基于物联网的农机信息化平台设计与研发

1 研究背景

随着我国经济发展和城市化水平的提高，农村劳动力转移使得农村的劳动力减少，劳动成本增加[1-2]，对农业作业效率有了更高的要求。同时我国农机工业已进入新常态发展阶段，大量中小农机企业所生产的农机产品集中在中低端层次，利润不高，同质化严重，企业生存压力增大，面临转型升级。2015年5月，国务院发布了第一个制造强国战略的十年行动纲领《中国制造2025》，明确农机装备为重点发展领域，要求“提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力，推进形成面向农业生产的信息化整体解决方案”。综合以上因素，研发面向农机企业尤其是中小农机企业的农机产品研发、信息监控分析的农机信息物联网管理系统显得非常有必要。

我国和欧美日等发达国家近年来相继开展了农业领域内的各类物联网应用研究，在农业资源利用、环境保护、精细化管理等领域都进行了不断地探索，推动了农业物联网不断地向前发展[3-4]。美国夏威夷州通过建立先进的农业灌溉系统来解决当地水资源短缺的问题，该系统通过接受卫星信息实现对降雨的预测，采用物联网、大数据技术对水资源进行合理分配和输送，成功对岛内水资源完成了合理利用，促进了当地农业发展[5]。我国也在不断地建立更加全面的农业物联覆盖网络，在各地建立的墒情监测系统利用遥感、地理信息等技术，已经在贵州、辽宁、江苏等地推广使用，实现了对土地资源和空间分配的数据收集，为农业规划和决策提供了科学依据[6-7]。在农业生产精细化领域，美国采用感应病虫害指挥无人机喷洒农药，提高病虫害精准防御[8]。日本由日立等大型公司牵头研发的农业物联网技术，大力开展农业物联网设备研制，其中在智能大棚集成物联网技术，农户可在各个大棚之间架设无线网络，并借助土壤、光照、和各种传感器件、检测探头实现数据融合监控，作出报警、预测和决策指导[9]。

本文尝试研究开发针对农业机械生产研发企业和农业机械科研院所机构为主要用户的农机信息管理的信息系统平台，规划系统总体架构和系统数据库，设计WEB端和移动端用户界面，实现农机企业信息管理、新产品研发信息、农机作业信息和农田环境信息采集实时监控等模块功能，为后期实现“互联网＋”农机落地以及大数据分析应用提供基础。最终实现面向企业级用户的云系统，为企业机构的农机生产研发提供管理和信息支持。

2 总体结构设计

本文研究的农机信息化平台采用B/S架构，采用Web和移动设备进行交互，将传统孤立的农业机械设备转变为以农业物联为载体的农业信息网络，利用安装在农机上的自主研发的农机智能终端传感模块，将农机的运行状态指标和农田环境数据传输到云中心，对数据进行验证处理之后反馈到应用层，实现统计分析和可视化。

由农业物联网的全面感知、实时传输、数据存储分析和多层面展示的特点，参考工业物联网的体系结构，结合农业行业实际，本文将拟实现的农机物联网划分为信息感知层、网络传输层和处理应用层三层架构[10]，如图1所示。

图1 农业物联网体系结构

“互联网+”农机系统基本架构，如图2所示。包括农机智能管控终端（如旋耕机、播种机等农机具）、农机信息平台服务器集群（包括数据中心和应用服务器）和Web+手机客户端展现层三部分。

每个农机智能终端在生产制造之后都会在系统录入其生产编号和配置信息，之后即可安装在相应农机装备上，实时监测农机设备的运行状态和农田环境指标，通过无线4G网络传输到远程服务器上，服务器对传输数据进行过滤处理之后，存储到数据库中，同时后台开发相应的Web Service API接口供外部第三方使用，展现层（Web浏览器或手机客户端）也可通过相应接口实现数据的调用，从而以图表、数据、曲线等可视化方式展现给用户，供用户和第三方使用。

图2 “互联网+”农机系统基本物理架构

根据系统功能和设计需求，对系统的实体和结构做了详细分析，针对不同的功能模块，采用相对独立的数据库设计，严格遵守三大范式原则，以下给出农机信息相关的主要数据库表的结构设计和E-R图，其中农机信息包括农机的基本信息、研发历史信息、机型、监测信息、农机用户对照权限数据表等，主要表结构设计和E-R图（限于篇幅图中字段只保留了外键相关的字段），如图3所示。

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