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农业物联网是基于农业大数据的新型智慧农业模式，近年来，受到各级党委政府的高度重视并密集出台了各种相关支持政策和规划意见，被广泛应用于农业生产和农业科研当中，取得了良好成效。受中国农业科学院深圳农业基因组研究所委托，北京航天华阳环境工程有限公司（以下简称“航天华阳”）在该所深圳试验基地农场内建立1个物联网系统管理平台，对基地内的实验材料的光、温、水、肥、气等生长环境因素进行实时监控，按照检测数据智能辅助拟定栽培管理措施，并实现远程智能控制，提升基地智能化管理水平，提高工作效率，降低人力成本。通过水肥一体机的应用，提高基地灌溉与施肥的智能化水平，降低日常运营人力成本。该物联网工程主要包括新建控制中心，改造农场原有17座温室非物联网控制柜以满足物联网要求，为每座温室新增视频监控系统、“7合1”无线传感器智能型户外气象站以及水肥一体化系统。
项目采用的关键技术
为确保工程建设成功与可持续发展，应用系统建设结构、数据模型结构、数据存储结构以及系统扩展规划。
无线传感器网络技术
该项目改造的温室内采用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术，WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Ad-Hoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送给需要这些信息的用户。WSN解决了该项目由于所改造的温室数量多且部分温室面积大，设置传统有线传感器时带来的布线繁多、外观不美观、数据结构繁杂等弊病。
大规模无线传感自组网络的性能与能耗提升技术
传输的稳定性是无线传感器网络的最大技术问题。无线传感器网络是由大量的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。由于其部署方便、维护简单，因此被广泛应用于设施农业生产环境在线监测。该项目成果在网络路由算法优化、拥塞控制等方面开展大量研究，通过对网络拥塞检测、基于时分复用的数据传输机制、节点部署策略以及数据融合算法等内容的研究，减少由于数据碰撞、网络拥塞引起的数据丢失和网络瘫痪，提高网络服务质量，减少数据丢包率和传输时延，能确保传输稳定性在98%以上，传输响应在1 s以内。
采用B/S的三层体系架构，全面基于.Net技术一体化框架
采用三层、多层的体系架构，分层、模块化设计，搭建企业级的业务运行支撑框架，以此为纽带，通过业务总线和数据总线，集成众多专业系统，以B/S为主，能整合集成移动终端跨平台应用。
系统采用总线架构，总体结构的核心部分采用的.Net技术路线，严格按照.Net技术规范进行设计，.Net技术框架全面支持交互式网络应用、多媒体应用、XML、组件技术和移动跨终端应用。系统结构分为3层，分别为表示服务层、业务逻輯层、数据集成层。
Web Service技术
该项目采用Web Service技术，在Web Service的体系架构中有3个角色：服务发布者（Service provider）、服务请求者（Service requester）、服务注册中心（Service register）。服务发布者在这里发布服务，服务请求者在这里查找服务，获取服务的绑定信息，3个角色之间的关系如图1所示。
Web Service规范了体系中的各种关键技术，包括服务描述、发布、发现以及消息传输等，参考模型如图1所示。
地理信息系统（GIS）技术
项目在计算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据。地理信息系统在农业资源领域中的应用主要体现在4个方面：①作为农业资源调查的工具，建立了农业资源地理数据库，实现空间数据库的浏览、检索等，利用GIS绘制农业资源分布图并生成正规的报表;②作为农业资源分析的工具，GIS技术已不限于制图和空间数据库的简单查询，而是以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和重新导出新的信息，产生专题地图和进行地图数据的叠加分析等;③作为农业生产管理的工具，主要是建立了各种模型和拟订各种决策方案，直接用于农业生产;④作为农业管理的辅助决策工具，利用了GIS的模型功能和空间动态分析以及预测能力，并与专家系统、决策支持系统及其它的现代技术（如RS和GPS）有机结合，便于中国农业生产的管理和辅助决策。
