基于物联网技术下的智慧农业信息采集系统的设计与实现

基于物联网技术下的智慧农业信息采集系统的设计与实现

何佳豪1汪嘉祺1陈鑫鑫2

1.广东亚视演艺职业学院  广东肇庆 526600 

2.江西农业大学经济管理学院  江西南昌  330045

摘要： 作为全球农业领域的关键参与者，中国拥有丰富的农业资源和多样化的作物种类，其农业生产活动广泛分布在辽阔的国土之上。尽管如此，农业生产的地理分布特点使得其在信息获取和传输方面面临诸多挑战，尤其是在交通不便、网络基础设施不完善的农村地区。这种信息传递的滞后性，严重制约了农户对作物生长状况的实时监控和科学管理，进而影响了农业生产的整体效率和作物品质。在信息技术迅猛发展的今天，智慧农业作为一种新兴的农业模式，为解决上述问题提供了新的解决方案。特别是基于物联网技术构建的智慧农业信息采集系统，不仅在理论上被提出，更在实践中得到了广泛应用。该系统通过高效的数据采集和处理机制，能够实现对作物生长状况的实时监测，为农户提供精确的农业数据支持。这不仅有助于农户及时调整农业管理策略，提升作物生产效率，还能有效保障作物的产量和品质。

关键词： 物联网技术；农业信息；智慧系统；系统设计

作者简介：何佳豪（2000-）；男，本科，江西新余人；广东亚视演艺职业学院教师；研究方向：互联网系统开发。汪嘉祺（1999-），女，本科，江西上饶人，广东亚视演艺职业学院教师，研究方向：计算机应用和数据挖掘。陈鑫鑫（1999-），男，江西赣州人，江西农业大学经济管理学院硕士，研究方向：智慧农业。

0.引言

近年来，我国农业部门积极推动智慧农业的创新与发展，旨在通过技术革新降低人力成本，提升生产效率，实现传统农业向现代农业的转型。智慧农业的发展依赖于信息技术的深度融合，通过物联网、智能传感器、3S技术、遥感等先进手段，实现对农产品的全面监控与信息管理。这些技术的应用不仅优化了农业生产流程，还显著提升了农业信息化水平。智慧农业信息采集涵盖了从作物生长环境到农产品加工、储存、检验等各个环节，通过自动化、智能化的采集方法，如RFID、GPS、遥感技术等，收集并分析关键数据，为农业决策提供科学依据[1]。本文着重探讨基于Java Web技术构建的智慧农业信息采集系统，旨在为智慧农业的实施提供技术支撑和实践参考。

 1.信息采集系统的基本概述

在现代农业领域，智慧农业信息采集系统扮演着至关重要的角色，其设计目的在于精确监测并记录农作物生长过程中的关键环境参数。这些参数包括但不限于温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、水质指标以及土壤的物理和化学特性。通过这些数据的实时监测，可以实现对农业生产过程的精准管理，从而优化作物生长条件，提高农业生产的效率和质量。该系统的设计策略着重于以下几个方面：

便携性：系统应具备高度的移动性，使得农户能够在田间地头方便地进行监测活动。多媒体记录功能：通过录音、拍照或视频等手段，系统能够捕捉农作物生长的原始数据，为后续分析提供直观的参考。快速数据读取技术：系统应采用高效的扫描技术，快速识别并读取关键的环境参数，确保数据采集的实时性和准确性。经济性：在设计过程中，应充分考虑成本效益，确保系统在满足技术需求的同时，具有较高的性价比。移动应用支持：开发相应的移动应用程序，使得农户能够通过智能手机等移动设备实现对农作物生长状况的远程监控和管理。GPS定位功能：集成GPS技术，实现对农作物位置的精确定位，以及生长路径的自动记录[2]，为农业生产的地理信息系统提供支持。

通过这些技术的有机结合，智慧农业信息采集系统不仅提升了农业生产的智能化水平，也为农业科研提供了丰富的数据支持，推动了现代农业向精准农业的转型。这种系统的实施，对于提高农业生产的可持续性、减少资源浪费、提升作物产量和品质具有重要的意义。

