T-CI 318-2024 農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范

ICS35.240.01CCSL67TechnicalSpecificationforFarmDataAcquisitionandInterconnectio2024-03-28發(fā)布中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)發(fā)布IT/CI318-2024 II 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)與定義 14總體要求 15傳感器的安裝 36多源信息通信傳輸 87多源信息互聯(lián)融合 9T/CI318-2024本文件按GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。本文件由河南科技大學(xué)提出。本文件由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)歸口。本文件起草單位：河南科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、清華大學(xué)、洛陽(yáng)理工學(xué)院、北京奇虎科技有限公司、中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智能城市研究院、中國(guó)電信股份有限公司研究院、龍門實(shí)驗(yàn)室、洛陽(yáng)辰漢農(nóng)業(yè)裝備科技股份有限公司、佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司、河南群智信息技術(shù)有限公司、國(guó)科聯(lián)盟（北京）國(guó)際信息科學(xué)研究院。本文件主要起草人：朱軍龍、劉牧華、吳慶濤、權(quán)偉、劉云浩、張明川、蘇偉、王國(guó)勇、張建新、金鑫、劉琪、馬小婷、王天偉、鄭瑞娟、冀治航、周云峰、李喆、王曉軍、趙旭輝、馬淏、楊美怡、胡叢敏。本文件為首次發(fā)布。1T/CI318-2024農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范本文規(guī)定了農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合的總體要求、傳感器的安裝、多源信息通信傳輸、多源信息互聯(lián)融合要求。本文件適用于農(nóng)場(chǎng)中利用專用傳感器對(duì)作業(yè)信息、環(huán)境氣象信息、作物信息、土壤墑情信息、農(nóng)機(jī)裝備信息等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集及互聯(lián)融合。2規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)與定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1多源互聯(lián)融合multisourceinterconnectionfusion將來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)、信息、資源或系統(tǒng)有機(jī)地整合在一起，以實(shí)現(xiàn)更高效、協(xié)同和綜合的功能。3.2時(shí)間戳timestamp用于表示特定時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間值的一個(gè)標(biāo)記或標(biāo)識(shí)。通常是一個(gè)數(shù)字或字符串，用于記錄某個(gè)事件發(fā)生的確切時(shí)間。3.3時(shí)間對(duì)齊timeAlignment在不同傳感器設(shè)備或數(shù)據(jù)源中的時(shí)間標(biāo)尺進(jìn)行同步和調(diào)整，以確保它們?cè)谙嗤臅r(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行測(cè)量和記錄。3.4空間對(duì)齊spaceAlignment將來(lái)自不同空間坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行整合和調(diào)整，以確保它們?cè)谙嗤目臻g參考下對(duì)應(yīng)到相同的位置。4總體要求4.1基本要求2T/CI318-20244.1.1數(shù)據(jù)采集的構(gòu)成數(shù)據(jù)的采集應(yīng)至少包括環(huán)境氣象信息、作物信息、土壤墑情信息、作業(yè)信息、農(nóng)機(jī)裝備信息等。4.1.2數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)4.1.2.1環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集應(yīng)包括空氣溫度、空氣濕度、光照、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和雨雪4.1.2.2作物信息采集應(yīng)包括作物生長(zhǎng)期、作物高度、病蟲(chóng)害等。4.1.2.3土壤墑情信息采集應(yīng)包括土壤營(yíng)養(yǎng)成分（氮、磷、鉀含量）、土壤溫度、濕度、酸4.1.2.4作業(yè)信息采集應(yīng)包括播種量、施肥量、剩余農(nóng)資、行駛軌跡等。4.1.2.5農(nóng)機(jī)裝備信息應(yīng)包括機(jī)具型號(hào)、基本參數(shù)等。