农业智能数字一体化基地建设项目实施方案

现代农业示范园农业智能数字一体

化基地建设项目

实施方案

农业有限公司

目录

第一章总论...............................................2

L1项目概况..........................................2

1.2编制依据.........................................3

第二章项目建设背景及必要性...............................5

2.1项目背景.........................................5

2.2项目建设的必要性.................................6

第三章基本情况...........................................9

3.1项目单位概况......................................9

3.2建设优势.......................错误!未定义书签。

3.3园区建设概况....................错误!未定义书签。

3.4现有基础设施状况...............错误!未定义书签。

第四章建设方案...........................................9

4.1建设规模.........................................9

4.2项目构成........................................10

4.3分年度实施计划..................................10

4.4建设方案........................................10

第五章工程估算及资金使用计划............................46

5.1工程投资估算....................................46

5.2投资估算.........................................47

5.3资金来源.........................................47

5.4资金使用计划.....................................47

第六章项目组织管理与实施进度...........................47

6.1项目实施组织管理.................................47

6.2项目建成后运行组织管理...........................50

6.3项目可持续运行保障措施...........................52

6.4项目进度........................................53

6.5招投标管理......................................54

第七章效益分析..........................................57

7.1经济效益分析....................................57

7.2生态效益分析....................................57

7.3社会效益分析....................................57

第八章风险评价..........................................60

8.1政策风险........................................60

8.2资金风险........................................60

8.3技术风险........................................60

8.4管理风险........................................61

第九章保障措施..........................................62

9.1强化组织领导，层层落实责任......................62

9.2培训技术人员，加强技术保障......................62

9.3加强财务管理，保证资金供应.....................62

9.4坚持以人为本，保障安全生产......................62

9.5健全监管体系，落实项目运维.............................................62

第一章总论

1.1项目概况

LL1项目名称

现代农业示范园农业智能数字一体化基地建设项目

1.1.2建设单位

农业有限公司

1.1.3主管单位

农业农村局

1.L4项目性质

提升改造

1.1.5建设地点

乡

1.1.6建设周期

1年

1.1.7建设目标

利用三年时间，建设种、养、加结合并具有休闲观光功能的智能

数字一体化示范园区，提升农业现代化发展科技水平，全面创新产业

发展模式，走科学化、集约化、生态化、效益化农业发展新路子，促

进区域经济可持续发展。园区的农作物生产完全按照国家规定的无公

害标准严格执行，养殖采用引进良种，统寸支术指导和防疫，实行科

学化、规范化养殖，确保产品质量达到无公害、绿色食品标准，确保

质量安全，实现优质优价，提高农业生产效益和农民收入。

1.1.8建设内容

本项目按照“设施现代化、设备智能化、技术标准化、工艺流程

2

化、管理科学化''的要求，依托项目区资源环境优势，以推进现代农

业建设为目标，以农业高新技术为依托，建设现代设施农业产业园，

通过标准化设施果蔬生产基地建设，引进、试验、示范、展示及推广

设施果蔬新品种；通过建综合管理服务区，将蔬菜、果品贮藏、检测、

加工、批发、交易、配送等多种经营方式联合起来，建立完善的产业

链条；通过标准化养殖示范区，为农业种植基地提供优质有机肥源，

发展“畜一沼一菜、果”的循环经济发展模式，形成循环农一业；通过农

业休闲体验区建设，以农业科技化、健康化、特色化、产业化吸引投

资者与观光者，更用旅游的放心化、多元化、独特化不断推动农业园

的示范化、科技化，使农业与旅游业最大限度地融合，引导农业旅游

经济向区域化布局、专业化生产、一体化经营、社会化服务的方向发

展。最终将示范园建设成为集试验、示范、推广、生产、加工、销售、

经营、休闲观光为一体的现代农业产业园区。本项目建设内容包括以

下四部分内容：

(1)建设30()座智能数字一体化温室大棚。

(2)建设13000平方米智慧工厂

(3)建设10000亩菊芋种植基地。

(4)建设年出栏育肥羊20000头现代化养殖场及500亩水产养

殖基地。

1.1.9投资规模及资金构成

项目总投资10880万元。

1.2编制依据

(1)《数字农业农村发展规划(2019—2025年)》

(2)《全国乡村产.业发展规划(2020—2025年)》

3

（3）《关于扩大农业农村有效投资加快补上“三农”领域突出短

板的意见》

（4）《国务院办公厅关于加快推进重要产品追溯体系建设的意

见》

（5）《农业部关于推进农业农村大数据发展的实施意见》

（6）农业农村部《农业建设项目投费估算内容与方法》

（7）国家计委颁发的《建设项目经济评价方法与参数》（2006

版）；

（8）国家关于现代农业示范项目建设的文件；

