熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李創(chuàng) 袁忠志

摘 要 熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)面向熱帶農(nóng)業(yè)信息化的需求，為生產(chǎn)種植提供成熟可靠的軟硬件解決方案，實現(xiàn)種植環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與科學(xué)化的生產(chǎn)管理。此系統(tǒng)平臺支持空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、土壤pH值、光照強度等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和無線傳輸，以可視化的方式完成環(huán)境信息的實時顯示與查詢、統(tǒng)計分析與圖表生成，集成了精準生產(chǎn)決策、生產(chǎn)管理、視頻監(jiān)控、遠程監(jiān)控等功能，覆蓋大棚和農(nóng)田種植所有場景的實際需求。通過該系統(tǒng)的研發(fā)與示范應(yīng)用，提高了熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的信息化水平。

關(guān)鍵詞 熱帶農(nóng)業(yè) ；實時 ；精準生產(chǎn) ；遠程監(jiān)控 ；遠程控制

中圖分類號 S126

Abstract The Tropical Agricultural Production Management System is a systematic， reliable software and hardware solution to response the increasing demands on the informatization of tropical agriculture. The proposed system supports real-time online monitoring on the environment parameters and scientific production management. Seven typical information， including the temperature， humidity and pH value of soils， the temperature and humidity of atmosphere， the density of carbon dioxide， and the solar illuminance， are automatically measured and wirelessly transmitted to the proposed system in real-time through the wireless sensors placed in the farmland. Meanwhile， the proposed system provides remotely real-time inquire， statistical analysis in a visualization way. Generally， the Tropical Agricultural Production Management and Monitoring System supports precise production decision， remote video surveillance， remote monitoring and control， which encompass the actual demands and all sectors of tropical agriculture. The application of the proposed system contributes to the improvement on the informatization level of tropical agriculture.

Key words tropical agriculture ； real-time ； precise production decision ； remote monitoring ； remote control

海南省享有“陽光島”的美譽，全年日照時間長，輻射能量大，年太陽總輻射量約為460.24-585.76 KJ/cm2，年日照時數(shù)為1 750-2 650 h，光照率為50 %-60 %[1]?？傮w而言，海南省光熱資源豐富、雨量充沛、年平均氣溫在22-26 ℃，發(fā)展農(nóng)業(yè)的自然條件得天獨厚，素有“南繁育種寶地”的美譽。海南省的農(nóng)田全年可以種植農(nóng)作物，冬季農(nóng)田播種面積大，各種農(nóng)作物年均可收獲2-3次，耕地產(chǎn)出效益高于內(nèi)地。此外，海南熱帶作物資源豐富，除了糧、果、瓜、菜等常見作物外，還擁有橡膠、咖啡、南藥等品種繁多的熱帶作物。隨著國家“十二五”戰(zhàn)略計劃的開展，海南省在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中積累了大量成果，形成了具有特色的海南農(nóng)業(yè)品牌。但海南省農(nóng)業(yè)由于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施較薄弱、農(nóng)產(chǎn)品科技含量低、品牌意識不夠等問題，其現(xiàn)代化進程較為緩慢。海南的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以農(nóng)戶獨立傳統(tǒng)作業(yè)，依靠經(jīng)驗種植為主，缺乏具有農(nóng)業(yè)品牌效應(yīng)明顯的農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)，嚴重影響了海南省農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化和快速化發(fā)展，制約了海南省特色農(nóng)業(yè)品牌的創(chuàng)建。海南省農(nóng)業(yè)信息化進程面臨的主要問題見圖1。