4.1.3數(shù)據(jù)采集的要求數(shù)據(jù)收集應(yīng)具有完整性、準(zhǔn)確性、隱私性、安全性以及時(shí)效性。4.2總體框架農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)總體路線如圖1所示。圖1總體路線圖3T/CI318-20245傳感器的安裝5.1拖拉機(jī)用傳感器5.1.1傳感器及部署位置5.1.1.1在預(yù)作業(yè)區(qū)耕作、播種、施肥及收獲等環(huán)節(jié)需要設(shè)置精準(zhǔn)導(dǎo)航路徑規(guī)劃，布置的傳感器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)跟蹤、轉(zhuǎn)彎掉頭、緊急制動(dòng)、避障、倒車、斷點(diǎn)續(xù)行、機(jī)具提升等基本功能。5.1.1.2傳感器的位置見(jiàn)圖2和圖3。5.1.2北斗定位獲取拖拉機(jī)位置信息的定位系統(tǒng)應(yīng)具有北斗RNSSB3和RDSS定位通信、位置報(bào)告、地圖導(dǎo)航、數(shù)據(jù)傳輸、圖像拍攝、重力感應(yīng)、光線感應(yīng)、電子羅盤等功能。可擴(kuò)充自組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)區(qū)域信息共享。定位精度水平誤差±2.5cm，高程誤差±10cm。5.1.3攝像頭5.1.3.1攝像頭宜置于拖拉機(jī)頂部與四周，用于監(jiān)視無(wú)人駕駛拖拉機(jī)周圍的環(huán)境情況。5.1.3.2根據(jù)作業(yè)監(jiān)測(cè)需要，攝像頭可選用單目攝像機(jī)、雙目攝像機(jī)、三目攝像機(jī)和環(huán)視攝像機(jī)。單目攝像機(jī)不適用于測(cè)量遠(yuǎn)距物體。雙目攝像機(jī)具備獲取測(cè)距結(jié)果和提供圖像分割能力。三目攝像機(jī)由前視窄視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知150m）、前視主視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知100m）和前視寬視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知60m）組成。5.1.4毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)應(yīng)安裝于無(wú)人駕駛拖拉機(jī)前方與機(jī)體兩側(cè)，用于碰撞預(yù)警、盲區(qū)檢測(cè)、車道偏離預(yù)警。毫米波雷達(dá)具有24GHz、77GHz和79GHz頻段，其中24GHz頻段雷達(dá)適用于近處障礙物的檢測(cè)，如倒車時(shí)盲點(diǎn)檢測(cè)、變道輔助。77GHz和79GHz頻段適用于長(zhǎng)距離測(cè)量。5.1.5速度傳感器用于測(cè)量無(wú)人駕駛拖拉機(jī)速度的傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——速度范圍：0km/h~25km/h；——精度：±0.1km/h；——分辨率：0.01km/h；——刷新率：50Hz；——工作溫度：-29℃~70℃;4T/CI318-2024——防護(hù)等級(jí)：IP67。5.1.6轉(zhuǎn)角傳感器用于測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)向角度并將信息反饋給控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——范圍：±90°;——刷新率：50Hz——工作溫度：-40℃~85℃;——防護(hù)等級(jí)：IP67。圖2拖拉機(jī)上傳感器安裝位置5.1.7機(jī)具的自動(dòng)升降傳感器安裝在機(jī)具的升降部件上，用于監(jiān)測(cè)和控制機(jī)具的升降狀況的傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——范圍：根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要選?。弧龋骸?mm——分辨率：0.1mm；——刷新率：50Hz——工作溫度：-40℃~85℃;——防護(hù)等級(jí)：IP67。圖3智慧拖拉機(jī)傳感器位置5T/CI318-20245.2播種施肥裝備傳感器播種施肥裝備用傳感器的安裝位置見(jiàn)圖4。5.2.1播種控制傳感器安裝在播種器具上，用于檢測(cè)種子的投放量、間距和深度確保農(nóng)作物的均勻種植和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)量。根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要播種器的深度可在3cm~6cm，行距15cm~30cm進(jìn)行調(diào)節(jié)。5.2.2施肥控制傳感器安裝在施肥噴桿或施肥箱內(nèi)，用于測(cè)量土壤養(yǎng)分含量。農(nóng)作物需要施肥時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精確控制施肥量。施肥控制傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——刷新率：50Hz——工作溫度/濕度：-10℃~50℃/95%。5.2.3剩余物資感知器安裝在種箱/肥箱內(nèi)，用于檢測(cè)剩余化肥或種子的數(shù)量?！ぷ麟妷海?