2 物联网技术的基本概述

物联网（Internet of Things, IoT）技术，作为当代信息技术领域的一次重大革新，通过整合传感器、机器、软件和通信技术，实现了物理世界与虚拟网络的无缝连接。其基本架构可划分为感知层、网络层、平台层及应用层。感知层主要负责通过传感器、RFID标签、摄像头等设备收集物理世界的数据；网络层则通过无线网络、移动通信网络、卫星通信等技术将这些数据传输至处理中心；平台层利用云计算和大数据技术对海量数据进行存储、分析和处理；应用层则根据不同需求开发出智能家居、智能农业、智慧城市、工业自动化等多样化智能应用。物联网技术的应用范围广泛，涵盖了从个人生活到工业制造，从环境监测到健康医疗等多个领域。其智能化和自动化的特性，极大地提升了生产效率，改善了生活质量，并推动了社会经济的持续发展。随着技术的不断演进，物联网技术正逐步扩展其在各行业和领域的应用，展现出广阔的发展前景和深远的影响力。结合Java Web技术，可以构建出功能全面的智慧农业信息采集系统。该系统基于超文本传输协议（HTTP）和超文本标记语言（HTML），不仅实现了信息的全球性动态交互，还通过其设计特点——如用户界面的简洁性、数据传输的安全性、系统的动态响应性、高效的处理性能以及强大的多线程处理能力——为智慧农业的实施提供了强有力的技术支持

[3]。物联网技术下的智慧农业信息采集系统的设计，显著提升了农业数据采集的效率和数据处理的安全性，为现代农业的智能化、精准化发展奠定了坚实的技术基础。这种系统的设计和实现，对于推动智慧农业的科学研究和实际应用具有重要的理论和实践意义[4]。

3.系统的设计

智慧农业的实施对信息采集的精度和效率提出了较高要求。为此，智慧农业信息采集系统在设计时必须集成多种关键功能，以确保其能够满足高标准的农业管理需求。以下是系统设计中应考虑的主要功能：

核心数据监测：系统应能够实时监测并记录农作物生长的基本环境参数，如温度、空气湿度、土壤湿度等，同时还需配备雨水和人体红外传感器，以及异常状态的报警机制[5]。

远程操作能力：系统不仅需要收集传感器数据，还应支持远程控制功能，使得管理人员能够通过互联网远程调整农业设备的设置，优化作物生长条件。

实时报警机制：系统应具备实时监控功能，一旦发现异常状态，能够立即通过控制信号灯等方式发出警报，确保及时响应可能的农业风险。

移动应用集成：系统应开发相应的移动应用程序，使相关人员能够通过智能手机等移动设备方便地访问历史数据和实时数据，并执行远程控制操作。

智慧农业信息采集系统的设计，集成了一系列关键技术功能，旨在为农业生产提供全面且高效的数据支持，进而促进农业生产流程的智能化与自动化。系统架构采用了模块化设计理念，由客户端、服务器、网关与节点、传感器四个主要模块组成。客户端作为Java Web应用，为用户提供了直观的用户界面和交互机制；服务器端承担数据处理的核心任务，并通过TCP协议实现与智云数据中心及网关的信息交互；网关模块，包含网关智云服务和无线汇集节点，负责数据的中继传输至无线终端节点；传感器节点则执行实时数据采集任务，监测农作物生长环境中的关键指标，包括气象站的降水量、风速、风向、空气湿度，以及土壤的温度、水分和pH值等[5-6]。这一模块架构不仅优化了数据处理的效率和精确度，也提升了系统的适应性和扩展性，为智慧农业的深入实施提供了坚实的技术平台。

图1系统整体结构

如图1所示，智慧农业信息采集系统采用Java Web技术构建，其传感器底层驱动机制主要涵盖气象监测和土壤分析两大领域。在数据传输流程中，无线节点承担着从传感器中读取数据的关键任务，并通过无线网络将这些数据进行有效整合。系统随后利用智慧云服务将整合后的数据传输至远程智云数据中心或本地局域网[7]。数据一旦到达数据中心，智云服务程序便负责将这些数据上传至无线节点，并将其存储于数据库中[8]。当系统与客户端建立连接后，便能够实现对数据的实时查询和控制，确保了信息的即时性和操作的便捷性。这种设计策略不仅优化了数据传输的效率，也提升了系统的交互性和响应性，为智慧农业的实施提供了强有力的技术支撑[9]。