（9）国家计委和建设部联合颁发的《建设项目经济评价与参数》：

（10）项目承担单位提供的有关基础数据及技术资料

4

第二章项目建设背景及必要性

2.1项目背景

数字农业是将信息作为农业生产要素，用现代信息技术对农业对

象、环境和全过程进行可视化表达、数字化设计、信息化管理的现代

农业。数字农业使信息技术与农业各个环节实现有效融合，对改造传

统农业、转变农业生产方式具有重要意义。

世界主要发达国家都将数字农业作为战略重点和优先发展方向，

相继出台了“大数捱研究和发展计划”“农业技术战略”和“农业发展

4.0框架”等战略，构筑新一轮产业革命新优势。从国内看，党中央、

国务院高度重视网络安全和信息化工作，大力推进数字中国建设，实

施数字乡村战略，加快5G网络建设进程，为发展数字农业农村提供

了有力的政策保障。

同时.，信息化与新型工业化、城镇化和农业农村现代化同步发展,

城乡数字鸿沟加快弥合，数字技术的普惠效应有效释放，为数字农业

农村发展提供了强大动力。我国农业进入高质量发展新阶段，乡村振

兴战略深入实施，农业农村加快转变发展方式、优化发展结构、转换

增长动力，为农业农村生产经营、管理服务数字化提供广阔的空间。

目前企业农场的信息化基础设施还比较薄弱，与企业的整体规划

和定位不匹配，专门机构和专职人员不健全，现有的企业门户网缺乏

农业信息化综合服务等方面的功能，难以跟上国内农业信息技术发展

的步伐，还需要高站位、高标准、深立意、高速度的进行加强。为进

一步凸显农业有限公司的技术集聚、产业融合和推广示范的功能定

位，提高企业农业现代化和信息化管理服务水平，加快企业农业信息

化应用体系的建设步伐，将集成应用移动互联、物联网、3S、云计算、

5

大数据等现代农业信息技术，按照规模化、集约化、标准化、产业化

的发展方向，充分应用现有基础设施设备，有步骤、有秩序地开展数

字农业技术和应用，实现信息技术与产业发展的和谐互动和融合提

升，推动现代信息化农业快速发展。在此基础上，提出了现代农业

示范园农业智能数字一体化基地建设项目。

2.2项目建设的必要性

(1)是加速推进区域农业经济发展的需要

推进现代农业建设，发展生产是经济建设的产业支撑。农业经

济是区域经济社会发展的重要组成部分，并在信息技术的推动下贡献

率日渐提高。农业有限公司将现代信息技术集成应用到农场的生产

管理和信息服务中去，探索实现农业要素投入集约化、生产手段科技

化和产业经营多元化的现代农场新模式，不仅能提升区域农业现代化

水平，优化农场生态环境，同时也推动产业集聚，带动农民增收，加

速推进地区的农业现代化建设，为打造现代农业科技示范区提供有力

支撑。

(2)是推进农业结构调整，促进一二三产融合发展的需要

推进农村一、二、三产业融合发展是主动适应经济发展新常态的

重大战略举措，也是加快转变农业发展方式的重大创新思维。农业产

业化融合发展是扭转农业弱质低效局面的根本出路，有利于解决农业

社会效益高与经济效益低之间的矛盾，提高农业比较效益，增加农民

收入。

(3)是全力推进企业农业产业化发展的需求

推动农业产业化发展是农业有限公司的重要功能定位之一，通

过信息化应用体系的建设，面向企业种植.业、加工业、服务业等产业

6

设计并应用相应的信息化业务系统，集成应用信息技术优化业务管理

的工作流程，建立统一规范的信息采集和交互共享标准，将信息技术

融合成为产业发展的助推动力，增强主导产业的信息化和标准化水

平，并通过信息化手段将质量安全监管和商务营销管理理念贯穿产业

全链条，建立健全“操作有规程、产品有标识、市场有监管、质量可

追溯''的农产品质量安全监管模式，提高农产品质量安全水平，壮大

企业规模，树立安全诚信农产品市场品牌，拓宽农产品营销渠道，推

动产业良性快速发展。

（4）是企业提质增效和示范推广的需要

通过数字农业建设过程中新品利J新技术、新思路、新知识的应

用和示范，将产生巨大的辐射带动效应，带动周边农民积极应用新品

种、新技术，提高土地的产出率，创造良好的经济效益，进一步通过

企业的技术培训和示范推广，为周边农户提供良好的技术服务，将不

断提供和增加新的就业岗位，提高就业率，都将让农户得到实惠，从

而更加充分发挥龙头企业的示范带动效能。

（5）是全面提升企业综合管理和信息服务能力的需要

立足企业功能定位和发展规划目标，在现有的信息化基础之上，

通过进一步加强信息化基础设施建设，完善信息化应用体系，面向企

业生产管理和主导产业发展要求建立统一的数据标准和信息交互机

制，对企业的信息资源加以充分整合和利用，利用现代信息技术实现

对农场内自然资源和社会经济资源的完全掌握和全面管理，建立科学

的生产管理评价体系，为企业调整主导产业布局、生产过程管理和资

源合理调配提供决策依据，全面提升企业农业产业的信息化管理水平

和标准化生产程度。止匕外，通过PC客户端和手机APP等方式建立面

7

向企业内外生产经营管理群体的多元化信息服务通道，面向管理者、

生产者、经营者和消费者乃至社会公众提供实用技术、市场信息和政

策信息等多重资讯，完善网络信息服务体系，提升企业的农业综合信

息服务能力。

8

第三章基本情况

3.1项目单位概况

3.L1项目建设单位

农业有限公司

3.1.2单位性质

私营企业

第四章建设方案

4.1建设规模

本项目按照“设施现代化、设备智能化、技术标准化、工艺流程

化、管理科学化”的要求，依托项目区资源环境优势，以推进现代农

业建设为目标，以农业高新技术为依托，建设现代设施农业产业园，

通过标准化设施果蔬生产基地建设，引进、试验、示范、展示及推广

设施果蔬新品种；通过建综合管理服务区，将蔬菜、果品贮藏、检测、

加工、批发、交易、配送等多种经营方式联合起来，建立完善的产业

链条；通过标准化养殖示范区，为农业种植基地提供优质有机肥源，

发展“畜一沼一菜、果”的循环经济发展模式，形成循环农业；通过

农业休闲体验区建设，以农业科技化、健康化、特色化、产业化吸引

投资者与观光者，更用旅游的放心化、多元化、独特化不断推动农'业

园的示范化、科技化，使农业与旅游业最大限度地融合，引导农业旅

游经济向区域化布局、专业化生产、一体化经营、社会化服务的方向

发展。最终将示范园建设成为集试验、示范、推广、生产、加工、销

售、经营、休闲观光为一体的现代农业产业园区。

项目主要分四个板块

1.数字化智慧温室大棚

9

2.数字化智慧工厂

3.高标准种植基地

4.高标准养殖基地

4.2项目构成

本项目根据资金筹措实际，结合国家批复的建设规划，建设内容

仅包括内容板块建设。因此本次项目研究对项目总图的布置仅为建议

方案。建议下阶段设计工作根据项目所在地建设资金筹措能力及当地

城乡规划部门的规划条件要求执行。

表4-1建设指标表

序号建设类别指标值

1数字化智慧温室大棚300座

2数字化智慧工厂13000而

3高标准种植基地1()(X)0亩

4高标准养殖基地年出栏育把羊20000只、水产养殖500而

4.3分年度实施计划

表4—2分年度实施计划表

序号建设类别实施年份投机计划（万元）

1数字化智慧温室大棚2023年600

2数字化智慧工厂2023年1300

3高标准种植基地2024年2700

4高标准养殖基地2024年、2025年5100

4.4建设方案

4.4.1智慧温室大棚

1.总体构架

数字农业总体结构分为农情采集控制层、通讯传输层、基础平台

层和应用平台四个层次，如图所示。

10

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农情采集控制层：是数字农业信息系统传感、控制、采集层，系