数字农业综合管理平台及农业
物联网建设
在综合运用关键技术的基础上首先完成了数字农业综合管理平台及农业物联网建设。数字农业综合管理平台及农业物联网运用先进的互联网技术、物联网技术、地理信息系统技术等先进技术，整合了监测系统、智能化（水肥）控制系统、农业标准化管理系统、视频监控系统等多个应用系统，解决了智慧农业云平台的多平台问题，无需多系统切换，即可在一个平台上对生产基地的生产情况、人员和农产品进行监控和管理。同时，应用云计算技术，使用户不需要购买数据中心设备，不仅节省了大量的系统设备购置成本，而且大大降低了未来的维护成本。
总体框架设计
项目数字农业综合管理平台框架分为基础层、传输层、数据层、服务层、应用层、用户层（图2）。
基础层主要包括网络系统、主机、存储系统、安全系统、配套的软件等，建议采用阿里云部署。网络系统通过防火墙配置实现逻辑隔离。
传输层主要包括农情监测终端、网络传输终端、无线控制柜、无线灌溉控制器、高清摄像头、无线LED显示屏等终端设备，终端设备利用无线传感网本协议、大规模路由算法等算法协议、相互通信的应用进程等进行逻辑通信。
数据层主要由数据库组成，其中结构化数据库主要包括基础数据库、农情环境数据库、基地管理数据库、生产过程数据库、专家知识数据库、决策预警数据库及其它信息资源库等。非结构数据库主要是由一些文件型的数据构成。信息资源库主要是应用系统的数据库，它是业务应用信息系统的组成部分和数据中心的基础。 服务层主要包括应用策略模型 （农产品生产模型、决策预警策略）和中间件（应用服务、数据库访问、移动应用、短信服务）。通过建设应用服务层，实现界面集成、应用集成、数据集成及流程集成，通过4个集成来达到平台所有系统的集成效果。
应用层主要包括数字农业综合信息管理云平台、农业物联网监控系统、园区综合运营管理系统、农产品安全溯源系统、农产品电商网站、控制中心6大核心业务应用系统和数据中心。
用户层主要是公众消费者、基地管理人员、生产人员和后台管理人员在各系统中的权限和可浏览内容等。
分项设计
◆田间数据分析系统
为保障系统的先进性、稳定性和适应未来农业现代化的发展需求，云平台系统设计以.NET Framework 4.0为基础构建服务平台，服务平台支持主流公有云及私有云平台部署，以JSON数据格式传输，支持Socket、HTTP通讯协议，以JQuery构建Web前端，以Html5、iOS和Android构建移动应用终端，采用中间层高性能分布式部署，支持HTTP及HTTPS协议数据访问，支持服务接口令牌Token安全审计和校验，支持核心数据MD5加密。
云平台实现了覆盖种植全过程的环境监测、视频监控、远程控制和决策预警，为生产管理提供全方位、一体化的综合性管理服务。根据实际应用需求及管理便捷性要求，云平台的功能可细分为：数字农业指挥中心、物联网监测中心、远程控制中心、多媒体监控中心、数据中心、物联网配置管理、系统设置等8大模块。云平台操作界面见图3。
◆物联网监测中心
物联网监测中心是以农情环境监测设备（传感器、监测终端、传输终端）部署为基础，在各类种植区域内部署多个监测点，对多项重要的环境要素进行监测。数据通过物联网系统上传至云服务器后实现数据的云共享，管理者打开云平台即可实时获取相应数据，并通过云平台的数据计算和应用能力，对数据进行进一步的更具实用性的分析、对比，获取更多、更全、更實用的可以帮助农企、农户种植进一步优化的可靠数据，满足实时查看、统计分析、数据列表的功能需求。
◆远程控制中心
以设施农业控制终端、无线灌溉控制器等控制设备的实际投入使用为基础，为数字农业综合信息管理云平台搭建远程控制中心，实现了对农业生产设备的远程、智能控制。
远程控制中心在农业种植的应用上，主要以控制灌溉电磁阀系统;在工厂化育苗的应用上，主要是对补光灯、灌溉器、排风系统的控制;为用户搭建无线的远程现场，实时、定时操控设备运作、自动化运作。
◆多媒体监控中心
通过在林木种植区域、花卉园艺种植、蔬菜种植主要的出入口、主要产出区、采摘分拣区等重要区域部署高清视频监控系统，对区域进行实时的视频监控和图片采集。
视频监控系统可实时监控区域内环境、人员、活动、作物生长状况等，确保区域内安全有序、作物生长正常，辅助企业进行生产管理，建立起完善的标准化生产、作业规范，提升生产管理效益。视频还可以通过电商平台向公众展出，接受公众监督，提升产品质量的公信力。
◆预警与消息中心
