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精准化粮食农业生产物联网信息监管服务平台

kumb 大田种植 2021-04-15 10:58:15 114 0

(岳阳市屈原管理区惠众粮油专业合作社)

一、企业基本情况

岳阳市屈原管理区惠众粮油专业合作社成立于2009年5月,企业所在地:岳阳市屈原管理 区营田镇屈汨路;企业法人:杨岳球;企业规模:水稻种植面积2.3万亩;主要经营范围:稻谷与蔬菜的种植、加工和销售;企业法人杨岳球在2011年被评为“全国种粮售粮大户”,2014年获得“全国十佳农民”;屈原管理区惠众粮油专业合作社2014年被评为“岳阳市农业产业化市级龙头企业”。

合作社已投入资金500万元,对旋耕机、插秧机、农药喷洒机、收割机及粮食运输机械、粮 食烘干厂的烘干设备、粮食储存库监测及控制设备进行信息化改造,利用物联网手段对各种农机及设施的生产工况、作业状况进行实时监管,建立了全程机械化的粮食生产物联网信息监管服务平台,并开展粮食生产全流程精益化管理和精细化生产的应用。

技术支撑企业基本情况:

长沙瑞和数码科技有限公司创建于2003年5月,注册地为湖南省长沙高新开发区麓谷大道 662号软件中心大楼676号,公司注册资金2000万,企业法人为欧阳跃明。该公司是一家专业从事音视频通信、物联网产品研发、生产、销售的高新技术企业和双软企业,通过12年的不断积累与完善,公司已拥有集无线自组网通信、现场采集与控制数据交互分发的自主知识产权核心技术,开发了多类型全系列高可用的嵌入式环境传感设备与设施控制设备,形成了完善的物联网感知、控制、传输的设备体系及物联网云平台。公司拥有27项发明专利和实用新型专利,19项著作权,12项软件产品登记证书,获得过多项科技部创新基金的立项支持。

公司还承建了湖南烟草的《现代烟草农业物联网监管信息平台》,建立了从育苗、大田、采 收、烘烤、收购、仓储烟叶生产全流程的生产设施设备物联网信息监管体系,建成了一个从感知、传输、到服务和应用的农业物联网信息服务平台,实现了生产环境可视、生产过程可视、生产作业可视及生产知识可视的精细化生产管理。至2014年底,分布在湖南烟区42个县的数据信息采集点达8500多个、高清视频点2300个、设备控制点2100个、多媒体信息发布点610个,每天新增记录5000万条、新增数据存储25GB;新增快照存储160GB,系目前国内应用规模较大、应用深度较深的农业物联网应用系统。

二、模式应用情况

(一)基本建设情况

岳阳市屈原管理区惠众粮油专业合作社的水稻种植面积2.3万亩,拥有社员263户,合作社

有2000型育秧大棚5个,面积达1万平方米,水稻催芽器20台,育秧自动流水线10套,育秧 硬盘20万个,软盘5万个,大中型拖拉机6台,联合收割机16台,高速插秧机18台,植保机械44台套,三角翼植保飞机1架和遥控无人植保机1架。合作社以“组织化、规模化、机械化、信息化”为特点,以“科技兴业、合作共羸年”为经营模式,农户以每亩500—550元的流转价格作股入社,年底享受合作社与农户“二与八”的分红。

主要经营范围:稻谷与蔬菜的种植、加工和销售。基地分5个区域,琴棋乡、凤凰乡、黄金 乡、营田镇、河市镇优质稻生产基地,总面积2.3万亩。

(二)物联网技术及产品使用情况

长沙瑞和数码科技有限公司与岳阳市屈原管理区惠众粮油专业合作社合作,建立精准化粮食 农业生产物联网信息监管服务平台,并进行了相关应用。对旋耕机、插秧机、农药喷洒机、收割机及粮食运输机械进行信息化改造,利用物联网手段对各种农机的生产工况、作业状况进行实时监管,建立了精准化粮食农业生产物联网信息监管服务平台,开展了粮食生产全流程精益化管理和精细化生产应用,降低了生产成本及用工成本。精准化粮食农业生产物联网信息监管服务平台由以下几个应用子系统构成:

1. 插秧机作业管理系统

原有的插秧机在作业过程中,无法自动记录其作业进度,即基地管理人员无法掌握插秧的实 施情况,经常存在插秧机因为秧苗供应不到位,而闲置在现场的情况。同时,在跟插秧机操作员结算工钱的时候,也经常因为插秧不到位而产生纠纷。本项目采用了瑞和科技丨NNOTEKTMM-07X插秧机管理模块(7寸),INNOTEK TMM-09X插秧机管理模块(9寸)与INNOTEKMID-220T型物联网中间件组合,实时计算插秧机的插秧颗数和插秧面积,实时监管每台插秧机的工作效率与工作状态,解决实时了解生产进度、生产计划实施,实现精细化管理和精准插秧生产的问题。

2. 农药喷洒过程标准化管理系统

在现有农药喷洒过程中,喷洒次数与农药的用量都是由施药人员自行决定的,无法检测施药 人员是否按照有关规定科学施药,甚至存在偷换农药的情况,严重影响了农产品的安全。本项目在喷药车上,加装瑞和科技INNOTEK PIS-1612C车载农药监测站,与INNOTEK MID-220T型物联网中间件组合,即农药施用量实时检测系统,可以实时计算喷洒农药的浓度、种类、用量。结合加装的车辆运行状态监测系统,可以实时计算出某块农田被农药喷洒的次数和用量,从而监管农药喷洒过程,制定施药的标准流程,防止农药残留。

3. 粮食采收过程谷物监测系统

在规模化粮食采收过程中,存在运粮拖拉机在运输过程中偷卸粮食的现象。本项目采用瑞和 科技INNOTEK HMM-28G收割机监管站,利用收割机出粮口加装压力传感器矩阵,实时测量送出粮食的重量,计算每台收粮拖拉机的载重值,并写入收粮拖拉机加装的RFID电子标签卡,当收粮拖拉机进入粮库卸载粮食时,会自动比对自带RFID电子标签卡上记录的载重值,杜绝在运输过程中粮食的偷盗行为。

4. 全自动生物质燃料谷物烘干机

现有烘干设备是以煤或木柴为原料,热效率低,人工成本高,不能精确控温、控湿,加热烘 干设备简单粗放。本项目采用瑞和科技与美瑞科技联合开发的REYMATE全自动生物质燃烧机组对原有的粮食烘干塔设备进行改造,采用生物质原料取代煤作为燃料,利用物联网设备系统对生物质燃烧机组的燃烧状态进行组网控制和热力调节,实现机组的最优化的燃烧,并实时控制烘干塔组设备的温湿度、压力值,自动监测设备运行的电压、电流等运行状态,实时报警和预警,通过数据分析,提高粮食烘干的效率和优化烘干工艺,最大幅度地实现了节能减排和降低劳动强度。

5. 基于多传感器数据融合的粮库温湿度控制系统

现有粮库内用于测温的传感器是水银温度计,需要专门人员定时手动查看每层每个点的温度 和湿度,不能有效监控粮食存储的状态,一旦发生高温、高湿、霉变的情况,无法做到及时发现和处理。本项目采用瑞和科技丨NNOTEK GTH-0406W粮库传感器阵列监测站,与丨NNOTEKMID-220T型物联网中间件组合,通过自带的无线温湿度传感器矩阵,可以对有限个温、湿度传感器的测量结果,进行自动融合处理,获得比传统方法更有效与更可靠的测量结果,从而提高系统的监测能力,结合通风设备,实现全自动调节粮库温湿度和自动报警预警,并能预测粮库储备粮食不同部位的状态和趋势,降低粮食在存储过程中的损失。

6. 粮食农业生产物联网现场中间件

粮食农业生产现场部署粮食农业生产物联网现场中间件INNOTEK MID-220系列,支持多种 数据采集器和农业设施控制器,支持485、modebus、TCP/IP等多种物理连接方式,实现了对大规模现场数据采集和控制的统一协分发协调,并根据需要采用3G、光纤、xDSL等广域网通信技术与粮食农业生产精准化监管系统进行数据交互,实现数据采集和控制参数设置、预警管理和智能联动。

