T-CI 318-2024 農(nóng)場數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術規(guī)范

ICS35.240.01CCSL67TechnicalSpecificationforFarmDataAcquisitionandInterconnectio2024-03-28發(fā)布中國國際科技促進會發(fā)布IT/CI318-2024 II 12規(guī)范性引用文件 13術語與定義 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《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別這些專利的責任。本文件由河南科技大學提出。本文件由中國國際科技促進會歸口。本文件起草單位：河南科技大學、北京交通大學、清華大學、洛陽理工學院、北京奇虎科技有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司智能城市研究院、中國電信股份有限公司研究院、龍門實驗室、洛陽辰漢農(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、河南群智信息技術有限公司、國科聯(lián)盟（北京）國際信息科學研究院。本文件主要起草人：朱軍龍、劉牧華、吳慶濤、權偉、劉云浩、張明川、蘇偉、王國勇、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)場數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術規(guī)范本文規(guī)定了農(nóng)場數(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)場中利用專用傳感器對作業(yè)信息、環(huán)境氣象信息、作物信息、土壤墑情信息、農(nóng)機裝備信息等相關數(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有規(guī)范性引用文件。3術語與定義下列術語和定義適用于本文件。3.1多源互聯(lián)融合multisourceinterconnectionfusion將來自不同來源的數(shù)據(jù)、信息、資源或系統(tǒng)有機地整合在一起，以實現(xiàn)更高效、協(xié)同和綜合的功能。3.2時間戳timestamp用于表示特定時間點的時間值的一個標記或標識。通常是一個數(shù)字或字符串，用于記錄某個事件發(fā)生的確切時間。3.3時間對齊timeAlignment在不同傳感器設備或數(shù)據(jù)源中的時間標尺進行同步和調(diào)整，以確保它們在相同的時間基準下進行測量和記錄。3.4空間對齊spaceAlignment將來自不同空間坐標系的數(shù)據(jù)或信息進行整合和調(diào)整，以確保它們在相同的空間參考下對應到相同的位置。4總體要求4.1基本要求2T/CI318-20244.1.1數(shù)據(jù)采集的構成數(shù)據(jù)的采集應至少包括環(huán)境氣象信息、作物信息、土壤墑情信息、作業(yè)信息、農(nóng)機裝備信息等。4.1.2數(shù)據(jù)采集的指標4.1.2.1環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集應包括空氣溫度、空氣濕度、光照、風向、風速、氣壓和雨雪4.1.2.2作物信息采集應包括作物生長期、作物高度、病蟲害等。4.1.2.3土壤墑情信息采集應包括土壤營養(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)機裝備信息應包括機具型號、基本參數(shù)等。4.1.3數(shù)據(jù)采集的要求數(shù)據(jù)收集應具有完整性、準確性、隱私性、安全性以及時效性。4.2總體框架農(nóng)場數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術總體路線如圖1所示。圖1總體路線圖3T/CI318-20245傳感器的安裝5.1拖拉機用傳感器5.1.1傳感器及部署位置5.1.1.1在預作業(yè)區(qū)耕作、播種、施肥及收獲等環(huán)節(jié)需要設置精準導航路徑規(guī)劃，布置的傳感器應能實現(xiàn)跟蹤、轉彎掉頭、緊急制動、避障、倒車、斷點續(xù)行、機具提升等基本功能。5.1.1.2傳感器的位置見圖2和圖3。5.1.2北斗定位獲取拖拉機位置信息的定位系統(tǒng)應具有北斗RNSSB3和RDSS定位通信、位置報告、地圖導航、數(shù)據(jù)傳輸、圖像拍攝、重力感應、光線感應、電子羅盤等功能?？