基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控方法与系统与流程

本发明属于计算机和网络技术领域，涉及一种基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控方法与系统。

背景技术：

随着社会的发展和科技的进步，我国农业的发展也越来越快，然而，目前我国农业生产仍然面临以下问题：

1)生产者规模小，产品缺乏标准。以零散农户为个体生产单位居多，以公司为生产单位的少，生产规模偏小。带来的问题是，农业生产管理偏向个体化，往往是一个农户管理几亩农田或果园、菜地。管理没有统一的参考依据，采取管理措施不统一，产品难以标准化。成为产品走向大市场、出口国际的障碍。

2)劳动力短缺，传统管理模式难以为继。随着农村劳动力的减少，农村老百姓从事农业意愿降低，农业生产劳动力会持续短缺，依靠大量劳动力耕作、管理的传统农业模式难以为继。国家粮食安全是我国稳定发展第一要务，不可停止，不可减少。发展集约化管理的精准农业迫在眉睫。

3)农药施用过量，农药残留严重。对病虫害防治了解不够科学，农药施用的时机，施用的量没有科学依据。存在施用时机错误，施用频率过高，施用量过大的问题，造成产品农药残留超标，同时增加生产成本负担。

4)肥料施用过量，环境危害严重。对土壤的理化现状缺乏科学监测，对农作物的需肥量也缺乏精准把握，存在肥料施用过量，造成土壤板结问题和肥料淋溶污染地下水问题。

5)灌溉管理不节约，水资源浪费严重。对土壤含水量情况和相应的气温、光照、蒸腾等指标没有连续监测和分析，不能准确把握作物灌溉的时机和灌溉量，造成水资源浪费。

6)灾害抵御能力差，损失难以承受。农业生产者，特别是以散户为单位的农业生产者，不能及时掌握极端气候变化信息，承受冻害、涝害带来的严重后果，损失惨重。

面对上述问题，“互联网+农业”提供了很好的解决问题的出路。“互联网+农业”是充分利用移动互联网、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术与农业的跨界融合，创新基于互联网平台的现代农业新产品、新模式与新业态。以“互联网+农业”驱动，努力打造“信息支撑、管理协同，产出高效、产品安全，资源节约、环境友好”的我国现代农业发展升级版，对我国农业现代化的影响深远。

本发明作为互联网+农业的体现，提供了一种基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理与监控系统，其主要涉及以下几项技术：

1、大数据技术

大数据的概念最早是由著名未来学家阿尔文·托夫勒于1980年在《第三次浪潮》一书中提出的，将大数据称为“第三次浪潮的华彩乐章”。伴随着物联网、移动互联网和云计算等新技术的出现与发展，人们对“大数据”的认识与理解不断升华。2013年3月，IBM在其发布的白皮书《分析:大数据在现实世界中的应用》中进一步阐释了大数据的概念.指出大数据应当具备4个基本特征即“4V”理论:Volume(大量)、V ariety(多样)、Velocity(高速)和Veracity(真实性)。目前出现另一种类似的“4V”理论，前面的“3V”内容和IBM定义的相同，将Veracity(真实性)变成了V clue(价值)，将两者综合即可得出大数据的“5V”理论。

大数据技术，就是从各种类型的数据中快速获得有价值信息的技术。大数据领域已经涌现出了大量新的技术，它们成为大数据采集、存储、处理和呈现的有力武器。大数据关键技术一般包括：大数据采集、大数据预处理、大数据存储及管理、大数据分析及挖掘、大数据展现和应用(大数据检索、大数据可视化、大数据应用、大数据安全等)。

2、WSN物联网技术

WSN(无线传感器网络)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。而构成WSN网络的重要技术，zigbee技术以其低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的优势，逐渐被市场所接受。

3、云计算技术

云计算(Cloud Computing)是分布式计算(Distributed Computing)、并行计算(Parallel Computing)、效用计算(Utility Computing)、[5]网络存储(Network Storage Technologies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(Load Balance)、热备份冗余(High Available)等传统计算机和网络技术发展融合的产物。美国国家标准与技术研究院(NIST)给出的云计算定义是：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务)，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

