分析处理软件，能进行绘制棒图、饼图，进行曲线拟合等处理，可按 TEXT 格式输出， 也能进入 EXCEL 电子表格等 office 的软件进行数据处理。

（十一）显示历史数据曲线 可显示出温室内各测量参数的日、月、年参数变化曲线， 根据该曲线可合理的设置参数，可分析环境的变化对植物生长的影响。便于对温室大棚运转情况进行分析做出改进，提高温室大棚的生产效率。

（十二）分块控制 实现同一个棚内划区域管理，不同区域种植不同作物的要求，整套系统可以实现每个控制节点实现 2-4 个区域控制区域划分。每个区域有自己独立的控制模型来适应不同的作物。即可以实现每个种植区不同温度，不同湿度，不同气体配置等环境技术指标。可根据用户需要即可以将整个大棚变成一个整体，也可分成多个区域来进行种 植。这样可以实现多环境作物同时培育，也方便一些科研实验的多环境任务要求。对于用户来说可以通过智慧云管控平台来监测、查询各分块数据，也可以对个分块进行单独控制和整体协调控制。现场工人和实施人员还可以对各自的控制区域实现手动控制。

第六章 智慧农业的意义 （一） 加速提升农业科技水平 我国农业的整体科技水平较低,与世界发达国家还存在较大差距,如传统的灌溉、施肥技术和农药、除草剂的大量施用,不但造成生产成本的提高和资金的浪费,而且直接危害人畜健康,污染农产品、环境和水质。因此需要利用能够根据作物生长需求、田间杂草及病虫害分布情况,实现精确喷灌、施肥及定点喷药,减少成本和环境污染的自动控制机械与技术。例如用于除草的喷药机械要求较高的控制精度,能够利用计算机视觉技术进行杂草识别,进而控制喷药的地点与用量。智慧农业是以高科技带动的农业科技创新技术体系,对于加速提升我国农业科技水平,促进我国农业现代化进程具有十分重要的意义。

（二） 进一步增强农产品竞争力、实现高效农业 智慧农业是质量效益型农业,以优质高效为目标,追求以最少的投入实现优质、高产、高效。我国化肥利用率相当低,仅为 30 %～40 %,且氮、磷、钾肥施用比例不合理,中、微量元素缺乏的情况没有得到及时纠正,氮肥损失率高达 70 %～80 %,浪费十分严重,肥料的增产效益未能充分发挥,养分管理和施肥技术方面的研究基础更是薄弱。实施智能农业,可在作物田块内,依据特定小区的作物生长潜力投入不同水平的管理(变量播种、施肥、喷药等) ,提高化肥、农药的有效利用率,降低农用成本和作物中有毒物质的残留量,从而提高作物的产量和品质,增强农产品的竞争力,实现高效农业。

（三）有效地保护环境、实现农业可持续发展 从我国近几十年的农业发展来看,环境保护与农业发展间存在着一定的矛盾,且日益严重。目前中国农村化肥、农药、除草剂、农膜的大量使用已经造成了严重的面污染,例如过量的化学氮不仅形成大气污染源,且同过量的磷向水体淋溶,形成水体富营养化。实施智慧农业可以减少因农业化学物质滥用造成的环境污染,是保持农业可持续发展的有效途径。

（四）有利于促进农民生产观念转变、生产技术和素质的提高 智慧农业使农业劳动力的就业结构发生变化,从事密集型农业生产的劳动力逐渐减少, 农民的知识结构也将从根本上得到改变,这是突破千百年来形成的传统耕作观念的关键之一。我国农民几千年来在小块土地上经过密集型劳动生产的投入和丰富生产管理经验的积累而形成的“传统精耕细作”技术,也可以在小块农田内达到很好的经济产量,只是没有现代科学方法的定量研究和现代工程手段的支持来形成大规模的生产力。现代农业技术与电子信息技术的发展,使定量获取这些影响作物生长因素及最终收成的空间差异信息、实施基于知识和现代科技的分布式调控、达到田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的经济产量成为可能。智能农业技术可显著提高耕地的生产潜力,节约良种、化肥农药、能源和劳力的投入,并获得良好的经济效益。

（五）有利于促进研究开发高新技术在农业领域的应用 智慧农业的关键技术是实现采集地块作物收获量分布状况,生成小区产量分布图；
根据田间作物生长条件的差别,以及田间土壤类型、水分、肥力、实测的产量分布图、作物栽培模型等,并综合专家知识决定如何操作处理地块内小区间的条件差别,对地块小区产量分布图进行分析,定义需要进行特殊处理的区域,分析形成决策方案,生成决策图；
根据地块决策图生成控制指令,对变量作业机械进行调节与控制。农业机械的精确定位与变量作业,需要空间信息技术的支持,由于 GPS、GIS、RS 与其他传感控制技术的发展,使变量机械的设计成为可能。如带有谷物产量传感器的联合收割机能绘制产量分布图,带有 GPS 与测量谷物产量传感器的联合收割机能绘制小区产量分布图,这些产量分布图反映了地块小区的差异；
用于除草的自动监控喷药机械,能够利用计算机视觉技术进行杂草识别、进而控制喷药的地点与用量；
用于灭虫的喷药机械,需要相对定位,可以利用带 GPS 数据采集器绘制地块的病虫害分布图,作为喷药的依据;变量施肥播种机具,能根据土壤肥力的不同,自动调节施肥量,同时也能根据土壤水分、土壤温度的不同,自动调节播种深度。

第七章 总结 智慧农业目前已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，是农业可持续发展的重要途径。在农业等大规模生产方面，如何把农业小环境的温度、湿度、光照、降雨量等， 土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH 值等，以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用，对于科学施肥、灌溉作业来说具有非常重要的意义。它将农业大棚内视频监控、安全防范、环境采集、异常报警、生产管理等功能集于一身，是传统视频监控系统在农业应用上的延伸和扩展，通讯手段上的升级和进步，将会是未来农业数字化管理的主要发展方向。