蓴U充自組網(wǎng)功能，實現(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頂部與四周，用于監(jiān)視無人駕駛拖拉機周圍的環(huán)境情況。5.1.3.2根據(jù)作業(yè)監(jiān)測需要，攝像頭可選用單目攝像機、雙目攝像機、三目攝像機和環(huán)視攝像機。單目攝像機不適用于測量遠距物體。雙目攝像機具備獲取測距結果和提供圖像分割能力。三目攝像機由前視窄視野攝像頭（最遠感知150m）、前視主視野攝像頭（最遠感知100m）和前視寬視野攝像頭（最遠感知60m）組成。5.1.4毫米波雷達毫米波雷達應安裝于無人駕駛拖拉機前方與機體兩側，用于碰撞預警、盲區(qū)檢測、車道偏離預警。毫米波雷達具有24GHz、77GHz和79GHz頻段，其中24GHz頻段雷達適用于近處障礙物的檢測，如倒車時盲點檢測、變道輔助。77GHz和79GHz頻段適用于長距離測量。5.1.5速度傳感器用于測量無人駕駛拖拉機速度的傳感器應至少滿足以下要求：——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——防護等級：IP67。5.1.6轉角傳感器用于測量車輪的轉向角度并將信息反饋給控制系統(tǒng)的轉角傳感器應至少滿足以下要求：——范圍：±90°;——刷新率：50Hz——工作溫度：-40℃~85℃;——防護等級：IP67。圖2拖拉機上傳感器安裝位置5.1.7機具的自動升降傳感器安裝在機具的升降部件上，用于監(jiān)測和控制機具的升降狀況的傳感器應至少滿足以下要求：——范圍：根據(jù)實際作業(yè)需要選?。弧龋骸?mm——分辨率：0.1mm；——刷新率：50Hz——工作溫度：-40℃~85℃;——防護等級：IP67。圖3智慧拖拉機傳感器位置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圖4。5.2.1播種控制傳感器安裝在播種器具上，用于檢測種子的投放量、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)實際作業(yè)需要播種器的深度可在3cm~6cm，行距15cm~30cm進行調(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)，用于測量土壤養(yǎng)分含量。農(nóng)作物需要施肥時，根據(jù)實時數(shù)據(jù)精確控制施肥量。施肥控制傳感器應至少滿足以下要求：——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)，用于檢測剩余化肥或種子的數(shù)量。——工作電壓：3-5V；——靈敏度：1Kpa；——響應時間：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)場地貌傳感器農(nóng)場地貌傳感器宜使用分布式布置，以覆蓋整個農(nóng)場的不同區(qū)域，并實時監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)和農(nóng)業(yè)指標。在農(nóng)田表面、農(nóng)作物植株、農(nóng)場周圍和土壤下層四個處環(huán)境安裝農(nóng)場地貌分布式傳感器。農(nóng)場地貌用傳感器的安裝位置見圖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)實際監(jiān)測需要確定。土壤濕度傳感器應至少滿足以下要求：——范圍：0~100%；——精度：3%；——分辨率：0.1%；——頻域：100MHz；——測量方式：插入式或埋藏式；——平均功耗：0.5mA（存儲間隔60s）。5.3.1.2土壤溫度傳感器用于測量土壤表面溫度的傳感器應至少滿足以下要求：——范圍：-30℃~70℃;——平均功耗：0.5mA（存儲間隔60s）。5.3.1.3土壤酸度（pH）傳感器用于測量土壤酸堿度的傳感器應至少滿足以下要求：——溫度范圍：0℃~105℃;——分辨率：0.1；——預熱時間：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片光伏探測器應至少滿足以下要求：——測量范圍：0Lux~200000Lux；——波長范圍：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，測量土壤中關鍵養(yǎng)分的含量。傳感器應至少滿足以下要求：——測量量程：0mg/kg～1999mg/kg；7T/CI318-2024——測量精度：±3%mg/kg；——分辨率：1mg/kg；——供電電壓：5VDC～24VDC；——工作范圍：0℃~50℃;——響應時間：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；——流量測量范圍：0~1L/min，分辨率：0.1L/min。