预警中心是为农业种植个性化预警而开发的子系统，可以有效应对生产环境的多样性、复杂性并对数字农业综合信息管理云平台提出各项环境要素指标需求的差异性。系统的搭建依旧是以农业生产指导大数据为基准。系统会给出该作物在各个生长阶段的各项环境要素指标参考值（最大值、最小值、最适值，使用一键设置功能即可调用此类数据），管理者可根据生产环境的实际需求对某些指标进行修改。通过预警及预警信息记录提升生产管理数字化指导的精确度并保证了系统的实际应用价值。
消息中心详细记录云平台向用户发送的各类消息，包括系统通知、监控报警、技术提醒和智能日报，在相应区域和相应的消息内，查看完整消息内容，并根据内容的提醒进行设备操作、生产作业等。
◆标准化生产管理
标准化生产管理涉及种植生产与管理的各个环节，要求全程安排专业技术人员进行统一指导，基地采用标准化统一管理，统一供苗、统一开展农事操作、统一水肥一体化管理、统一智能灌溉。数字农业综合信息管理云平台提供全过程的过程记录、跟踪管理，可以根据农情信息的持续监测来自动控制水肥一体化设施和灌溉设施，可根据农产品的生长监测结果来不断优化农产品生产模型与种植措施，从而达到增产增效的目标。
◆知识库数据中心
知识库数据中心由生产手册、市场动态、农业资讯、投入品、病虫害等5大部分组成，提供作物由种子—种植生产—销售的完整的科学指导。
通过生产手册管理人员可依据形态特征、生育周期、环境要求、栽培技术等进行科学种植和养护。但果树出现某些病虫害之后，可根据某些特点在生产手册寻求合理可依的解决方案。
市场动态数据将收集各类农作物精确到各省、各市、各大批发市场的实时批发价格，辅助企业进行采摘时段的选择，有效提升企业综合收益。
农业资讯实时汇集当下重要农业资讯，定时推送给用户;管理者不出门便知天下农业事，管理更加得心应手。
投入品数据为管理者提供生物、化学、农业设施设备等农业生产投入品的详细介绍和使用说明，帮助管理者精确使用药物，减少不必要的投入，节约成本;有效降低农药残余，提升产品质量。
病虫害管控系统极为详细地列明了各种作物所有可能需要防范的病虫害及其防治方式。管理者可根据叶片特征、果实特征，寻找到与之相符的病虫害，对症下药。
◆手机客户端
手机客户端提供在线数据实时查看、远程智能控制、远程视频查看、生产管理等功能，同时用户可在手机客户端上查询农情农技信息，满足客户进行远程移动式监管、办公的需要。
◆开放接口
云平台提供了基于Web Service的标准接口，可以用于用户授权接口、获取监测终端数据、获取控制终端数据、获取控制设备信息、控制设备、查询设备状态等。平台API基于面对资源框架的RESTful Web API开发，极大提高了访问的速度和稳定性，并简化了二次开发的难度。HTTPS协议进行数据传输，保证了数据传输过程的安全系数。接口以统一返回码作为接口的标准结果，统一采用utf-8编码方式。
项目采用的关键技术
为确保工程建设成功与可持续发展，应用系统建设结构、数据模型结构、数据存储结构以及系统扩展规划。
无线传感器网络技术
该项目改造的温室内采用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术，WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Ad-Hoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送给需要这些信息的用户。WSN解决了该项目由于所改造的温室数量多且部分温室面积大，设置传统有线传感器时带来的布线繁多、外观不美观、数据结构繁杂等弊病。
大规模无线传感自组网络的性能与能耗提升技术
传输的稳定性是无线传感器网络的最大技术问题。无线传感器网络是由大量的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。由于其部署方便、维护简单，因此被广泛应用于设施农业生产环境在线监测。该项目成果在网络路由算法优化、拥塞控制等方面开展大量研究，通过对网络拥塞检测、基于时分复用的数据传输机制、节点部署策略以及数据融合算法等内容的研究，减少由于数据碰撞、网络拥塞引起的数据丢失和网络瘫痪，提高网络服务质量，减少数据丢包率和传输时延，能确保传输稳定性在98%以上，传输响应在1 s以内。
采用B/S的三层体系架构，全面基于.Net技术一体化框架
采用三层、多层的体系架构，分层、模块化设计，搭建企业级的业务运行支撑框架，以此为纽带，通过业务总线和数据总线，集成众多专业系统，以B/S为主，能整合集成移动终端跨平台应用。