-5V；——靈敏度：1Kpa；——響應(yīng)時(shí)間：10ms；——工作環(huán)境溫度：-40℃~85℃;——工作電流：≤3mA。圖4播種施肥傳感器位置5.3農(nóng)場(chǎng)地貌傳感器農(nóng)場(chǎng)地貌傳感器宜使用分布式布置，以覆蓋整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的不同區(qū)域，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種環(huán)境參數(shù)和農(nóng)業(yè)指標(biāo)。在農(nóng)田表面、農(nóng)作物植株、農(nóng)場(chǎng)周圍和土壤下層四個(gè)處環(huán)境安裝農(nóng)場(chǎng)地貌分布式傳感器。農(nóng)場(chǎng)地貌用傳感器的安裝位置見(jiàn)圖5。6T/CI318-20245.3.1土壤墑情傳感器5.3.1.1土壤濕度傳感器傳感器數(shù)量根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需要確定。土壤濕度傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——范圍：0~100%；——精度：3%；——分辨率：0.1%；——頻域：100MHz；——測(cè)量方式：插入式或埋藏式；——平均功耗：0.5mA（存儲(chǔ)間隔60s）。5.3.1.2土壤溫度傳感器用于測(cè)量土壤表面溫度的傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——范圍：-30℃~70℃;——平均功耗：0.5mA（存儲(chǔ)間隔60s）。5.3.1.3土壤酸度（pH）傳感器用于測(cè)量土壤酸堿度的傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——溫度范圍：0℃~105℃;——分辨率：0.1；——預(yù)熱時(shí)間：小于或等于10s。5.3.1.4光照傳感器安裝在農(nóng)田表面或植物上方，用于作物的光合作用和光周期管理。感光體帶濾光片的硅藍(lán)片光伏探測(cè)器應(yīng)至少滿足以下要求：——測(cè)量范圍：0Lux~200000Lux；——波長(zhǎng)范圍：380nm~730nm，——工作溫度范圍：-20℃~70℃。5.3.1.5土壤氮、磷、鉀含量傳感器埋入土壤下層，測(cè)量土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分的含量。傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——測(cè)量量程：0mg/kg～1999mg/kg；7T/CI318-2024——測(cè)量精度：±3%mg/kg；——分辨率：1mg/kg；——供電電壓：5VDC～24VDC；——工作范圍：0℃~50℃;——響應(yīng)時(shí)間：小于10s。5.3.2農(nóng)作物植株5.3.2.1蒸騰速率傳感器安裝在作物周圍，距土壤表面1000mm±20mm處。傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——空氣溫度范圍：0℃-50℃、分辨率：0.1℃;——空氣濕度范圍：0-100%、分辨率：0.1℃;——葉片濕度范圍：0℃-50℃、分辨率：0.1℃;——光合有效輻射（PAR）范圍：0-2500μmolm㎡/s、精度：小于5μmolm㎡/s；——流量測(cè)量范圍：0~1L/min，分辨率：0.1L/min。5.3.2.2病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器安裝在植株附近，監(jiān)測(cè)植物是否感染病蟲(chóng)害。傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——RGB輸出：5.1MP；——分辨率：1456*1088；——視野范圍：49.6°HFOVx38.3°VFOV(MS)、44.5°HFOVx37.7°VFOV(PAN)；——供電電壓：7.0V-25.2V；——電源輸入：5/7.0/10W(待機(jī)、平均、峰值)；——捕獲率：每3S一次捕獲原始DNG。5.3.3農(nóng)場(chǎng)周邊環(huán)境傳感器5.3.3.1風(fēng)速傳感器安裝在農(nóng)場(chǎng)周邊，監(jiān)測(cè)風(fēng)速，避免風(fēng)災(zāi)對(duì)農(nóng)作物的影響。傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——分辨率：0.1m/s；——啟動(dòng)風(fēng)速：0.5m/s；——工作環(huán)境溫度：-40℃~50℃;——準(zhǔn)確度范圍：±(0.3+0.03V)m/s；——供電方式：DC5V/DC7-24V。8T/CI318-20245.3.3.2雨量傳感器安裝在農(nóng)場(chǎng)周邊，監(jiān)測(cè)降雨量，幫助農(nóng)場(chǎng)管理者進(jìn)行灌溉和排水規(guī)劃，安裝位置見(jiàn)圖5。雨量傳感器應(yīng)至少滿足以下要求：——測(cè)量范圍：0～4mm/min（可在小于8mm/min條件下正常工作——測(cè)量誤差：±3%（測(cè)試雨強(qiáng)2mm/min——分辨率：0.2mm；——工作環(huán)境：-10℃~80℃之間，相對(duì)濕度<95%(40℃)；——承水口徑：φ200mm+0.6mm，外刃口角度45°。圖5農(nóng)田傳感器位置6多源信息通信傳輸6.1智慧農(nóng)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸流程見(jiàn)圖6。