5.3.2.2病蟲害監(jiān)測傳感器安裝在植株附近，監(jiān)測植物是否感染病蟲害。傳感器應至少滿足以下要求：——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、平均、峰值)；——捕獲率：每3S一次捕獲原始DNG。5.3.3農(nóng)場周邊環(huán)境傳感器5.3.3.1風速傳感器安裝在農(nóng)場周邊，監(jiān)測風速，避免風災對農(nóng)作物的影響。傳感器應至少滿足以下要求：——分辨率：0.1m/s；——啟動風速：0.5m/s；——工作環(huán)境溫度：-40℃~50℃;——準確度范圍：±(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)場周邊，監(jiān)測降雨量，幫助農(nóng)場管理者進行灌溉和排水規(guī)劃，安裝位置見圖5。雨量傳感器應至少滿足以下要求：——測量范圍：0～4mm/min（可在小于8mm/min條件下正常工作——測量誤差：±3%（測試雨強2mm/min——分辨率：0.2mm；——工作環(huán)境：-10℃~80℃之間，相對濕度<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)場中的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸流程見圖6。6.1.1安裝數(shù)據(jù)采集節(jié)點根據(jù)實際需要確定數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)量，采集點間隔5m。6.1.2數(shù)據(jù)采集頻率農(nóng)場中傳感器采集頻率5min/次，農(nóng)機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。JSON格式的數(shù)據(jù)信息包括傳感器ID、時間戳、傳感器的測量值、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)點通過基站使用TCP/IP協(xié)議與云服務器建立連接。6.1.5數(shù)據(jù)傳輸每隔1h將各個節(jié)點打包好的JSON數(shù)據(jù)上傳至服務器。6.1.6數(shù)據(jù)解析解析收集到的JSON數(shù)據(jù)，存儲至數(shù)據(jù)庫中。6.1.7數(shù)據(jù)可視化開發(fā)web程序，連接數(shù)據(jù)庫，進行圖表的可視化。6.1.8數(shù)據(jù)存儲與備份每個月應對數(shù)據(jù)進行備份，存儲周期為六個月，到期之后可自動對數(shù)據(jù)進行清理。6.1.9服務器要求服務器需要擁有大容量的內(nèi)存、支持快速讀寫的存儲設備(SSD或NVMe驅(qū)動器)、能夠使用集群或分布式系統(tǒng)來處理大規(guī)模的并行數(shù)據(jù)流、低延遲的網(wǎng)絡連接和支持快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚僖蕴W(wǎng)交換機。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)預處理7.1.1獲取數(shù)據(jù)結構解析JSON格式的數(shù)據(jù)結構信息，包括傳感器ID、時間戳、傳感器的測量值、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)庫中提取數(shù)據(jù)信息。T/CI318-20247.1.3數(shù)據(jù)對齊對提取的數(shù)據(jù)信息進行時間對齊和空間對齊。7.2多源數(shù)據(jù)融合方法多源融合技術的流程見圖7。圖7多源信息融合技術示意圖7.2.1數(shù)據(jù)對齊提取存儲到服務器中的數(shù)據(jù)，使用時間對齊與空間對齊進行預處理后使用加權平均法與多貝葉斯估計法進行多源數(shù)據(jù)融合。7.2.2加權平均法7.2.2.1對農(nóng)田地面部署的傳感器以及農(nóng)機裝備中傳感器測量到的多條冗余信息進行加權平均，將最終的結果作為融合值，具體步驟如下：1)收集來自不同傳感器的土壤濕度數(shù)據(jù)；2)為每個傳感器分配一個權重，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重；3)將每個傳感器的土壤濕度數(shù)據(jù)與其對應的權重相乘；4)將所有乘積的結果相加；5)將總和除以所有權重的總和，得到加權平均的土壤濕度值。7.2.2.2基于加權平均方法的評價指標如下：——加權平均誤差：計算預測的作物產(chǎn)量與實際產(chǎn)量之間的平均誤差?！訖嗥骄^對誤差：計算預測的作物產(chǎn)量與實際產(chǎn)量之間的平均絕對誤差。7.2.3多貝葉斯估計法