系统采用总线架构，总体结构的核心部分采用的.Net技术路线，严格按照.Net技术规范进行设计，.Net技术框架全面支持交互式网络应用、多媒体应用、XML、组件技术和移动跨终端应用。系统结构分为3层，分别为表示服务层、业务逻輯层、数据集成层。
Web Service技术
该项目采用Web Service技术，在Web Service的体系架构中有3个角色：服务发布者（Service provider）、服务请求者（Service requester）、服务注册中心（Service register）。服务发布者在这里发布服务，服务请求者在这里查找服务，获取服务的绑定信息，3个角色之间的关系如图1所示。
Web Service规范了体系中的各种关键技术，包括服务描述、发布、发现以及消息传输等，参考模型如图1所示。
地理信息系统（GIS）技术
项目在计算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据。地理信息系统在农业资源领域中的应用主要体现在4个方面：①作为农业资源调查的工具，建立了农业资源地理数据库，实现空间数据库的浏览、检索等，利用GIS绘制农业资源分布图并生成正规的报表;②作为农业资源分析的工具，GIS技术已不限于制图和空间数据库的简单查询，而是以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和重新导出新的信息，产生专题地图和进行地图数据的叠加分析等;③作为农业生产管理的工具，主要是建立了各种模型和拟订各种决策方案，直接用于农业生产;④作为农业管理的辅助决策工具，利用了GIS的模型功能和空间动态分析以及预测能力，并与专家系统、决策支持系统及其它的现代技术（如RS和GPS）有机结合，便于中国农业生产的管理和辅助决策。
数字农业综合管理平台及农业
物联网建设
在综合运用关键技术的基础上首先完成了数字农业综合管理平台及农业物联网建设。数字农业综合管理平台及农业物联网运用先进的互联网技术、物联网技术、地理信息系统技术等先进技术，整合了监测系统、智能化（水肥）控制系统、农业标准化管理系统、视频监控系统等多个应用系统，解决了智慧农业云平台的多平台问题，无需多系统切换，即可在一个平台上对生产基地的生产情况、人员和农产品进行监控和管理。同时，应用云计算技术，使用户不需要购买数据中心设备，不仅节省了大量的系统设备购置成本，而且大大降低了未来的维护成本。
总体框架设计
项目数字农业综合管理平台框架分为基础层、传输层、数据层、服务层、应用层、用户层（图2）。
基础层主要包括网络系统、主机、存储系统、安全系统、配套的软件等，建议采用阿里云部署。网络系统通过防火墙配置实现逻辑隔离。
传输层主要包括农情监测终端、网络传输终端、无线控制柜、无线灌溉控制器、高清摄像头、无线LED显示屏等终端设备，终端设备利用无线传感网本协议、大规模路由算法等算法协议、相互通信的应用进程等进行逻辑通信。
数据层主要由数据库组成，其中结构化数据库主要包括基础数据库、农情环境数据库、基地管理数据库、生产过程数据库、专家知识数据库、决策预警数据库及其它信息资源库等。非结构数据库主要是由一些文件型的数据构成。信息资源库主要是应用系统的数据库，它是业务应用信息系统的组成部分和数据中心的基础。 服务层主要包括应用策略模型 （农产品生产模型、决策预警策略）和中间件（应用服务、数据库访问、移动应用、短信服务）。通过建设应用服务层，实现界面集成、应用集成、数据集成及流程集成，通过4个集成来达到平台所有系统的集成效果。
应用层主要包括数字农业综合信息管理云平台、农业物联网监控系统、园区综合运营管理系统、农产品安全溯源系统、农产品电商网站、控制中心6大核心业务应用系统和数据中心。
用户层主要是公众消费者、基地管理人员、生产人员和后台管理人员在各系统中的权限和可浏览内容等。
分项设计
◆田间数据分析系统
为保障系统的先进性、稳定性和适应未来农业现代化的发展需求，云平台系统设计以.NET Framework 4.0为基础构建服务平台，服务平台支持主流公有云及私有云平台部署，以JSON数据格式传输，支持Socket、HTTP通讯协议，以JQuery构建Web前端，以Html5、iOS和Android构建移动应用终端，采用中间层高性能分布式部署，支持HTTP及HTTPS协议数据访问，支持服务接口令牌Token安全审计和校验，支持核心数据MD5加密。