通过自动化农情采集站、环境采集、养殖信息采集、农机信息采集、

无线灌溉控制站、无线首部控制站、作物长势、土壤营养、土壤埼情

等数据并通过自组织无线网络通讯汇集到无线网关，传输到数字农业

监控中心数据库。采集层还包含人工录入的农资投入数据、田间管理

数据、土肥及植物营养仪器测试数据・、植物病害诊断仪分析数据等。

通讯传输层：现地物联网无线自组织网络汇集各个物联网传感采

集节点的数据，发送到田间网管。田间网关实现自组织网络与互联网

的通信转换连接，并连接智慧农业云平台的控制、管理应用系统与遍

布在田间的无线传感节点实现测、控、采、传的信息通讯。

11

基础平台层：指支撑数字农业云平台的基础设施层，它包含监控

中心网络硬件、系统软件、网络安全系统、应用中间件、数据库、数

据仓库、GIS系统以及实现互联互通的物联网标准体系、运行管理保

证服务体系等。

应用平台层：应用平台层是数字慧农业的大脑核心层，它实现人

与物联网智慧节点的交互。通过应用平台的专家决策系统、生产管理

系统实现对农'业生产的智能化远程控制、对畜牧养殖进行自动化环境

控制等。还可以通过电子商务平台实现农产品销售、农资投入品供应、

融资贷款等功能。

2.水肥一体化智能灌溉系统

（I）首部水泵智能控制与计量装备

利用首部水计量监测及压力监测和首部进水阀控制实现远程灌

溉调度控制，保证灌溉用水的计划管理和实时调度，保证首部计量准

确可靠。SMC6000系列远程智能综合测控一体机将电源管理、信息

采集、自动控制、远程通信和安全识别等功能融合于一体，专门用于

水利灌溉机井水泵远程监控和综合计量管理。管网的流量、压力远程

测量。

（2）首部智能过滤施肥装备

首部自动化监控系统主要是对水泵、沉淀池、过滤器、计量水表、

管网压力等设施设备的运行监测，控制进水阀的开闭、增压水泵自动

启闭控制、过滤器自动反冲洗控制、自动施肥控制等。

水泵控制变频柜采用远程控制系统，可以采集沉淀池液位、采集

电流电压电功率，可以实现恒压供水、软启动软关泵，低液位保护、

过流过压、短路保护等功能。

12

过滤施肥系统采用自动化控制，系统由电动冲肥阀、吸肥阀、过

滤施肥控制器及液位开关组成。

冲

肥

管

・水位计

沉淀池MW2

首部自动化系统网络结构图

首部由首部无线网关、田间自动化无线网关、无线网桥、施肥控

制器、反冲洗控制器、水泵控制器组成通讯网络，视频监控通过

无线网桥与无线网关传到互联网。无线网桥通过485通讯连接施肥控

13

制器、反冲洗控制器、水泵控制器。云灌溉平台连接到无线网关，实

现通过互联网的远程首部控制。

全自动叠片过滤器采用模块化设计，可按过滤单元进行多种组合

使用，一个反洗控制器可控制一台或多台过滤器，以满足不同应用场

合的实际需要。反洗控制器操作简单7可根据压差，时间或两者组合

对过滤器进行全面控制，同时控制器配备远程通信模块，能通过远程

对过滤器的状态进行实时的、在线监控。

在遇到故障时，也能及时地将报警信息通过手机短信、网页警报

等方式通知用户，确保供水系统连续、高效运行。

自动反冲洗过滤器具有高效反洗、全刍动连续运行、自耗水低、

占地面积小、运行可靠的特点，过滤器系统的反洗过程轮流交替进行,

工作、反洗状态之间自动切换，可确保连续出水，系统压损小，因此

叠片自动反冲洗过滤器的技术优势十分明显。

控制器采用无线远程通信方式，实现对过滤器工作状态的实时、

在线监测，提高供水系统的稳定性；

过滤单元采用多项创新技术，安装使月时更加安全、高效，省水、

省地、日常维护少；

过滤单元滤芯无弹簧设计，过滤时巧妙利用了来水压力压紧盘片

组，这样使得反洗的压力要求大大降低；

过滤单元独特的内置鸭嘴阀，保证了滤芯在过滤时的最大出水

量，同时反洗时起到很好的逆止功能；

分体组装式的滤芯骨架，可以根据设计要求灵活调整滤芯高度，

达到调整过滤面积的作用，满足不同的系统配套要求；

抛弃了常用的金属卡箍设计，过滤单元采用自锁卡扣配合特殊设

14

计的密封圈，过滤单元外壳的安装和拆卸变得非常简单容易，密封效

果好；

每个过滤单元均配有过滤和反洗状态指示装置以及自动进排气

装置，在避免水锤破坏的同时还可以提高滤芯反洗效果。

(3)田间滴灌智能阀门控制与流量监测

田间阀门自动控制由无线灌溉控制器(无线网关)、远程控制终

端、电磁阀及状态反馈和支管流量压力监测设备组成，如下图，灌溉

控制器通过无线网络管理辖区内阀门控制器，实现网络漫游和分区管

理。阀门控制器通过信号线直接控制电磁阀，实现电磁阀启闭控制和

状态监测。支管流量压力监测设备将实时高密度监测支管流量及压力

数据，为轮灌组的执行和管网运行状态提供可靠的数据支持。

出间自动化控制网络结构

本项目采用我国自主设计研发的Tangent无线自组网技术与云平

台技术，如下图所示，具有低能耗中继级数多，单跳距离远，无线网

络布设无需现场勘察的显著优势；同时.，把传感器技术、嵌入式测控

