T-CI 318-2024 农场数据采集与互联融合技术规范

ICS35.240.01CCSL67TechnicalSpecificationforFarmDataAcquisitionandInterconnectio2024-03-28发布中国国际科技促进会发布IT/CI318-2024 II 12规范性引用文件 13术语与定义 14总体要求 15传感器的安装 36多源信息通信传输 87多源信息互联融合 9T/CI318-2024本文件按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由河南科技大学提出。本文件由中国国际科技促进会归口。本文件起草单位：河南科技大学、北京交通大学、清华大学、洛阳理工学院、北京奇虎科技有限公司、中国联合网络通信有限公司智能城市研究院、中国电信股份有限公司研究院、龙门实验室、洛阳辰汉农业装备科技股份有限公司、佳讯飞鸿（北京）智能科技研究院有限公司、河南群智信息技术有限公司、国科联盟（北京）国际信息科学研究院。本文件主要起草人：朱军龙、刘牧华、吴庆涛、权伟、刘云浩、张明川、苏伟、王国勇、张建新、金鑫、刘琪、马小婷、王天伟、郑瑞娟、冀治航、周云峰、李喆、王晓军、赵旭辉、马淏、杨美怡、胡丛敏。本文件为首次发布。1T/CI318-2024农场数据采集与互联融合技术规范本文规定了农场数据采集与互联融合的总体要求、传感器的安装、多源信息通信传输、多源信息互联融合要求。本文件适用于农场中利用专用传感器对作业信息、环境气象信息、作物信息、土壤墒情信息、农机装备信息等相关数据的采集及互联融合。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语与定义下列术语和定义适用于本文件。3.1多源互联融合multisourceinterconnectionfusion将来自不同来源的数据、信息、资源或系统有机地整合在一起，以实现更高效、协同和综合的功能。3.2时间戳timestamp用于表示特定时间点的时间值的一个标记或标识。通常是一个数字或字符串，用于记录某个事件发生的确切时间。3.3时间对齐timeAlignment在不同传感器设备或数据源中的时间标尺进行同步和调整，以确保它们在相同的时间基准下进行测量和记录。3.4空间对齐spaceAlignment将来自不同空间坐标系的数据或信息进行整合和调整，以确保它们在相同的空间参考下对应到相同的位置。4总体要求4.1基本要求2T/CI318-20244.1.1数据采集的构成数据的采集应至少包括环境气象信息、作物信息、土壤墒情信息、作业信息、农机装备信息等。4.1.2数据采集的指标4.1.2.1环境气象数据采集应包括空气温度、空气湿度、光照、风向、风速、气压和雨雪4.1.2.2作物信息采集应包括作物生长期、作物高度、病虫害等。4.1.2.3土壤墒情信息采集应包括土壤营养成分（氮、磷、钾含量）、土壤温度、湿度、酸4.1.2.4作业信息采集应包括播种量、施肥量、剩余农资、行驶轨迹等。4.1.2.5农机装备信息应包括机具型号、基本参数等。4.1.3数据采集的要求数据收集应具有完整性、准确性、隐私性、安全性以及时效性。4.2总体框架农场数据采集与互联融合技术总体路线如图1所示。图1总体路线图3T/CI318-20245传感器的安装5.1拖拉机用传感器5.1.1传感器及部署位置5.1.1.1在预作业区耕作、播种、施肥及收获等环节需要设置精准导航路径规划，布置的传感器应能实现跟踪、转弯掉头、紧急制动、避障、倒车、断点续行、机具提升等基本功能。5.1.1.2传感器的位置见图2和图3。5.1.2北斗定位获取拖拉机位置信息的定位系统应具有北斗RNSSB3和RDSS定位通信、位置报告、地图导航、数据传输、图像拍摄、重力感应、光线感应、电子罗盘等功能。可扩充自组网功能，实现区域信息共享。定位精度水平误差±2.5cm，高程误差±10cm。5.1.3摄像头5.1.3.1摄像头宜置于拖拉机顶部与四周，用于监视无人驾驶拖拉机周围的环境情况。5.1.3.2根据作业监测需要，摄像头可选用单目摄像机、双目摄像机、三目摄像机和环视摄像机。单目摄像机不适用于测量远距物体。