海南省農(nóng)業(yè)內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)施仍較薄弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)條件脆弱，與其它省還有一定的差距，與世界發(fā)達國家差距更大?？傮w而言，圖1中所示的6個方面技術(shù)問題制約了海南省的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展，是目前海南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)面臨的緊迫問題。因此，筆者分析海南省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合海南省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的實際需求，關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植環(huán)節(jié)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息技術(shù)為主線，設(shè)計了熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)，旨在解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)在海南省農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用問題，為海南農(nóng)業(yè)打造明星品牌效應(yīng)提供更好的解決方案，推進先進技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的融合和提升，最終提高海南省熱帶農(nóng)業(yè)的精細化生產(chǎn)和管理水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。圖2其中，智能大棚由布置在種植現(xiàn)場的遠程電氣控制柜、大棚中各類電氣設(shè)備（內(nèi)外遮陽篷、水簾、循環(huán)風(fēng)機等）和空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、土壤pH值、光照強度等環(huán)境參數(shù)傳感采集設(shè)備組成；熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)構(gòu)建在云平臺上，硬件設(shè)備由服務(wù)器和防火墻組成，同時支持手機/平板電腦以瀏覽器登錄的方式訪問；在云平臺上，系統(tǒng)提供視頻監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)資源融合與數(shù)據(jù)庫存儲等功能；最終，系統(tǒng)向生產(chǎn)管理人員提供大棚內(nèi)電氣設(shè)備的遠程自動控制、生產(chǎn)管理、生長環(huán)境優(yōu)化、種植趨勢分析等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)通信方式

傳統(tǒng)的信息服務(wù)平臺與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信主要通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，在終端節(jié)點數(shù)目不多的前提下，網(wǎng)絡(luò)功耗和通信質(zhì)量可以得到一定的保障。隨著傳感器節(jié)點數(shù)目的激增，傳統(tǒng)的Socket套接字通信方式已不能滿足基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢。為降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗，保障傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程信息服務(wù)平臺的通信質(zhì)量，熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所提出的消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）即時通信傳輸協(xié)議[2]，基于Mosquitto等構(gòu)建MQTT的服務(wù)器端，實現(xiàn)了發(fā)布/訂閱式消息傳輸，解決了傳感監(jiān)測信息、平臺信息、生產(chǎn)管理信息的即時推送（圖3）。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)構(gòu)建在遠程云平臺上，實現(xiàn)接入云平臺的設(shè)備無關(guān)性和操作系統(tǒng)無關(guān)性，為各類用戶提供統(tǒng)一的管理平臺，實現(xiàn)管理系統(tǒng)的無縫連接和無縫遷移，也避免了用戶在管理系統(tǒng)軟件升級過程中的困難和數(shù)據(jù)遷移不便影響。管理系統(tǒng)為運行在種植現(xiàn)場的遠程綜合自動控制平臺提供生產(chǎn)優(yōu)化、決策指導(dǎo)、預(yù)警信息發(fā)布、多源傳感網(wǎng)絡(luò)的信息存儲等功能，同時向授權(quán)登錄用戶和移動客戶端APP提供信息交互、設(shè)備運行狀況指示、生產(chǎn)管理信息錄入等功能。

在軟件實現(xiàn)過程中，基于多層架構(gòu)的方式，將熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)分解為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)層和平臺展示層。在數(shù)據(jù)存儲層將種植現(xiàn)場信息分解為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和聚合服務(wù)數(shù)據(jù)，其中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括作物信息監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，聚合服務(wù)數(shù)據(jù)包括基于GIS技術(shù)的電子地圖信息、空間信息數(shù)據(jù)等內(nèi)容；在數(shù)據(jù)訪問服務(wù)層提供基礎(chǔ)地圖信息、數(shù)據(jù)讀取權(quán)限控制、日志查詢、信息發(fā)布等功能模塊，為平臺展示層提供展示系統(tǒng)所需要的各種服務(wù)；平臺展示層使用Esri Silverlight API完成地圖的渲染，基于Silverlight渲染交互式可視化界面，完成界面工具欄、查詢欄等功能的展現(xiàn)，實現(xiàn)電子地圖、圖表、時間表、圖片、文字等信息的聚合和集中展示。