15

技术、无线网络技术与应用融为一体，具有智能测控、自动报警、无

须设置和超长寿命等特点。

Tangent无线自组织网络与云平台技术

灌溉首部的增玉泵组及过滤系统分另1安装电机参数无线采集单

元、管道压力无限采集单元、流量无线采集单元、自动无线阀控单元。

各个干管、分干管分别安装压力、流量、电控阀门及开闭状态无线采

集单元，在每个支管分叉处分别安装压力、流量、阀门电控采集控制

无线节点。管理人员可以采用移动PDA监测到这些监测站的数据，

同时可以与云端的监控管理系统实现实时阀控调度指令的接收和反

馈。

灌溉监控管理系统部署在云端，实现管网及运行数据等的实时监

控，并根据管网及泵组的技术参数给出实时运行调度控制指令、渠首

泵组经济运行指令、管网运行实时预警。同时灌溉工程管理系统具有

灌溉计划制定、自动灌溉控制、PDA工程巡查管理、工程维护运行

管理。

(4)视频监控

16

视频监控采用光纤宽带和4G无线视频监控方案。监控站与闸门

控制点数量一致，就是一个闸控站配一个视频监控，红山水库以及红

山干渠已经具备光纤网络，可以将光纤直接铺设到视频监控点。对于

不具备光纤线路的闸门控制监控点采用3G视频监控方案，以降低设

备投资成本。

1.无线3G视频监控设备技术要求

1）采用5W太阳能供电，不依赖市电，电池寿命3年以上，无

太阳续航能力15天（按每天触发5次，每次录像5分钟计算）；

2）具有图像抓拍和本地录像功能，本地存储容量16G以上；

3）镜头采用全玻璃镜头，角度为对角＞120度，距离不低于5m,

安装后能覆盖井电双控控制箱等设施的全面范围；

4）具有红外感应探测功能，距离不低于5m,安装后能覆盖井电

双控控制箱等设施的全面范围；

5）摄像头130万像素，支持夜视功能；

6）3G远程传输，红外报警触发拍照上报和本地录像；

7）工作温度：・20℃〜60℃；

8）环境适度：最大95%RH（无凝结现象）；

9）摄像头防护等级IP65,防雨、防尘。

2.高清网络球机视频监控设备技术要求

1）采用20W太阳能供电、市电供电双电源，电池寿命3年以上,

无太阳续航能力15天（按每天触发5次，每次录像5分钟计算）；

2）云台可360度水平、90度垂直旋转。

3）具有图像抓拍和本地录像功能，本地存储容量16G以上；

4）具有红外感应探测功能，距离不低于5m,安装后能覆盖井电

17

双控控制箱等设施的全面范围；

5）摄像头200万像素，支持夜视功能；

6）支持网络远程传输，红外报警触发拍照上报和本地录像；

7）工作温度：・20℃~60℃；

8）环境适度：最大95%RH（无凝结现象）：

9）摄像头防拧等级IP65,防雨、防尘。

（5）智能滴灌管理系统

1）业务描述

滴灌自动化系统是为用水户定制的首部及田间灌溉自动化控制

系统，能够实现首部自动化施肥控制、水泵运行控制、过滤系统反冲

洗控制运行、灌溉统计。

2）业务流程

滴灌自动化系统涉及灌溉用水户以及灌溉服务公司。灌溉用水户

提出灌溉、施肥计划，灌溉服务公司按照用户的要求负责运行水泵、

沉淀池、过滤器系统、施肥系统，灌溉服务公司将灌溉、施肥等运行

情况反馈给灌溉用水户。

3）业务功能

业务功能包括基础信息管理、首部自动化控制系统、田间自动化

控制系统、气象墙情监测、灌溉用水统计系统等。

基础信息管理系统是对首部灌溉水泵信息、过滤器信息、施肥系

统信息、田间管网信息、种植作物信息、监测站等信息的录入、编辑、

修改、查询。

首部自动化系统实现对水泵运行监测、沉淀池及机井监测、过滤

器自动化运行控制、施肥系统自动化运行控制。

18

田间自动化系统实现轮灌组管理、自动化轮灌控制、支管流量压

力监测等。

灌溉统计系统是对灌溉用水统计、出地桩灌溉量统计、首部流量

压力电量统计、设备运行状态统计等。

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运用服务人员

政腑甘长隼门t口上心料中心移动监控

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3.农田信息快速采集装备与数字化管理系统建设

该部分系统建设将综合运用遥感技术、介电技术、压电技术、物

联网技术以及无线互联网终端实现农田信息快速采集与数据管理功

能。具体包括：农臼信息遥感监测与分析系统(旱情、作物分布、作

物长势)、农田土壤信息车载快速测量装备与分析系统、农田土壤车

载自动取样装备与分析系统、农田信息固定式自动远程监测设备与分

析系统以及农田信息便携式测量终端与分析系统。

(1)农田信息遥感监测与分析系统

农田信息遥感监测与分析系统

19

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借助北斗卫星或无人机获取遥感信息，并负责对遥感影像数据进