7. 精准化粮食农业生产物联网信息监管服务平台

通过粮食农业生产精准化监管平台对规模化粮食生产进行整体监管,该平台以粮食农业生产 育苗、插秧、种植、采收、仓储等全过程管理为应用背景,以无线和有线通信技术为连接各种固定、临时或车载的物联网采集控制设备的技术手段,以构造农业物联网数据云和视频云为精准化监管基础,实现集感知、监测、预警、分析,以及服务为一体的粮食农业生产全过程信息监管和服务。该平台的研发部署,服务于精准粮食农业生产模式,并以全面满足粮食生产全过程的智能化、自动化、可视化等现代化服务管理要求为主要目标。

(三)物联网监管应用模式内容与架构

在岳阳规模化粮食生产中,为实现粮食生产的精准化监管,对粮食农业生产育苗、插秧、种 植、采收、仓储等全过程的重要环节进行物联网技术改造和增强,项目整体实施周期为36个月,包括设计、施工、联调和测试运行等阶段。

本项目中对信息技术和物联网技术产品应用情况包括:

1.根据粮食作物设施育秧、栽培、采收、烘烤和仓储等对环境条件的要求和影响,选定主要 环境影响因子,在大棚、大田、烘干车间和仓储等现场部署连续数据采集传感器和控制器,采集气象参数,环境参数,墒情参数等信息。部署的传感器和控制器具有高度环境适用性,支持宽温宽湿和太阳能供电。

2. 对粮食生产过程中的重要农业设施和大型农机具进行了物联网化改造和加装,实现农业设施作业运行的数字化远程控制、作业进度和作业质量远程监测,以及大型农机具和农业车辆的卫星定位等。如插秧机、喷药车、收割机、谷物烘干设备和农业运输车辆等。农业设施和农机改装设备具有高度环境适应性,支持宽温宽湿、太阳能供电或车载供电、智能休眠和无线数据通信。

3. 在粮食生产过程中重点场合和人员作业区域建设网络高清视频监控系统,支持远程实时监视和控制、视频录像和回访等功能,实现对现场实际环境的直观感知,并监督现场人员工作的标准化和规范化。现场录像还可以作为人员调度、激励考核和事故追责等的依据。

4. 由于目前暂时缺少统一的数据通信标准、各种现场数据采集器,而且设施设备控制器的数据交互方式千差万别,各自的物理特性和控制指令难于互通。为了降低系统维护成本,提高后续的扩展性,本项目中采用了嵌入式现场中间件,统一接入现场部署的用途各异型号各异的大量数据采集器和农业设施控制器,并根据需要采用3G、光纤、xDSL等广域网通信技术与粮食农业生产数据中心进行数据交互,实现数据采集和控制的参数设置、预警管理和智能联动。

5. 面向整个粮食生产基地,建设粮食农业生产数据中心,采用虚拟化服务器集群方式构造云计算平台,通过目录服务接入现场中间件,实现基于云的物联网设备管理;同时,通过标准化的数据接口向业务应用提供稳定、高效和安全的物联网数据云服务。

6. 在业务客户端方面,结合GIS技术推出PC Web客户端和支持智能手机、平板电脑的粮食农业生产物联网监管APP,支持业务工作流程融入移动端,实现随时随地的操作和管理。此外,与部分专业化的农业设备和设施配合使用时(如全自动生物质燃料谷物烘干机组),还提供专用的便携式移动终端,以支持更丰富的操作控制需求。

7. 本项目建设的平台预先考虑了粮食农业信息互联方面的需求,支持通过云计算平台对海量的粮食农业生产数据进行进行查询、展现和基础统计分析等初步应用;支持进行个性化定制开发和二次开发,允许用户快速设计各项数据、操作和预警的图文统计报表,进行分析比较;对粮食生产过程数据进行应用驱动的多视角数据挖掘分析,为粮食农业科研和生产管理提供量化的数据支持。

