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智慧农业

农业4.0:智慧农业
智慧农业=农业物联网+大数据云平台+农业机器人
        一.概述
        预计到2050年,世界人口将达到90亿。为此,全球粮食产量必须增加70%,才能够养活这个世界。同时,随着新兴经济体生活水平的提高,对肉类的需求也会增加,这就需要更大量的土地来提供动物饲料。然而,全球的耕作用地总量是有限的,因此要怎样养活这些人口对农民而言无疑是巨大的负担。2014年3月,在联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的一系列报告中,粮食安全成为一个倍受关注的领域。
        随着大数据、云计算技术的发展,通过大数据分析与研究,农民能够预测最佳播种时间、用什么类型的种子以及在哪里种植,以提高产量、降低运营成本,并尽量减少对环境的影响。未来的粮食安全依赖于强健且适应性强的植物与动物性作物的生产及发展,因此让大数据充分发挥在农业中的潜力就变得至关重要,也刻不容缓。
        人类发展方向就是物质资料的获得尽量由机器来完成。对农业来说,整个农产品的种植生长周期都可以在无人干预的情况下智能完成所有的环节。
        物联网是把跟农业相关的各种元素通过网络联系起来,并且能够相互的传递信息。包括光、气、水、土、肥等基础的各种实时传感器,农业机器人与大数据中心的互联互通,农资材料的各种信息,以及种植现场其他元素的网络连接。相当于人的神经网络及各种感官。
        大数据是整个系统的核心,包括农产品质量追溯系统、农业物联网管理系统、农业智能专家决策系统、农业电子商务平台、智慧农业移动客户端。人类之所以如此的强大关键在于发达的大脑,强大的思维。通过分析现场的实时数据(气象、土壤、生长状态、病虫害等)、历史经验数据、运用各类的专家系统做出预测和决策,指导各类机器人执行任务(播种、灌溉、施肥、除草、打药、采摘、土地整理、运输、仓储等)。
        农业机器人,这里特指各种可以自行移动的农机设备,主要包括无人机和地面智能农机设备。这些设备都基于精准的定位系统,包括室外GPS、室内定位和区域精确定位。有育苗、种植、施肥、授粉、除草、喷药、采摘、分拣等机器人。
        二、农业物联网系统
        物联网的核心是网,是打破传统行业界限的新的领域,需要从新的高度和深度对产品的技术和功能重新定义,我们称之为物联网基因。比如无线传感器的设计中网络通信的成本和技术占整体的70%左右。具有个体相对独立完整性和强大的网络通信能力,有下列特点,低功耗(电池供电)、低成本(可大量布设)、小体积、无线通信(灵活安装)、零设置(上电即用)。
        系统包括无线MESH路由器、无线网关、无线传感器(无线光照传感器、无线空气温湿度传感器、无线CO2传感器、无线土壤温湿度传感器、无线氨气传感器、无线溶解氧传感器等)、无线控制器(可控制风机、加湿器、加热器、电磁阀、遮阳网等)、无线智能高清摄像机等。
        无线MESH路由器可提供千兆以上骨干无线网络,根据需要可将工作区域全面覆盖。
        传感器通信模块采用LoRa™技术、符合低数据速率无线网络标准的全新系列产品,可实现的物联网(IoT)和机器对机器(M2M)无线通信距离超过16公里(郊区),电池使用寿命可达10年以上,并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。全新433/868 MHz SF2483器件是一款已通过指令评估的射频模块。此外,新模块体积小巧,并备有14个GPIO,以极小的占位空间即可灵活连接和控制大量的传感器与执行器。
        SF2483模块是一款革命性的终端节点IoT解决方案,专为新兴的LoRa技术网络而设计,可实现超长距离的双向通信,并显著延长电池寿命。