行预处理和农情信息处理，获取农作物病害、长势、种植面积和估产,

并将获取的信息通过数据管理子系统存储到数据库中，方便农情展示

子系统对专题数据的展示。针对全县主要农作物长势、产量估测和生

产监管的实际需求，以保障该区域粮食安全为最终目标。以遥感理论、

遥感定量参数反演及便携式测量仪器（传感器）集成等研究为主，重

点实现作物生长和环境参数遥感定量反演、遥感与作物模型的数据同

化以及农作物产量估算。面向农业生产经营的传感数据采集和农田地

理空间信息获取都会产生大量的数据，只有给数据进行快速、有效的

处理，才能充分利用处理结果来获取数据中蕴含的监测对象的特征信

息，发现农业生产的基本规律，揭示农业生产的机制。基本指导农业

生产。该系统对数据的处理包括3个方面：海量数据的存储，大数据

的并行计算，不同特征数据的快速检索。此外，该系统可用对不同传

感设备获取的海量数据进行快速处理和存储，根据采集的数据类型，

分别存储文本、图像、视频得等不同形式的数据类型，根据监测对象

20

的不同，运行不同数据处理模型的应用程序，根据采集数据呈现海量

及其持续流的特点，通过高性能并行处理的集群方式解决数据计算复

杂、实际要求及时之间的矛盾。

（2）农田土壤信息车载快速测量装备与分析系统

我们在已有的土壤水分传感探头的基础上引入土壤耕作阻力（反

映土壤压实度）与可导率的同步实时测定c该部分系统功能包含：土

壤水分、压实度和电导率的实时快速测定与分析。土壤水分/电导率

复合传感器与压实度传感器的集成，成功研制了车载复合式三参数测

量系统。主要包括复合传感器、开沟刃、力臂、测量传感器、较链等。

机架由三点悬挂系统连接到拖拉机后端，土壤水分/电导率复合传感

器通过开沟刃底部过孔垂直固定到传动力臂上，调节限深轮使之位于

地下一定深度。测量过程中，复合传感器锥头受到的耕作阻力由传动

力臂传递到处于地面的测力传感器，开沟刃的宽度比传动力臂略大，

其作用一方面负责挖开复合传感器周围土壤，同时确保其他位置土壤

阻力无法传递到压力传感器上。

为了适应农田环境下的应用，中国农业大学相关研发团队将专门

针对车载式土壤多参数测量系统开发了一套基于智能手机的数据采

集与处理系统。该套数据采集与处理平台，以Android操作系统的智

能手机为硬件平台。该数据采集与处理平台替代了传统PC机软件为

数据采集与处理终端，具有体积小，便携，易于安装于农用拖拉机上

等优点。该软件同时可以采集GPS信息，为农田大面积数据采集及

数据融合提供了可靠保证。界面简洁，易用。数据采集与处理速度达

到农田实时数据采集需求。系统整体结构框图如下图所示，包括通讯,

参数设置，数据存储，数据显示，数据处理等几大模块。

21

土壤压实度通常用圆锥指数表示，圆锥指数定义为单位底面积圆

锥杆贯入土壤中受到的阻力。传统的圆锥指数测量方法中，对于圆锥

贯入阻力的测量装置都安置于圆锥杆顶端，其优势在于装置结构简

单，易于实现。但也有着不可克服的劣势，即所测量的圆锥阻力中还

包含了圆锥杆与土壤的摩擦力，并测量结果还在很大程度上受力的机

械传递机构影响，从而不能正确反映土壤压实度情况。中国农业大学

相关研究团队创新性地提出了将力学传感器嵌入于圆锥指数仪的圆

锥头内部的新思路。土壤电导率测量采用四端法，与水分测量复合结

构，其中两个内环作为电导率测量的信号激励极，频率为140Hz,两

外环作为信号提取极。该方法具有消除接触电阻/电势影响的优势。

另一方面两个内环同时也是土壤水分测量电极，激励信号为100MHz.