云平台实现了覆盖种植全过程的环境监测、视频监控、远程控制和决策预警，为生产管理提供全方位、一体化的综合性管理服务。根据实际应用需求及管理便捷性要求，云平台的功能可细分为：数字农业指挥中心、物联网监测中心、远程控制中心、多媒体监控中心、数据中心、物联网配置管理、系统设置等8大模块。云平台操作界面见图3。
◆物联网监测中心
物联网监测中心是以农情环境监测设备（传感器、监测终端、传输终端）部署为基础，在各类种植区域内部署多个监测点，对多项重要的环境要素进行监测。数据通过物联网系统上传至云服务器后实现数据的云共享，管理者打开云平台即可实时获取相应数据，并通过云平台的数据计算和应用能力，对数据进行进一步的更具实用性的分析、对比，获取更多、更全、更實用的可以帮助农企、农户种植进一步优化的可靠数据，满足实时查看、统计分析、数据列表的功能需求。
◆远程控制中心
以设施农业控制终端、无线灌溉控制器等控制设备的实际投入使用为基础，为数字农业综合信息管理云平台搭建远程控制中心，实现了对农业生产设备的远程、智能控制。
远程控制中心在农业种植的应用上，主要以控制灌溉电磁阀系统;在工厂化育苗的应用上，主要是对补光灯、灌溉器、排风系统的控制;为用户搭建无线的远程现场，实时、定时操控设备运作、自动化运作。
◆多媒体监控中心
通过在林木种植区域、花卉园艺种植、蔬菜种植主要的出入口、主要产出区、采摘分拣区等重要区域部署高清视频监控系统，对区域进行实时的视频监控和图片采集。
视频监控系统可实时监控区域内环境、人员、活动、作物生长状况等，确保区域内安全有序、作物生长正常，辅助企业进行生产管理，建立起完善的标准化生产、作业规范，提升生产管理效益。视频还可以通过电商平台向公众展出，接受公众监督，提升产品质量的公信力。
◆预警与消息中心
预警中心是为农业种植个性化预警而开发的子系统，可以有效应对生产环境的多样性、复杂性并对数字农业综合信息管理云平台提出各项环境要素指标需求的差异性。系统的搭建依旧是以农业生产指导大数据为基准。系统会给出该作物在各个生长阶段的各项环境要素指标参考值（最大值、最小值、最适值，使用一键设置功能即可调用此类数据），管理者可根据生产环境的实际需求对某些指标进行修改。通过预警及预警信息记录提升生产管理数字化指导的精确度并保证了系统的实际应用价值。
消息中心详细记录云平台向用户发送的各类消息，包括系统通知、监控报警、技术提醒和智能日报，在相应区域和相应的消息内，查看完整消息内容，并根据内容的提醒进行设备操作、生产作业等。
◆标准化生产管理
标准化生产管理涉及种植生产与管理的各个环节，要求全程安排专业技术人员进行统一指导，基地采用标准化统一管理，统一供苗、统一开展农事操作、统一水肥一体化管理、统一智能灌溉。数字农业综合信息管理云平台提供全过程的过程记录、跟踪管理，可以根据农情信息的持续监测来自动控制水肥一体化设施和灌溉设施，可根据农产品的生长监测结果来不断优化农产品生产模型与种植措施，从而达到增产增效的目标。
◆知识库数据中心
知识库数据中心由生产手册、市场动态、农业资讯、投入品、病虫害等5大部分组成，提供作物由种子—种植生产—销售的完整的科学指导。
通过生产手册管理人员可依据形态特征、生育周期、环境要求、栽培技术等进行科学种植和养护。但果树出现某些病虫害之后，可根据某些特点在生产手册寻求合理可依的解决方案。
市场动态数据将收集各类农作物精确到各省、各市、各大批发市场的实时批发价格，辅助企业进行采摘时段的选择，有效提升企业综合收益。
农业资讯实时汇集当下重要农业资讯，定时推送给用户;管理者不出门便知天下农业事，管理更加得心应手。
投入品数据为管理者提供生物、化学、农业设施设备等农业生产投入品的详细介绍和使用说明，帮助管理者精确使用药物，减少不必要的投入，节约成本;有效降低农药残余，提升产品质量。
病虫害管控系统极为详细地列明了各种作物所有可能需要防范的病虫害及其防治方式。管理者可根据叶片特征、果实特征，寻找到与之相符的病虫害，对症下药。
◆手机客户端
手机客户端提供在线数据实时查看、远程智能控制、远程视频查看、生产管理等功能，同时用户可在手机客户端上查询农情农技信息，满足客户进行远程移动式监管、办公的需要。
◆开放接口
云平台提供了基于Web Service的标准接口，可以用于用户授权接口、获取监测终端数据、获取控制终端数据、获取控制设备信息、控制设备、查询设备状态等。平台API基于面对资源框架的RESTful Web API开发，极大提高了访问的速度和稳定性，并简化了二次开发的难度。HTTPS协议进行数据传输，保证了数据传输过程的安全系数。接口以统一返回码作为接口的标准结果，统一采用utf-8编码方式。