        与其他无线系统相比,LoRa技术拥有如下几大优势。它使用扩频调制技术,可解调低于20 dB的噪声。这确保了高灵敏度、可靠的网络连接,同时提高了网络效率并消除了干扰。而相比于网状网络,LoRaWAN协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数,因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。同时,LoRa技术实现的通信距离比其他无线协议都要长得多,这使得SF2483无需中继器即可工作,从而降低了整体拥有成本。此外,相较于3G和4G蜂窝网络,LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强,性价比更高。
        SF2483模块解决了无线应用开发人员由来已久的两难问题,即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一。而采用LoRa技术之后,现在可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗,同时还可节省额外的中继器成本。此外,SF2483采用AES-128加密方式来保障网络通信安全。
        三、大数据云平台
        智慧农业云平台包括农产品质量追溯系统、农业物联网管理系统、农业智能专家决策系统、农业电子商务平台、智慧农业移动客户端。
        其中的每一个系统都是独立的,可单独运行,又可组成大的系统平台,相关功能如下:
            农业物联网管理系统
        通过各种传感器,实现对种植、养殖生产环境和动植物本体的信息进行远程实时监测,并将监测信息以无线方式传输到服务器上,以便进行存储、追溯查询、统计分析和决策,同时可以对各个大棚设备、灌溉设备等农业设施进行远程控制,智能化调节温度、湿度、养分等生产环境,对动植物的生长过程进行精细化管理,从而减少病虫害等灾情损失,减少农药使用,保障食品安全,确保绿色有机。对纳入到平台内的各种无线设备进行远程管理,可以远程设置各种物联网仪器设备的采集信息、采集时间段、采集频率、等运行信息,确保设备稳定运行,节能节电。
            农产品质量追溯系统
        农产品质量追溯系统包含整个智慧农业的全流程跟踪管理,是主干道,涉及农户、合作社、生产企业、农资供销商、产品销售商、政府和消费者,贯穿了农产品生产基地管理、种植养殖过程管理、采摘收割、加工、储存、运输、上市销售、政府监管的各个环节。追溯平台涉及到的各子系统为智慧农业的某一环节服务,并将采集到的信息即时传送到追溯平台,最终在追溯平台上进行全流程的展现,实现“质量可监控,过程可追溯,政府可监管。
        实现对农业生产投入品的使用管理,生产过程管理,产出品的存库、销售、结算信息化管理,统计分析和核算生产效益。数据通过接口与溯源系统对接,可通过溯源系统对生产过程的投入品进行追溯。
            农业智能专家决策系统
        将很多各个科目的农业专家的经验理论程序化,形成高级专家智囊库,针对农作物常见病虫害进行远程诊断和咨询解答,提出相应的管理措施。可为农业龙头企业、农民专业合作社、种养大户等各生产主体提供全程专业的技术指导与服务,亦可与智慧农业移动客户端对接,及时通过智能手机或智能终端向农户推送农技知识,特别是病虫害防范知识。
            农业电子商务平台
        实现农产品的网上订单销售、线下物流发货的互联网+营销模式,电商平台与溯源系统的交互,可极大的提升农产品的公信力和消费者的参与度,促进农产品销售和安全生产的良性循环。 作为政府部门新闻、通知、公告等信息文件发布和管理平台,同时对各种生产数据的收集、统计和分析,形成报表,提供给政府监管部门或集团公司管理层分析和决策之用。
            智慧农业移动客户端
        方便农户、合作社、企业、消费者、政府监察人员,通过智能手机、手持终端等设备查询云平台上的数据或接收系统推送的信息,以及相关农产品溯源信息,是农产品溯源系统的终端级应用。 平台主要采用集群的架构方式,集中多台服务器的并行计算能力来满足大流量、高并发数据的采集、存储及计算需求,使用集群架构使平台具有较高的可靠性和可扩展性,同时可降低建设成本。平台架构后端的主要流程是数据的采集、采集数据的缓存、数据的存储、数据的分析计算,前端主要流程是Web的访问、基本管理数据的访问、采集数据及分析结果数据的访问。 数据采集主要采用传感设备、Wi-Fi技术和分布式采集集群进行采集,使用统一的采集入口,采集集群可支持并行接入大量的传感、检测等各类设备,随着设备数量的不断增加,可以通过增加集群的节点数量来扩展集群的性能;采集集群能够保证小部分采集服务器宕机,不影响整个采集服务的正常运行。