双目摄像机具备获取测距结果和提供图像分割能力。三目摄像机由前视窄视野摄像头（最远感知150m）、前视主视野摄像头（最远感知100m）和前视宽视野摄像头（最远感知60m）组成。5.1.4毫米波雷达毫米波雷达应安装于无人驾驶拖拉机前方与机体两侧，用于碰撞预警、盲区检测、车道偏离预警。毫米波雷达具有24GHz、77GHz和79GHz频段，其中24GHz频段雷达适用于近处障碍物的检测，如倒车时盲点检测、变道辅助。77GHz和79GHz频段适用于长距离测量。5.1.5速度传感器用于测量无人驾驶拖拉机速度的传感器应至少满足以下要求：——速度范围：0km/h~25km/h；——精度：±0.1km/h；——分辨率：0.01km/h；——刷新率：50Hz；——工作温度：-29℃~70℃;4T/CI318-2024——防护等级：IP67。5.1.6转角传感器用于测量车轮的转向角度并将信息反馈给控制系统的转角传感器应至少满足以下要求：——范围：±90°;——刷新率：50Hz——工作温度：-40℃~85℃;——防护等级：IP67。图2拖拉机上传感器安装位置5.1.7机具的自动升降传感器安装在机具的升降部件上，用于监测和控制机具的升降状况的传感器应至少满足以下要求：——范围：根据实际作业需要选取；——精度：±1mm——分辨率：0.1mm；——刷新率：50Hz——工作温度：-40℃~85℃;——防护等级：IP67。图3智慧拖拉机传感器位置5T/CI318-20245.2播种施肥装备传感器播种施肥装备用传感器的安装位置见图4。5.2.1播种控制传感器安装在播种器具上，用于检测种子的投放量、间距和深度确保农作物的均匀种植和优质产量。根据实际作业需要播种器的深度可在3cm~6cm，行距15cm~30cm进行调节。5.2.2施肥控制传感器安装在施肥喷杆或施肥箱内，用于测量土壤养分含量。农作物需要施肥时，根据实时数据精确控制施肥量。施肥控制传感器应至少满足以下要求：——刷新率：50Hz——工作温度/湿度：-10℃~50℃/95%。5.2.3剩余物资感知器安装在种箱/肥箱内，用于检测剩余化肥或种子的数量。——工作电压：3-5V；——灵敏度：1Kpa；——响应时间：10ms；——工作环境温度：-40℃~85℃;——工作电流：≤3mA。图4播种施肥传感器位置5.3农场地貌传感器农场地貌传感器宜使用分布式布置，以覆盖整个农场的不同区域，并实时监测多种环境参数和农业指标。在农田表面、农作物植株、农场周围和土壤下层四个处环境安装农场地貌分布式传感器。农场地貌用传感器的安装位置见图5。6T/CI318-20245.3.1土壤墒情传感器5.3.1.1土壤湿度传感器传感器数量根据实际监测需要确定。土壤湿度传感器应至少满足以下要求：——范围：0~100%；——精度：3%；——分辨率：0.1%；——频域：100MHz；——测量方式：插入式或埋藏式；——平均功耗：0.5mA（存储间隔60s）。5.3.1.2土壤温度传感器用于测量土壤表面温度的传感器应至少满足以下要求：——范围：-30℃~70℃;——平均功耗：0.5mA（存储间隔60s）。5.3.1.3土壤酸度（pH）传感器用于测量土壤酸碱度的传感器应至少满足以下要求：——温度范围：0℃~105℃;——分辨率：0.1；——预热时间：小于或等于10s。5.3.1.4光照传感器安装在农田表面或植物上方，用于作物的光合作用和光周期管理。感光体带滤光片的硅蓝片光伏探测器应至少满足以下要求：——测量范围：0Lux~200000Lux；——波长范围：380nm~730nm，——工作温度范围：-20℃~70℃。5.3.1.5土壤氮、磷、钾含量传感器埋入土壤下层，测量土壤中关键养分的含量。传感器应至少满足以下要求：——测量量程：0mg/kg～1999mg/kg；7T/CI318-2024——测量精度：±3%mg/kg；——分辨率：1mg/kg；——供电电压：5VDC～24VDC；——工作范围：0℃~50℃;——响应时间：小于10s。5.3.2农作物植株5.3.2.1蒸腾速率传感器安装在作物周围，距土壤表面1000mm±20mm处。