电导率测量信号和水分测量信号之间采用电路滤波技术进行隔离，从

而实现水分和电导率的复合测量。

嵌入式土壤压实度传感器由锥头、弹性体、外套和固件组成，每

部分以螺纹方式连接。外套直径22mm,几何结构按ASABE大号圆

锥标准设计，机械结构示意图如下图所示。4片基值为350欧姆的伯

应变片交叉垂直的粘贴在弹性体应变区，形成惠更斯电桥。

测量电路为惠斯更电桥，将四只尺寸为3X3mm,基值为350Q

的箔电阻应变片分别贴在弹性体四个侧面的中部，组成全桥等臂电

桥。并使相对的一组电阻丝棚方向与弹性体轴线平行，另外相对的两

片与其垂直。这样当弹性体受到锥头传来的土壤阻力压缩时，丝栅方

向与弹性体轴线平行的一对应变片电阻丝随之压缩，导致应变片阻值

减小，另外两片阻值增大时，电桥便对应有一不平衡电压信号输出。

传感器外套材料为65Mn,与锥头和固件一样经过了特殊的淬火

22

处理，增加了传感器耐磨性，作用是避免锥头在土壤中受到摩擦而遭

到破坏，既有效地保护了弹性体又由于连接处的特殊设计不承担锥头

传递过来的土壤阻力，不会影像传感器的测量精度。锥体中部嵌入了

压力传感器。前部的锥头用来穿入土壤，并将其行进时受到的土壤阻

力传递给压力传感器。

该嵌入式土壤压实度传感器属于国际首创，很好地克服了传统土

壤压实度传感器所存在的测量干扰问题。

标定结果表明，传感器输出电压与标定载荷具有良好的线性关

系，测量误差在±1%以内，满足应用需求。

复合传感器的室内标定一方面建立土壤水分和电导率传感器的

测量值与输出电压的关系曲线，同时检验是否存在非预期的耦合影

响。土壤水分的标定土壤为壤土（质地：砂粒0.17,粉粒0.67,黏粒

0.16）,标定结果表明土壤水分传感器具有良好的线性，测量误差在

±2%以内，满足应用需求。复合传感器在不同NaCl盐溶液中的电导

率特性曲线和对水分传感器的影响特性表明电导率具有较宽的测量

范围和线性，测量误差在±2%以内，满足应用需求。同时电导率对

水分传感器的影响有一定程度的影响。

（3）农田土壤车载自动取样装备与分析系统

23

车载停进式土壤剖面水分/紧实度/取样复合自动测量装备的主视

与左视剖面图。

1、主机；2、底座；3、电机；4、减速箱；5、数据采集与控制

装置；6、手柄；7、滑块；8、光轴；9、滚珠丝杠；10、行走轮；11、

蓄电池盒：12、脚踏板：13、外壳：14、光电开关：15、码盘：16、

联轴器；17、电源控制开关；18、限位杆；19、上行程开关；20、下

行程开关；21、参数测量传感器；22、防尘罩；23、导线杆；24、上

接盘；25、上支架；26、下支架；27、轴承；28、玻璃窗槽。

该车载停进式自行设计的土壤剖面水分/紧实度/取样符合测量装

置主机包括，设置在底座上的外壳，该外壳将主机包围，用以承受设

备所受的径向力及扭力；与外壳上部内壁相连的上支架，及固定在底

座上与外壳内壁相连的下支架，上支架与外壳的顶部有一定空间，可

在上接盘上固定一些装置；安装在外壳顶部的上接盘，上接盘与减速

箱下端相连，其四周与外壳的内壁相连，用于支撑减速箱以及减速箱

上方的电机；安装在上接盘上方的电机；降低电机转速的减速箱，该

减速箱与电机连接；用于连接减速箱与滚珠丝杠的联轴器；把电机的

旋转运动转化为滑块轴向直线运动的滚珠丝杠，该滚珠丝杠通过联轴

器与减速箱连接，由电机经减速箱减速后驱动旋转，滚珠丝杠的上、

下两端分别通过轴承与上支架、下支架连接；设置在滚珠丝杠上的滑

块，滑块由滚珠丝杠旋转后带动而上下移动，滑块的左、右两端设置

有两个通孔；通过螺钉固定在上支架与下支架之间的两根光轴，分别

穿过滑块的两个通孔，与滚珠丝杠平行，在滑块上下移动时起导轨的

作用；安装在滑块上的参数测量传感器，用于采集土壤剖面参数信号;

与参数测量传感器连接，用于在滑块的带动下插入土壤的圆锥杆以及

24

取样器；用于测量滑块行进深度的深度测量装置；数据采集与控制装

置，分别与电机、参数测量传感器、深度测量装置连接，用于接收参

数测量传感器采集的土壤剖面参数信号，并根据深度测量装置测量的

滑块行进深度，控制电机正转、反转或停止。

测量时装置悬挂于小型拖拉机后端，拖拉机自重可有效地克服测

量过程中来自土壤的反作用力。鉴于精密传动机构防尘、防土的严格

要求，与传动机构相关的所有部件都安装在密封的腹腔体内。止匕外，

从便携性考虑设备移动不但借助于充气轮胎，同时两侧脚踏板可90o

向上收起。

图中安装在滑块上的参数测量传感器采用土壤剖面水分/紧实度/

取样复合测量装置。同时，为了满足不同的测量要求，本符合测量装

置中的参数测量传感器可更换为不同种类的土壤单参数测量传感器

或其他种类的土壤多参数复合测量传感器。在本设备中电机与减速箱

连接后，由减速箱通过联轴器与滚珠丝杠连接，也可以去掉减速箱由

电机通过联轴器与滚珠丝杠连接。

由于设备采用滚珠丝杠作为传动部件，使得整个装置具有启动力

矩小、运行效率高等特点，同时实现了对运行过程的高精度控制C其

中高精度数字电子秤提供力学参数测量基准，测量范围。〜300kg,

分辨力0.05kg,满量程测量精度为土1%。

（4）农田信息固定式自动远程监测设备与分析系统

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网络平台查询实时数据气象站每天监测计算出的ET。

Uni-WS无线气象站集多种气象传感器与一体化，配置GPRS

无线数据采集器，以及一体式的太阳能电源，实现了气象环境的实时

远程在线监测。同时气象站可根据不同的作物，每天计算ETO值，

在灌溉系统中，真正实现科学的灌溉指导。

软件管理平台，远程数据传输接收终端，远程数据传输发射终端,

具短波通讯功能的数据采集器，无线路由中继器，传感器，太阳能供

电系统。

数据传输远程化：没有地域距离限制，支持多级多点控制中心同

时接受、查询站点数据;

数据管理集中化：实现部委系统内监测站点垂直树形管理，优化

数据共享结构:

26

软件平台定制化：软件针对性强，灵活性好，具备数据接收、管

理基本功能，同时支持预警预报服务；

数据采集智能化：所有传感器监测采用间隔性供电及优化地采集

算法，避免正常供电导致监测对象性质变异，测量结果误差增大；

设备能耗最优化：整个系统都采用太阳能供电，硬、软件都针对

野外采集进行了能量的优化，保证连续续航时间。

技术指标如下：

风速：测量范围：1—67m/s,精度：5%,分辨率:0.1m/s

风向：测量范围:0-3600,精度：±70,分辨率：10

空气温度：测量范围：-40至U+65℃,精度：±0.5℃,分辨率，

o.rc

相对湿度：测量范围：0-100%,精度：±3%,分辨率：1%；

降雨量：测量范围：天0-9999mm；月0至U19999mm；年0到

19999mm；精度：±4%；分辨率：0.2mm；

太阳辐射:反应波段:300-1lOOnm；测量范围：0-1800W/m2；精

度：±5%；分辨率:lW/m2；

土壤温度:测量范围：・40至心65℃,精度：±0.5℃,分辨率：1℃；

土壤湿度：测量范围：0%〜100%体积含水量；精度±3%

气压：测量范围:800-1lOOhPa,精度:±1.0hPa,分辨率：O.lhPa；

SMC6100GPRS数据采集器

供电电压5〜12VDc

一体式太阳能供电系统，含太阳能板，充放电控制器

受控电源输出8路

模拟输入8路单端

27

A/D位12bit

模拟分辨率0.6mV

工作温度・20〜+50℃

输入信号0〜2.5V

数据端口RS-232&RS-485

远程无线支持GPRS/GSM/WSN

可连接8通道SMC-EX扩展单元

（5）农田信息便携式测量终端与分析系统

针对作物生产指标农业现场环境恶劣、用户维护和购买能力弱的

特点，运用嵌入式测控技术、无线通信技术与计算机技术，研究适合

农业现场应用的无线传感器网络技术，首先突破大田环境下的无线网

络功率自适应控制、自组网和智能供电技术，提高无线网络的可靠性

与覆盖范围；其次，在农业智能传感技术基础上，研究嵌入式测控与

无线传输一体化技术和工艺，提高农业现场测控终端的可靠性和实用

性；第三，制定农业现场信息无线传感技术标准，提高农业现场测控

终端的兼容性和标准化程度，为大规模普及农业现场测控终端设备奠

定基础。

功能要求包括采集作物生长图像、图片，采集农事操作过程及事

件，生产作业调度及作业人员及农机作为轨迹位置跟踪记录。实现作

业人员、农业管理人员、农业专家的远程管理机互动。

性能要求包括具有GPS定位精度控制在10米范围，生产作业管

理机调度。续航能力大于12小时，显示屏大于5英寸。

产业生产价格控制在5000元以内。

28

4•农田病虫害远程监测预警与无人机防治装备建设

（1）农田病虫害监测设备与预警分析系统

病虫害预测主要是利用专家系统技术和模型技术进行生产中主

要病虫害的预测，因此该功能将集成IPMist实验室开发的基于

WebGIS的农业病虫害预测预报专家系统，并配合相应的模型预测功

能，综合专家系统预测和模型预测的结果进行病虫害防治指导。该系

统主要实现主要病虫害监测点监测数据信息的管理（添加、删除、修

改等）、监测数据导入、地区数据管理、气象数据管理和区域统计数

据管理等功能，这部分功能在一定程度上体现了系统的开放性和可扩

展性。通过该系统能够对所有的数据进行管理，其中监测数据管理是

整个系统的主要功能。病虫害预报及防治指导等信息发布这部分功能

主要是利用网络技术和其他通信方式等进行病虫害预报和防治信息

的发布，以使这些信息能够实时到达用户，保证病虫害防治工作的及

时、有效。信息发布方式包括GIS专题图、文本或其他形式。主要工

作包括：

1）建立病虫害预测模型数据库

总结项目承担单位病虫害发生危害规律的多年研究成果，建立当

地病虫害的相关预测模型；收集整理相关文献，验证模型的实用性，

使模型本地化；将上述模型输入系统预测模型管理子系统的预测模型

数据库中，用于病虫害的预测。

2）专家知识的收集和整理

对于一些尚未能建立模型或建模数据支撑不足的病虫害，可通过

总结相关病虫害测报和防治等专家的多年经验，按相关的知识模型进

行整理，输入到系统的病虫害测报专家知识库，用于相关病虫害的预

29

测。

3）病虫害预测预报系统的构建

以网络地理信息系统（WebGIS）为底层框架，利用PHP语言将

病虫害监测信息数据库、气象数据库、预测预报模型管理系统及预测

预报专家系统进行集成，进行病虫害的预测预报，将数字结论转化为

直观易懂的电子地图，通过地理信息系统显示出来，有效、方便地为

我省病虫害防治提供预警信息服务；系统将病虫害数据库和预测预报

模型数据库设计成动态结构，能够将各种模型和病虫害的资料根据

需要动态的添加到系统中。

（2）无人机喷药智能装备

中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的农业植

保作业，我国每年农药中毒人数有15万之众，致死率约20%。农药

残留和污染造成的病死人数至今尚无官方统计，想必更是一个惊人数

字。植保无人机服务农业在日本、美国等发达国家得到了快速发展，

在中国无人机的需求越来越明显。在农村劳动力缺失的今天，一方面,

农村青壮年劳动力缺乏，而长期与农药接触易中毒，越来越多的年轻

人都不愿意下的喷洒农药，从而导致农忙时节请不到人打药。另一方

面，手工和拖拉机喷洒农药的方式效率低、效果差，无法及时有效地

防治大规模病虫害，而且拖拉机还会轧伤或轧死作物，造成作物减产

等。为了提高病虫害防治能力和提高农产品质量，农户亟须一种高效、

经济的植保机械代替人力或拖拉机来进行农药喷洒。

在技术上，通过开展低空低量施药技术、航空施药飘移控制技术、

飘移检测及安全评估研究，开发农业轻型无人机施药技术装备，建立

农业航空施药技术服务体系。为水田、高秆作物病虫防治提供技术支

30

持，提高国家对突发性大面积病虫害防治水平，保障国家粮食安全。

通过项目的实施，填补国内航空静电喷雾技术及装备的缺陷，降低农

药使用量，提高病虫害防治水平。通过航空喷嘴模型、飘移预测模型、

航空喷洒质量评估研究，形成我国自主航空施药研究体系，探索适合

我国国情的航空施药技术服务体系，服务于我国农业现代化。根据应

用需求，为用户提供弹射固定翼无人机系统及多旋翼植保无人机系

统，并配置相应数据软件。多旋翼植保无人机系统配置多旋翼无人机

平台、喷淋系统、地面站及相关配件，实现数字农业对农作物药物喷

洒等方面的应用需求。具体技术指标如下：

农用无人机最大净载量17kg；

飞行时间：空载飞行225分钟；满载17升水喷洒时间215分钟；

作业面积：每架次作业面积30〜35亩、每小时作业100〜120亩、

每天作业400〜600亩；

作业精度：可实现精准农业需要的定高、定速、定距离飞行。

5.数据中心软硬件系统建设

硬件系统建设包含网络系统、主机系统、存储备份系统三个部分

建设内容。软件系统包括操作系统、应用中间件、虚拟机、数据库、

GIS系统、数字农业应用系统等。

（1）网络系统

项目数据中心将依托现代互联网技术、物联网技术和企业现有网

络资源进行建设，利用互联网和物联网技术实现项目实施区域及周边

企业（农场）共享共用数字农业信息系统平台数据，开展农业相关业

务，该平台承载“互联网+种植业”“互联网+农机服务”“互联网+

产品质量安全追溯”“互联网+农业技术推广”“互联网+农业金融”