本项目的主要功能特点如下:

广泛引入和研发新兴的物联网技术和物联网设备,建立规模化粮食生产全过程精准化监管平 台,对粮食农业生产育苗、插秧、种植、采收、仓储等全过程的重要环节进行全面精准监测和管理,一方面在这些环节降低了生产人员和管理人员的工作强度,减少了人力需求,另一方面由于监测数据具有同步实时和精确量化,可帮助生产决策管理方对生产资料使用效率、人员工作效率、水肥药施用、粮食产品浪费丢失等情况进行全面监管,进而极具针对性的实现降本和增效的改进和应用。

(四)应用模式产生的效益

岳阳规模化粮食生产全过程精准化监管平台的建设和使用,在主营业务的多个环节产生了节 本增效的效果:

1.育秧环节,由于对育秧大棚实现了 24小时数据自动监测、智能控制和自动预警,不仅降低 了人工投入,而且提高了育秧产出效率。以单季粮食生产的育秧工作为例,由于精准化平台的引入,在合作社已有的大棚中,育秧期间可节约40%的人力,整体出秧率提高12-15%。

2. 大田种植环节,由于对粮食大田实现了气象、水位和土壤墒情等的自动监测、自动预警和远程监视,以及农药喷洒的标准化管理,不仅提高了粮食作物栽培管理的自动化程度,还减少了水、肥、药等生产资料和生产能源的浪费,提高了粮食生产的环境友好和粮食安全程度。在大田种植期间,单季粮食生产累计可减少农药用量100吨(兑水稀释后用量),减少化肥用量40余吨,节约灌溉用电1.5万度左右。

3. 采收环节,精准化平台实现从收割机自动计量、运输定位监测、入库自动称重比较等物联网化技术手段,进一步降低了在粮食、采收运输环节因为人为破损、盗窃丢失而造成的中间损耗,粮食从收割到入库环节的损耗率由原有4.5%降低为0.2%。

4. 在粮食加工和仓储环节,精准化平台的引入可对粮食烘烤加工以及仓储过程进行全自动监测和智能控制,提高了粮食产出品质,降低了由于操作不当或储存环境不当造成的粮食损耗,粮食仓储管理减少了 80%的用工;粮食烘烤加工品质提升7%,而加工能耗降低了 18%,减少了90%的用工,在仓储环节的仓储损耗率也降低了 15%;

(五)实施亮点

岳阳规模化粮食生产全过程精准化监管项目的实施,在社会、生态效益等方面具有以下特点:

1. 生态环境改善和保护:传统的粮食生产和管理方式是基于感性经验的粗放型农业生产管理方式,在不同程度上存在用药、施肥、灌溉等行为的过度化和滥用。药物的滥用会导致对农业生态系统中其他生物的生存带来危机,肥料的滥用会带来土壤结构失衡和环境污染,过度灌溉则会导致土壤的板结和盐碱化。而本项目中基于精准化监管的物联网农业技术的应用,可以有效避免和减少这种生态环境破坏问题,起到保护生态环境的目标。

2. 保障食品安全:农业物联网技术的应用实现了粮食生产过程管理的精准化,可以有效控制由于化肥和农药的过度使用而带来的物质残留问题,特别是经过分析由施肥、用药机械物联网监管站连续采集的数据,能精准地显现出任一区域的施肥用药类型、间隔时间、肥药浓度,继而计算分析出农药残留时间、土壤板结趋势预测,随着这些大数据的积累与形成,有助于建立有效的粮食安全监测与朔源体系。

3. 节约能源资源:农业物联网技术除了具有节约经济成本的经济效益外,从能源和资源保护的视角看,也具有积极的社会效益。

4. 新型物联网技术的应用,在提高粮农生产劳动效率的同时,降低了农户的劳动强度,改善了农户的生产工作环境,有助于和谐新农村的构建和实现。特别是,在粮食生产这一重要的农业生产领域,实现了“人”的“在场”解放——这种“人”的进一步解放对于人类突破改造自然活动的实体“在场”限制具有极其重大的社会价值和意义。

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