在智慧农业信息采集系统的构建中，设计原理被划分为两个核心层面：应用层和服务层。以蔬菜种植大棚为例（见图2）：应用层主要负责实现环境监测、设备控制、统计分析、自动报警和图表显示等功能，以提供直观、实时的农业数据和操作界面。服务层则涵盖统一门户、门户管理、数据分析挖掘、环境信息接入、数据网关接入、系统应用管理、环境信息比对、任务调度和系统终端管理等关键服务，确保系统的高效运行和数据的深度利用。这种分层设计不仅提升了系统的功能性和灵活性，也加强了数据处理和用户交互的能力，为智慧农业的实施提供了坚实的技术基础[10]。

智慧农业的自动化控制功能：利用先进的远程工业自动化技术，允许用户通过互联网远程管理温室内的设施。系统能够根据环境参数的变化，如土壤湿度，自动触发灌溉等操作。用户可以通过移动设备，不受地点限制，随时对温室内的设备进行操作和管理。这种智能化的控制方式不仅提高了农业生产的效率，也为用户提供了极大的便利性。

通过无线视频监控云平台，温室监控系统能够实现远程监视、视频数据的实时采集、历史录像的回放以及智能维护等功能。此外，该平台还支持智能设备的数据传输，强化了农业设施的监控和管理能力。

系统采用直观的可视化界面，使得设备运行状态一目了然，用户可以轻松地识别并操作相关设备，从而实现高效便捷地管理。通过这一平台，用户不仅可以全面获取温室监控的各项数据，还能直观地查看环境状况，显著提升了操作的直观性和管理的灵活性。这种设计使得农业管理更加直观和用户友好，增强了系统的实用性和易用性。

在智慧农业领域，土壤信息采集的精确性至关重要。为此，关键硬件设备如土壤参数速测仪、综合土壤传感器、智壤仪和土壤氨磷钾传感器，被设计用于快速检测土壤的关键物理和化学特性，包括水分、温度、电导率（EC）、氮磷钾含量和pH值。这些设备不仅提升了数据采集的效率，还支持远程数据访问，增强了系统的灵活性和可操作性。智慧温室系统进一步集成了智慧气象站、水肥一体化设备、自动化执行装置、数据采集设备、小型气象站、百叶箱、太阳辐射测试仪、风机、卷帘、水阀和增温设备等，形成了一个全面的监控和管理系统。这些自动化工具不仅提高了温室管理的智能化水平，也为作物生长提供了精确的环境控制。智慧灌溉系统的核心组件，如主控阀、压力传感器、水流量计、阀门控制器和电磁阀，配合手机应用程序，实现了灌溉过程的实时数据采集、监控和控制。这种集成化的解决方案，确保了灌溉管理的精确性和及时性

[11]。

此外，气象温度湿度传感器、环境监测设备和气象传感器等辅助设备，进一步增强了智慧农业信息采集软件系统的功能[12-13]。这些设备为农作物生长过程中的数据采集和监测提供了强有力的支持，使得农业生产过程更加科学、高效[14]。整体而言，这种硬件与软件的集成化解决方案，为现代农业提供了全面而高效的技术支持，推动了农业管理的智能化和自动化[15]。

图2 种植大棚系统图

4.结语

综上所述，基于物联网技术构建的智慧农业信息采集系统，通过集成自动化控制与实时监测功能，显著提高了农作物生产效率与品质。系统在环境感知方面，具备对土壤温度、湿度、pH值及氮磷钾含量等关键参数的持续收集与监测能力；在气象信息采集方面，系统能够捕获并记录风速、风向、降雨量和蒸发量等气象数据，并提供用户定制化参数设置的功能。在作物生长监测领域，系统能够对作物在不同生长阶段的生理状态、生长速率和形态特征进行动态监测，实现趋势分析和数据采集。同时，系统运用现代光电技术、数控技术、无线传输技术及互联网技术，对病虫害发生情况进行统计分析，构建起一套病虫害预警系统。智能灌溉系统则通过数据采集与自动化分析，实现对灌溉设备的智能化控制，包括但不限于定时灌溉、定量灌溉和排水等操作。这种高度集成的系统设计，不仅优化了农业资源的配置与利用效率，而且为农业生产提供了科学的数据分析和决策支持，为农业的智能化和精准化发展提供了强有力的技术推动。

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