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等业务系统，实现对种植业生产、加工、流通、质量监控和金融服务

的集中监管和决策指挥。网络结构如下图所示：

互联网

ISP运营商2ISP运营商1

（2）主机系统

服务器是业务系统的核心设备，必须先进、可靠、高效、安全、

可扩展等要求，应具备强大的处理能力、快速的磁盘访问和高可靠性、

32

高可用性等特点。同时体系结构应符合开放的标准，具有扩充的余地,

最大范围地支持业界主流的操作系统和应用软件，充分满足持续快速

的发展需要。

1）主机系统选型原则

服务器的设计处理能力要求满足所有相关应用和规模的需求，并

应考虑全部系统的开销及应用切换时性能余量和保留20%的性能冗

余。选择服务器时应考虑如下几个因素：

内存容量充足，延时小，并可以方便地扩充。

硬件系统可以方便地进行升级以适应未来信息增长的需要，同时

服务器硬件和操作系统升级不会影像数据库管理系统和应用软件的

运行。

2）主机系统设计

序号设备角色设备参数数量/台

机架式服务器

高度W4U

处理器配置处理器数量

每个处理器不低于：

八核IntelE7系列处理器，主频2

1数据库服务器2GMHz2

内存型号DDR3RDIMM,内存频率

21333MHz,内存264GB

SAS硬盘，容量2300GB,转速2

15000转/分

硬盘数量24块

机架式服务器

高度W4U

处理器配置处理器数量24

每个处理器不低于：

VmWarc服务资源物理

2八核IntelE7系列处理器,主频?8

服务器

2GMHz

内存型号DDR3RDIMM,内存频率

21333MHz，内存264GB

SAS硬盘，容量2300GB,转速2

33

序号设备角色设备参数数量/台

15000转/分

硬盘数量24块

考虑到投资和以后扩展的需求，建议采用dell刀片服务器，项目

设计配置10台中高端dell刀片服务器，其中2台服务器用于承载数

据库服务，并实现双机热备功能；其余8台服务器通过VMWare虚

拟化软件形成服务资源池，承载各项业务应用。

3）存储系统

①设计原则

大容量、高扩展

按照一般数据保留3年，特别重要数据长期保留标准进行存储量

设计。因此，存储系统不仅要容量大，扩展性也要好，能够根据数据

量的增长提供无缝、无停机的容量扩充。

可管理性

存储系统保存有大量数据，对这些数据的管理不仅体现在应用层

的管理，还体现在对存储系统的管理，如系统性能和流量的监测和存

储系统的负载均衡等。

高可靠性

由于大量数据存储的重要性，本平台对可靠性有着较高的要求，

需要保障整个业务数据的高可靠性，不仅能够在正常情况下的稳定运

行，而且保证在意外情况故障或重负载情况下业务数据的可靠性。

②存储系统设计

存储系统采用主从存储架构，满足用户不同存储容量和存储高可

靠性要求，兼容不同类型、不同模式、不同容量的硬盘。存储总容量

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按照200T规划，存储有效可用空间容量按照100T以上设计。

4）操作系统

服务器操作系统作为数据库管理系统和高层中间件服务支持的

实体，考虑到系统的易用、性能、安全、可靠性等要求，建议采用linux

操作系统。

5）应用中间件

应用中间件部署于具体的'业务应用系统，本次项目建设的应用中

间件应具有先进性、高度稳定性、高度可靠性，支持主流的业界标准。

满足以下技术要求：

支持基于J2EE体系架构的业务逻辑处理环境和应用部署环境：

支持多种网络通信协议（TCP/IP、SPX/IPX、X.25、SNA、NetBIOS、

NamedPipe等），支持多种网络拓扑逻辑；

应用中间件能够与主流的关系型数据库系统、事务/交易处理系

统和其他应用实现功能强大的集成；

应用中间件应提供完整的管理手段，图形化友好的管理界面，图

形化的问题诊断工具，图形化的性能管理关高工具等。

6）VMware虚拟机技术

虚拟机是一种高度隔离的软件容器，它可以运行自己的操作系统

和应用程序，就好像它是一台物理计算机一样。虚拟机的行为完全类

似于一台物理计算机，它包含自己的虚拟（即基于软件实现的）CPU、

RAM硬盘和网络接口卡（NIC）o操作系统无法分辨虚拟机与物理机

之间的差异，应用程序和网络中的其他计算机也无法分辨。即使是虚

拟机本身也认为自己是一台“真正的”计算机。不过，虚拟机完全由

软件组成，不含任何硬件组件。因此，虚拟机具备物理硬件所没有的

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很多独特优势。通过VMwareVCenter的管理，使vSphere具有「资

源优化和高可用性特征。

VSphereVmotion

使用VMotion迁移运行中的虚拟机和执行无中断的IT环境维护

VMotion；平台管理模块要能提供VMotion功能，可以方便地时间虚

拟机不停机地从一台PC服务器迁移到另外一台，从而避免“多个鸡

蛋放到一个篮子”可能造成的顾虑，同时现在支持通过较高延迟的网

络链路进行虚拟机迁移。

vSphereHA

平台管理要能提供高可用解决方案，如HA、FT容错功能，确保

虚拟机的可用性。

使用VMwareHA