4、电子数据保全技术

电子数据保全技术就是对电子数据形式(文字、图形、字母、数字、三维标志、颜色组合和声音以及上述要素组合等)存在的各类电子信息，进行运算、加密固定，载明保全生成标准时间、运算值、文档编号等，防止被人篡改，确保电子数据原始性和客观性，即对电子数据进行保全时所使用的技术。主要包括时间戳技术和电子签名技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控方法与系统，该方法和系统综合运用物联网、大数据、云计算和电子数据保全技术，对农业生态环境信息进行管理及监控，通过传感器和云计算平台等对农业生产过程实时监控、进行远程诊断和预警以及远程控制农业自动化设备完成相关作业，可以实现智慧农业生产。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控系统，该系统包括农业生态环境信息采集与传输模块、农业生态环境信息安全存储模块、农业生态环境信息分析应用模块和农业设施远程控制模块；

所述农业生态环境信息采集与传输模块用于对农业生产现场的各类环境信息数据进行采集，并将采集到的信息数据通过网络传输至农业生态环境信息安全存储模块；所述农业生态环境信息分析应用模块用于对接收到的农业生产现场的各类环境信息数据进行分析，以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息；所述农业设施远程控制模块用于实现对农业生产现场的设备远程控制，用户根据声光报警信息和短信报警信息，启动远程控制器，对灌溉、施肥及设施农业中的包括灯光、温控、通风设备在内的各类设备实现远程自动化管理。

进一步，所述农业生态环境信息采集与传输模块包括农业生产现场设置的各种传感器，所述传感器包括但不限于空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器；将采集到的包括温度、湿度、光照在内的环境数据传送至远程遥测终端(RTU)，远程遥测终端通过GPRS实现农业生态环境信息数据的网络传输。

进一步，所述农业生态环境信息安全存储模块对接收到的农业生产现场的各类环境信息数据进行存储，采用云计算中心的数据存储服务器，并利用时间戳服务中心的时间戳服务，实现农业生态环境信息的安全存储，以确保农业生态环境信息的有效利用。

本发明还提供了一种基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控方法，包括以下步骤：

S1：设置在农业生产现场的各类传感器定时采集生产现场的农业生态环境信息；

S2：远程遥测终端定时巡检收集缓存各类传感器采集的生态环境信息；

S3：远程遥测终端接收系统平台指令，上传缓存的信息，将生态环境信息存储在云计算中心的数据存储服务器；

S4：平台中的农业生态环境信息分析应用模块对存储的数据进行分析，并将分析结果以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息；

S5：用户根据声光报警信息和短信报警信息，启动远程控制器，对灌溉、施肥及设施农业中的包括灯光、温控、通风设备在内的各类设备实现远程自动化管理。

进一步，在步骤S3中，具体包括：

S31：农业生态环境信息管理监控平台通过网络接收远程遥测终端传送的农业生态环境信息数据后，生成相应的哈希值；

S32：将生成的哈希值上传至时间戳服务中心，时间戳服务中心生成时间戳证书返还给农业生态环境信息管理监控平台；

S33：农业生态环境信息管理监控平台将农业生态环境信息数据和相应的时间戳证书分类存入平台服务器，同时上传至云计算存储中心，实现农业生态环境信息的安全存储。

本发明的有益效果在于：本发明所述系统是自动监测(控)系统与管理系统的有机结合，参数数据库自动形成，且贯穿了作物生长的整个过程。这些数据经过挖掘研究，可以获得很多规律性资料，进而作更多的有益工作，如作物成熟期预测、培育环境优化等。系统将为生态学的研究提供先进的现代化手段。此系统可应用于各种环境参数的监测，如蔬菜、瓜果、花卉大棚、植物组培、鱼虾苗的培育养殖，具有广阔的应用前景。对实现工厂化高效农业，提高农业的现代化技术及管理水平将起巨大的推动作用；同时将在现代农业科研方面发挥作用。所述系统利用电子数据保全技术，可以确保农业生态环境信息的可靠性，确保农业生态环境信息的有效利用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明系统的整体架构图；