為了實現(xiàn)平臺功能和授權(quán)用戶安全登錄功能，采用Mosquitto、WebSphere MQ Explorer等MQTT服務(wù)器代理軟件，為信息平臺提供支持發(fā)布/訂閱消息機制的消息推送模式，實現(xiàn)了MQTT的協(xié)議棧的移植（圖4）?？紤]服務(wù)器端和客戶端之間的雙向安全問題，利用Eclipse等JAVA開發(fā)工具建立服務(wù)器端與移動客戶端的遙測（Telemetry）通道，通過JAAS（Java Authentication Authorization Service，JAVA驗證和授權(quán)服務(wù)）接口為兩端提供身份認證功能；利用iKeyTool等開發(fā)工具分別為客戶端和遙測通道生成服務(wù)器密鑰庫和自我簽名密鑰對，實現(xiàn)兩端的SSL（Secure Sockets Layer，安全套接層）安全登錄功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供狀態(tài)查詢功能模組、傳感器狀態(tài)查詢、基地生產(chǎn)記錄錄入與查詢、生產(chǎn)履歷填報、計劃調(diào)度設(shè)置、傳感器閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、二維碼查詢、視頻監(jiān)控等功能。利用授權(quán)賬號登錄系統(tǒng)后，運行界面如圖5。在運行界面顯示的GIS地圖上點擊對應(yīng)地塊，則顯示該地塊的詳細信息，傳感器設(shè)備信息、現(xiàn)場傳感器采集的環(huán)境信息等，方便管理人員實時掌握各種植大棚的現(xiàn)場情況。

3.1 基地生產(chǎn)記錄功能

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供了基地生產(chǎn)記錄功能，劃分為種植記錄、施肥記錄、打藥記錄和采摘記錄4個子模塊。其中，種植記錄模塊為授權(quán)用戶提供了種植地塊、種植作物類型、種植時間、種植面積和完成情況等信息的錄入與展示功能（圖6）。種植工作人員和管理人員通過施肥記錄和打藥記錄模塊錄入作物生產(chǎn)過程中的肥料和農(nóng)藥使用情況，支持鍵盤輸入和二維碼掃描2種方式，極大地提高了錄入效率和準確率，便于管理人員追溯作物生長過程。

3.2 遠程控制功能

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)支持采用移動終端和云平臺2種方式對種植現(xiàn)場的各類電氣設(shè)備進行遠程操作。系統(tǒng)為各類電氣設(shè)備、環(huán)境信息采集設(shè)備和現(xiàn)場種植輔助設(shè)備提供了一個完整的管理平臺，通過在大棚內(nèi)布置基于專用總線通信協(xié)議和通用移動網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)強弱電控制設(shè)備，系統(tǒng)支持對大棚內(nèi)各類現(xiàn)場控制設(shè)備，如大棚風(fēng)機、雨簾、遮陽棚、遮陽窗、灌溉等設(shè)備進行遠程電氣控制。系統(tǒng)的遠程控制功能劃分為遠程控制網(wǎng)關(guān)、遠程控制設(shè)備和設(shè)備操作記錄3個子模塊。用戶可以通過系統(tǒng)提供的序列號對遠程控制網(wǎng)關(guān)和遠程控制設(shè)備進行查詢，系統(tǒng)返回設(shè)備的詳細信息和運行狀態(tài)。在設(shè)備操作記錄模塊中，系統(tǒng)向用戶顯示布置在種植現(xiàn)場的設(shè)備運行狀態(tài)、操作方式、操作人員和操作時間，便于管理人員對各類設(shè)備進行統(tǒng)一管理。2015年6月19日的設(shè)備操作記錄如圖7示。由圖7可知當(dāng)日發(fā)生設(shè)備故障事件，授權(quán)用戶（省略姓名）通過遠程控制方式和現(xiàn)場操作方式對現(xiàn)場設(shè)備進行了啟動與停止操作。