6.1.1安裝數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際需要確定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量，采集點(diǎn)間隔5m。6.1.2數(shù)據(jù)采集頻率農(nóng)場(chǎng)中傳感器采集頻率5min/次，農(nóng)機(jī)裝備中的傳感器采集頻率1min/次。6.1.3數(shù)據(jù)打包使用Zigbee模塊將收集到的數(shù)據(jù)打包成JSON格式的數(shù)據(jù)傳送給主節(jié)點(diǎn)。JSON格式的數(shù)據(jù)信息包括傳感器ID、時(shí)間戳、傳感器的測(cè)量值、位置信息以及傳感器的元數(shù)據(jù)。6.1.4建立通信連接9T/CI318-2024主節(jié)點(diǎn)通過(guò)基站使用TCP/IP協(xié)議與云服務(wù)器建立連接。6.1.5數(shù)據(jù)傳輸每隔1h將各個(gè)節(jié)點(diǎn)打包好的JSON數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。6.1.6數(shù)據(jù)解析解析收集到的JSON數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。6.1.7數(shù)據(jù)可視化開(kāi)發(fā)web程序，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行圖表的可視化。6.1.8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份每個(gè)月應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，存儲(chǔ)周期為六個(gè)月，到期之后可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。6.1.9服務(wù)器要求服務(wù)器需要擁有大容量的內(nèi)存、支持快速讀寫的存儲(chǔ)設(shè)備(SSD或NVMe驅(qū)動(dòng)器)、能夠使用集群或分布式系統(tǒng)來(lái)處理大規(guī)模的并行數(shù)據(jù)流、低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接和支持快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚僖蕴W(wǎng)交換機(jī)。圖6傳感器數(shù)據(jù)傳輸流程圖7多源信息互聯(lián)融合7.1多源數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)預(yù)處理7.1.1獲取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析JSON格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息，包括傳感器ID、時(shí)間戳、傳感器的測(cè)量值、位置信息、傳感器的元數(shù)據(jù)等信息。7.1.2提取數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)信息。T/CI318-20247.1.3數(shù)據(jù)對(duì)齊對(duì)提取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊和空間對(duì)齊。7.2多源數(shù)據(jù)融合方法多源融合技術(shù)的流程見(jiàn)圖7。圖7多源信息融合技術(shù)示意圖7.2.1數(shù)據(jù)對(duì)齊提取存儲(chǔ)到服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，使用時(shí)間對(duì)齊與空間對(duì)齊進(jìn)行預(yù)處理后使用加權(quán)平均法與多貝葉斯估計(jì)法進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合。7.2.2加權(quán)平均法7.2.2.1對(duì)農(nóng)田地面部署的傳感器以及農(nóng)機(jī)裝備中傳感器測(cè)量到的多條冗余信息進(jìn)行加權(quán)平均，將最終的結(jié)果作為融合值，具體步驟如下：1)收集來(lái)自不同傳感器的土壤濕度數(shù)據(jù)；2)為每個(gè)傳感器分配一個(gè)權(quán)重，反映其可靠性或精度。較可靠或精確的傳感器可以被賦予更高的權(quán)重；3)將每個(gè)傳感器的土壤濕度數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘；4)將所有乘積的結(jié)果相加；5)將總和除以所有權(quán)重的總和，得到加權(quán)平均的土壤濕度值。7.2.2.2基于加權(quán)平均方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：——加權(quán)平均誤差：計(jì)算預(yù)測(cè)的作物產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量之間的平均誤差。——加權(quán)平均絕對(duì)誤差：計(jì)算預(yù)測(cè)的作物產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量之間的平均絕對(duì)誤差。7.2.3多貝葉斯估計(jì)法