传感器应至少满足以下要求：——空气温度范围：0℃-50℃、分辨率：0.1℃;——空气湿度范围：0-100%、分辨率：0.1℃;——叶片湿度范围：0℃-50℃、分辨率：0.1℃;——光合有效辐射（PAR）范围：0-2500µmolm㎡/s、精度：小于5µmolm㎡/s；——流量测量范围：0~1L/min，分辨率：0.1L/min。5.3.2.2病虫害监测传感器安装在植株附近，监测植物是否感染病虫害。传感器应至少满足以下要求：——RGB输出：5.1MP；——分辨率：1456*1088；——视野范围：49.6°HFOVx38.3°VFOV(MS)、44.5°HFOVx37.7°VFOV(PAN)；——供电电压：7.0V-25.2V；——电源输入：5/7.0/10W(待机、平均、峰值)；——捕获率：每3S一次捕获原始DNG。5.3.3农场周边环境传感器5.3.3.1风速传感器安装在农场周边，监测风速，避免风灾对农作物的影响。传感器应至少满足以下要求：——分辨率：0.1m/s；——启动风速：0.5m/s；——工作环境温度：-40℃~50℃;——准确度范围：±(0.3+0.03V)m/s；——供电方式：DC5V/DC7-24V。8T/CI318-20245.3.3.2雨量传感器安装在农场周边，监测降雨量，帮助农场管理者进行灌溉和排水规划，安装位置见图5。雨量传感器应至少满足以下要求：——测量范围：0～4mm/min（可在小于8mm/min条件下正常工作——测量误差：±3%（测试雨强2mm/min——分辨率：0.2mm；——工作环境：-10℃~80℃之间，相对湿度<95%(40℃)；——承水口径：φ200mm+0.6mm，外刃口角度45°。图5农田传感器位置6多源信息通信传输6.1智慧农场中的数据传输数据传输流程见图6。6.1.1安装数据采集节点根据实际需要确定数据采集节点数量，采集点间隔5m。6.1.2数据采集频率农场中传感器采集频率5min/次，农机装备中的传感器采集频率1min/次。6.1.3数据打包使用Zigbee模块将收集到的数据打包成JSON格式的数据传送给主节点。JSON格式的数据信息包括传感器ID、时间戳、传感器的测量值、位置信息以及传感器的元数据。6.1.4建立通信连接9T/CI318-2024主节点通过基站使用TCP/IP协议与云服务器建立连接。6.1.5数据传输每隔1h将各个节点打包好的JSON数据上传至服务器。6.1.6数据解析解析收集到的JSON数据，存储至数据库中。6.1.7数据可视化开发web程序，连接数据库，进行图表的可视化。6.1.8数据存储与备份每个月应对数据进行备份，存储周期为六个月，到期之后可自动对数据进行清理。6.1.9服务器要求服务器需要拥有大容量的内存、支持快速读写的存储设备(SSD或NVMe驱动器)、能够使用集群或分布式系统来处理大规模的并行数据流、低延迟的网络连接和支持快速数据传输的高速以太网交换机。图6传感器数据传输流程图7多源信息互联融合7.1多源数据融合数据预处理7.1.1获取数据结构解析JSON格式的数据结构信息，包括传感器ID、时间戳、传感器的测量值、位置信息、传感器的元数据等信息。7.1.2提取数据从数据库中提取数据信息。T/CI318-20247.1.3数据对齐对提取的数据信息进行时间对齐和空间对齐。7.2多源数据融合方法多源融合技术的流程见图7。图7多源信息融合技术示意图7.2.1数据对齐提取存储到服务器中的数据，使用时间对齐与空间对齐进行预处理后使用加权平均法与多贝叶斯估计法进行多源数据融合。7.2.2加权平均法7.2.2.1对农田地面部署的传感器以及农机装备中传感器测量到的多条冗余信息进行加权平均，将最终的结果作为融合值，具体步骤如下：1)收集来自不同传感器的土壤湿度数据；2)为每个传感器分配一个权重，反映其可靠性或精度。较可靠或精确的传感器可以被赋予更高的权重；3)将每个传感器的土壤湿度数据与其对应的权重相乘；4)将所有乘积的结果相加；5)将总和除以所有权重的总和，得到加权平均的土壤湿度值。7.2.2.2基于加权平均方法的评价指标如下：——加权平均误差：计算预测的作物产量与实际产量之间的平均误差。——加权平均绝对误差：计算预测的作物产量与实际产量之间的平均绝对误差。7.2.3多贝叶斯估计法