3.3 閾值計劃功能

熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供了閾值計劃功能，劃分為定時計劃、閾值報警和預(yù)警記錄3個子模塊。系統(tǒng)將大棚各類電氣設(shè)備的模式劃分為自動運行模式、人工手動運行模式、托管模式和報警模式，為各種模式分配不同的優(yōu)先級和互斥屬性。其中，設(shè)備處于自動運行模式狀態(tài)時，各環(huán)境參數(shù)超過了預(yù)設(shè)的閾值，則系統(tǒng)主動向已注冊的手機、基地管理人員、基地工作人員發(fā)布預(yù)警信息，由管理人員遠程決策各種自動化設(shè)備的啟停和開關(guān)狀態(tài)；設(shè)備運行于人工手動運行模式時，具有最高優(yōu)先級，由在種植現(xiàn)場的工作人員和管理人員決定設(shè)備的運行狀態(tài)；而設(shè)備運行于托管模式時，系統(tǒng)提供并完善了閾值設(shè)置機制和計劃調(diào)度機制，可自由地通過與或非等邏輯關(guān)系組合環(huán)境信息的閾值狀態(tài)，也可自由地決定各類自動化設(shè)備何時開啟和運行，真正地顯示無人工參與的自動化托管運行，當(dāng)作物生長環(huán)境滿足預(yù)設(shè)的閾值條件時，系統(tǒng)按照規(guī)定的流程對設(shè)備進行操作，并向注冊APP、注冊手機等設(shè)備推送預(yù)警信息。當(dāng)系統(tǒng)運行在自動托管模式時，熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)和布置在種植現(xiàn)場的遠程綜合自動控制系統(tǒng)構(gòu)成了一個全自動化的決策系統(tǒng)，由鋪設(shè)在種植現(xiàn)場的各類傳感器實時采集環(huán)境參數(shù)，通過遠程自動控制系統(tǒng)透明傳輸至系統(tǒng)，由系統(tǒng)讀取存儲在數(shù)據(jù)庫中的調(diào)度信息和調(diào)度規(guī)則，通過預(yù)設(shè)的傳感器閾值和與/或/非等邏輯關(guān)系綜合判斷種植現(xiàn)場各類設(shè)備的啟停和運行狀態(tài)，實現(xiàn)高溫條件下自動開啟遮陽篷、低濕度情況下自動開啟水簾側(cè)窗等自動控制功能；同時，由系統(tǒng)根據(jù)作物生長模型的最優(yōu)參數(shù)，提供一組默認的環(huán)境參數(shù)閾值配置方案，結(jié)合各種傳感器的邏輯組合關(guān)系，實現(xiàn)農(nóng)莊環(huán)境信息參數(shù)的自動控制。系統(tǒng)的閾值計劃功能運行界面如圖8。

3.4 數(shù)據(jù)分析功能

通過集成云服務(wù)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線傳感網(wǎng)技術(shù)，熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)業(yè)種植過程中的溫度、濕度、光照、氣體、土壤墑情等信息進行自動采集、遠程實時傳輸。

系統(tǒng)不僅支持通過GIS地圖的地塊信息頁面查看查看傳感器狀態(tài)，還支持通過導(dǎo)航菜單中的數(shù)據(jù)分析菜單查詢所有傳感器的當(dāng)前監(jiān)測值和運行狀態(tài)。在精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)的工作過程中，傳感器扮演著非常重要的角色，每一項環(huán)境參數(shù)都將由安置在棚內(nèi)的傳感器采集。如果傳感器不能正常工作，通過系統(tǒng)實施的生產(chǎn)管理和決策行為將失去依據(jù)。如圖9所示，在數(shù)據(jù)分析菜單中，系統(tǒng)以滾動方式自動顯示所有傳感器在24 h內(nèi)的工作狀態(tài)，若某個傳感器發(fā)生故障，系統(tǒng)指示燈將開始閃爍提醒用戶，及時發(fā)現(xiàn)問題，處理問題。

4 結(jié)語

基于MQTT和HTML5的熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)，采用Browser-Server和Client-Sever混合架構(gòu)實現(xiàn)，為面向農(nóng)業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用提供了成熟的一站式解決方案。系統(tǒng)支持環(huán)境數(shù)據(jù)的實時獲取、遠程無線傳輸、可視化顯示、歷史信息查詢、統(tǒng)計分析、生產(chǎn)管理與決策功能。熱帶農(nóng)產(chǎn)品精準生產(chǎn)管理系統(tǒng)在海南省某農(nóng)業(yè)基地經(jīng)過了近1年的試運行，取得了良好的效果，極大地提升了基地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理信息化水平。

參考文獻

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