图2为系统功能模块图；

图3为系统信息流程图。

具体实施方式

本发明提供的系统是自动监测(控)系统与管理系统的有机结合，参数数据库自动形成，且贯穿了作物生长的整个过程。这些数据经过挖掘研究，可以获得很多规律性资料，进而作更多的有益工作，如作物成熟期预测、培育环境优化等。系统将为生态学的研究提供先进的现代化手段。此系统可应用于各种环境参数的监测，如蔬菜、瓜果、花卉大棚、植物组培、鱼虾苗的培育养殖，具有广阔的应用前景。对实现工厂化高效农业，提高农业的现代化技术及管理水平将起巨大的推动作用；同时将在现代农业科研方面发挥作用。所述系统利用电子数据保全技术，可以确保农业生态环境信息的可靠性，确保农业生态环境信息的有效利用

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明系统的整体架构图，图2为系统功能模块图；如图所示，本发明提供的基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控系统，该系统包括农业生态环境信息采集与传输模块、农业生态环境信息安全存储模块、农业生态环境信息分析应用模块和农业设施远程控制模块。

所述农业生态环境信息采集与传输模块用于对农业生产现场的各类环境信息数据进行采集，并将采集到的信息数据通过网络传输至农业生态环境信息安全存储模块；所述农业生态环境信息分析应用模块用于对接收到的农业生产现场的各类环境信息数据进行分析，以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息；所述农业设施远程控制模块用于实现对农业生产现场的设备远程控制，用户根据声光报警信息和短信报警信息，启动远程控制器，对灌溉、施肥及设施农业中的包括灯光、温控、通风设备在内的各类设备实现远程自动化管理。

所述农业生态环境信息采集与传输模块包括农业生产现场设置的各种传感器，所述传感器包括但不限于空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器；将采集到的包括温度、湿度、光照在内的环境数据传送至远程遥测终端(RTU)，远程遥测终端通过GPRS实现农业生态环境信息数据的网络传输。包括以下流程：1)农业生产现场安置的各种传感器在农业生产的不同阶段定时或不定时地采集土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分等农业生态环境信息；2)各种传感器把各自采集的信息通过WSN上传至远程遥测终端；3)远程遥测终端将收集到的模拟或者数字信号传送到农业生态环境信息管理监控平台。

所述农业生态环境信息安全存储模块对接收到的农业生产现场的各类环境信息数据进行存储，采用云计算中心的数据存储服务器，并利用时间戳服务中心的时间戳服务，实现农业生态环境信息的安全存储，以确保农业生态环境信息的有效利用；包括以下流程：1)农业生态环境信息管理监控平台通过网络接收远程遥测终端传送的农业生态环境信息数据后，生成相应的哈希值；2)将生成的哈希值上传至时间戳服务中心；时间戳服务中心生成时间戳证书返还给农业生态环境信息管理监控平台；3)农业生态环境信息管理监控平台将农业生态环境信息数据和相应的时间戳证书分类存入平台服务器，同时上传至云计算存储中心，实现农业生态环境信息的安全存储。

所述农业生态环境信息分析应用模块实现的功能包括：1)农业生态环境信息管理监控平台调用平台存储的数据，生成温度湿度光照度等环境参数动态变化曲线图，生成包含文字、数字、图表、报表的PDF或DOC形式的决策分析报告；2)用户查看环境参数动态变化曲线图，在线分析数据段的最大值、最小值、平均值，累计值，查询PDF或DOC形式的决策分析报告，进行农业生产管理决策。

所述农业设施远程控制模块实现的功能包括：1)远程遥测终端采集传感器生成的农业生态环境信息数据，当数据触及系统设定的报警监测指标时，通过声光和短信向用户发出警戒信息；2)用户收到警戒信号后登录系统平台进入农业设施远程控制系统；3)用户启动远程控制器发出指令，远程控制机井、灌溉阀门、加热器、加湿器、鼓风机、遮阳网、水产养殖增氧机等设施进行作业。