        采集集群采集到的数据会临时存放在高性能的内存型数据库Redis中。为了满足高并发、大数据量存储,平台建立了Redis集群。由于Redis正式版目前还不具备集群特性,我们使用Twemproxy和Keepalived来组建Redis集群。Twemproxy的速度很快,接近直接与Redis通讯的速度,能够很好地管理Redis并对其进行扩容。使用Keepalived实现高可用主备方案,解决Redis集群proxy单点的问题。 Redis是内存型数据库,用于临时存放数据,最终数据还是要做持久化存储。MongoDB是一款高性能、开源、无模式的文档型数据库,可满足对数据库高并发的需求、对海量数据的高效率存储和访问的需求、对数据库的高可扩展性和高可用性的需求。此处MongoDB采用经典的Replica Sets+Sharding的集群架构:使用多个Shard服务器,在Shard服务器上使用Replica Sets确保每个数据节点都具有备份、自动容错转移、自动恢复的能力;使用多个配置服务器确保元数据完整性;使用多个路由进程实现平衡,提高客户端接入性能。云平台的数据存储服务会不断扫描Redis并将Redis缓存中的数据存储到MongoDB数据库中。 Hadoop集群负责平台大数据量的数据存储及分析计算。Hadoop是一个开源的分布式系统基础架构,由Apache基金会所开发。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下,开发分布式程序。充分利用集群的威力进行高速运算和存储。Hadoop的框架最核心的设计就是:HDFS和MapReduce。HDFS为海量的数据提供了存储,MapReduce为海量的数据提供了计算。Hadoop集群节点之间的数据是互相备份的,并且是多备份,个别节点宕机不影响系统的运行,从而实现系统的高可靠性和高容错性。
            平台体系结构
        该平台的软件体系结构采用面向服务的体系结构。首先通过数据采集将IOT感知的数据存储到我们的存储资源中,建立我们的云数据中心;在基础设施和物理资源基础上开发我们的平台,提供统一的研发平台,满足业务组件灵活插拔、系统资源占用灵活配置等要求;在平台基础上开发我们的各类业务;平台后端使用统一的云管理平台,实现采集及各类资源的集中统一管理;对外使用统一的云服务控制台,各类业务系统接入我们的控制台,向不同类型的客户提供各类业务服务。
                    (1)IAAS:基础设施即服务,平台使用虚拟化及分布式技术提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库等基础设施服务,为云平台的建设奠定基础。
                    (2)云数据中心:三凡云平台将各种类型的数据整合、提取并存储在云数据中心,为各类业务服务提供基础的数据分析服务。
                    (3)PAAS:平台即服务, 平台提供SSI框架等基础架构及各类基础组件,软件开发者可以在平台基础架构之上建设新的应用,或者扩展已有的应用。
                    (4) SAAS:软件即服务,将软件作为服务提供给用户使用,目前平台已提供以IOT为基础的智慧安监、智慧化工、智能家居、智慧市政、数字油库、智慧农业、智慧水务等软件服务。
                    (5)云服务控制台:对用户使用统一的服务控制台,实现将各类业务接入服务控制台,从而向不同的用户提供各类不同的业务服务。
                    (6)云应用:直接面向用户的不同业务应用系统。
            功能应用
        平台主要有云管理平台和云服务控制台两部分,云管理平台面向平台的管理人员和维护人员,云服务控制台面向服务开发者和服务使用者,平台的主要功能如下:
                    服务管理:对服务的注册、审核、发布、使用及服务对应的API(或API打包下载)进行管理。服务的类型主要有两类:基础服务和业务服务。
                    用户管理:对平台中用户的基本信息进行管理。
                    资源管理:对平台中的各类资源进行管理。
                    服务的权限管理:平台使用者可以查看所有的服务,但只能对自己发布的服务进行管理。服务经审核发布后可供授权用户配置实例并使用。
            以下是平台的核心基础服务:
                    通讯协议服务:不同类型的传感器使用不同的通讯协议,三凡云平台将通讯协议设计为服务提供给用户,用户可以自定义配置协议和使用该协议,也可直接使用平台中已存在并已授权的通讯协议。
                    采集服务:传感器将采集到的数据通过WiFi链路传输数据到上位机,采集服务程序(UDA)按照对应的通讯协议对数据进行解析,解析后的数据存入Redis缓存集群;采集服务管理主要是对用户的采集配置信息及对所使用的采集服务实例的启动、停止进行管理。
                    存储服务:存储服务程序会不断扫描对应的Redis缓存集群,并将Redis缓存集群中的数据拉取到用户指定的数据库中,如Mongodb、Oracle等;存储服务管理主要对用户的存储配置信息、存储格式及存储服务的启动停止进行管理。
                    数据分析服务:主要有实时数据服务和非实时数据服务。实时数据服务又分为实时推送和主动获取两种类型:实时推送服务主要根据用户定义好的配置主动向用户配置的地址推送数据;主动获取服务主要给用户提供数据服务API,服务消费者按照定义好的API给定参数,就会实时的返回数据,返回格式可支持多种类型,如txt、xml、json格式等。非实时数据服务主要用于对大数据量的计算,如月度数据分析结果可在每月第一天的固定时间开始提供,已经计算分析好的历史月度数据可供随时访问。
                    单点登录:所有接入云平台的产品服务系统均实行统一单点登录。不同的业务系统可组合调用不同的服务,实现采集、存储、分析及应用程序一体化。
                三凡云平台实现将各种设备(无论是气体探测器、还是温度探测器,还是报警器)都接入到平台,实现源源不断的数据收集;通过收集各类数据及内部的机制来为用户和三凡提供互动和相应的解决方案,从而实现三凡和用户的双赢。通过监测数据为用户提供实时监测服务、数据分析服务,分析用户的使用习惯来改进平台服务、帮助用户解决问题,分析用户使用产品的情况、安全状态及各类数据来挖掘用户的潜在需求及服务,帮助三凡技术人员改进服务和产品,帮助三凡技术及销售人员为客户量身定做解决方案,从而解决用户的根本问题,为用户提供优质的服务和解决方案。管理人员可以通过云平台查看各类数据分析从而进行决策;开发人员可以在云平台上开发各类业务软件;维护人员可以在云平台上进行资源的维护;销售人员可以通过云平台预知用户的潜在需求;无论是政府、企业还是个人都可以使用电脑、手机或IPAD进入云平台来获取所需的业务服务。
            技术优势
                    与传统的平台相比,三凡云平台融合了传感技术、大数据技术MongoDB、Redis、Hadoop技术、集群技术、负载均衡技术,极大提高了平台的采集速度、数据处理计算能力、满足高并发采集,同时平台还具有较高的可靠性和可扩展性。
                    三凡云平台主要采用分布式的集群架构和面向服务的体系结构,增强了平台的可靠性和安全性,同时使平台易于扩展,为用户提供了最可靠、最安全的数据存储中心,用户不用担心数据丢失、病毒入侵等麻烦;云平台对用户端的设备要求最低,使用起来也最方便;云平台可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享;为我们使用网络提供了几乎无限多的可能。目前三凡云平台已投入使用并接入业务系统,经实际使用具有较高的可靠性,能支撑大数据量、高并发的传感采集、用户访问及数据分析计算。

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