本发明还提供的基于物联网、大数据和云计算的农业生态环境信息管理及监控方法包括以下步骤：

S1：设置在农业生产现场的各类传感器定时采集生产现场的农业生态环境信息；

S2：远程遥测终端定时巡检收集缓存各类传感器采集的生态环境信息；

S3：远程遥测终端接收系统平台指令，上传缓存的信息，将生态环境信息存储在云计算中心的数据存储服务器；

S31：农业生态环境信息管理监控平台通过网络接收远程遥测终端传送的农业生态环境信息数据后，生成相应的哈希值；

S32：将生成的哈希值上传至时间戳服务中心，时间戳服务中心生成时间戳证书返还给农业生态环境信息管理监控平台；

S33：农业生态环境信息管理监控平台将农业生态环境信息数据和相应的时间戳证书分类存入平台服务器，同时上传至云计算存储中心，实现农业生态环境信息的安全存储。

S4：平台中的农业生态环境信息分析应用模块对存储的数据进行分析，并将分析结果以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息；

S5：用户根据声光报警信息和短信报警信息，启动远程控制器，对灌溉、施肥及设施农业中的包括灯光、温控、通风设备在内的各类设备实现远程自动化管理。图3为系统信息流程图。

下面从新用户的注册到如何使用系统平台提供的各种服务功能进行详细说明。

S1：用户注册，提交相关证明材料，填写相关用户资料，协商双方服务约定，由用户管理模块实现；用户可在必要时更新注册资料；如用户已注册也可直接进入S2；S2：用户登录，系统平台确认用户身份；S3：使用平台数据采集及传输服务功能，如用户需要暂停服务转S6，否则重复S3；S4：使用平台数据安全存储服务功能，如用户需要暂停服务转S6，否则重复S4；S5：使用平台数据分析应用服务功能，如用户需要暂停服务转S6，否则重复S5；S6：使用平台农业设施远程控制服务功能，如用户需要暂停服务转S6，否则重复S5；S7：退出服务。

S3所述之使用平台数据采集及传输服务功能，其步骤为，S31：用户登录系统平台；S32：用户通过平台启动远程遥测终端系统；S33：远程遥测终端系统上传其缓存的各类传感器采集的农业生态环境信息数据至平台；S34：服务结束，用户退出平台。

S4所述之使用平台数据安全存储服务功能，其步骤为，S41：用户登录系统平台；S42：平台通过网络接收远程遥测终端(远程终端控制系统)传送的农业生态环境信息数据后，生成相应的哈希值；S43将生成的哈希值上传至时间戳服务中心；时间戳服务中心生成时间戳证书返还给农业生态环境信息管理监控平台；S44农业生态环境信息管理监控平台将农业生态环境信息数据和相应的时间戳证书分类存入平台服务器，同时上传至云计算存储中心存储；S45：作业结束，用户退出平台。

S5所述之使用平台数据分析应用服务功能，其步骤为，S51：用户登录系统平台；S52：调用平台存储的数据，生成温度湿度光照度等环境参数动态变化曲线图，生成包含文字、数字、图表、报表的PDF或DOC形式的决策分析报告；S53：用户查看环境参数动态变化曲线图，在线分析数据段的最大值、最小值、平均值，累计值，查询PDF或DOC形式的决策分析报告，进行农业生产管理决策；S54：作业结束，用户退出平台。

S6所述之使用平台农业设施远程控制服务功能，其步骤为，S61：平台分析采集的农业生态环境信息数据，当数据触及平台设定的报警监测指标时，通过声光和短信向用户发出警戒信息；S62：用户登录系统平台进入农业设施远程控制系统；S63用户启动远程控制器发出指令，远程控制机井、灌溉阀门、加热器、加湿器、鼓风机、遮阳网、水产养殖增氧机等设施进行作业；S64：作业结束，用户退出平台。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。