生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

云南財(cái)經(jīng)大學(xué)/宋志蘭 冉文學(xué) 黃歡 黃清云 張壯

?

生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

云南財(cái)經(jīng)大學(xué)/宋志蘭 冉文學(xué) 黃歡 黃清云 張壯

摘 要：本文基于國內(nèi)生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園的現(xiàn)狀調(diào)研分析，重點(diǎn)論述了數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)的組成，強(qiáng)調(diào)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的溫度傳感器、濕度傳感器、PH傳感器、光傳感器、CO2傳感器等設(shè)備與技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)指標(biāo)和體系，實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控、管理以及自動化的噴灌、施肥作業(yè)，以保證作物具有良好、合適的生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園、物聯(lián)網(wǎng)、信息系統(tǒng)、數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)

近年來，我國數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)取得了一些進(jìn)展，主要表現(xiàn)在：農(nóng)業(yè)傳感器微型化、農(nóng)業(yè)灌溉智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物生長、農(nóng)業(yè)信息可移動化、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯化等已成為主流。這得益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化技術(shù)的成熟和發(fā)展，尤其是農(nóng)產(chǎn)品種植、加工智能化技術(shù)的應(yīng)用。

國內(nèi)關(guān)于農(nóng)業(yè)園區(qū)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)研究主要涉及溫度監(jiān)控、光溫智能控制、精準(zhǔn)灌溉等方面。如，浙江大學(xué)等單位對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知、傳輸和應(yīng)用等方面進(jìn)行研究，主要涉及智能化程度、肥水利用率及農(nóng)產(chǎn)品安全等問題，取得了一系列成果。但總體來看，數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的集成應(yīng)用研究還比較少。本文提出構(gòu)建完全數(shù)字化的生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)基地，該基地基于總線技術(shù)集成，由統(tǒng)一的信息系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理及控制，合理布局傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、養(yǎng)分傳感器、土壤成分傳感器等），實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化。

一、生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)的實(shí)施意義

1.加速信息化。農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越受到信息技術(shù)的影響，信息化成為我國加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，新的農(nóng)業(yè)科技革命即將到來。

2.提高數(shù)字化。數(shù)字化有利于發(fā)展我國自主產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)高技術(shù)體系，對于我國在世界范圍內(nèi)新的農(nóng)業(yè)科技革命中占有一席之地，以及提升我國農(nóng)業(yè)科技在國際上的整體競爭力，具有戰(zhàn)略意義。

4.節(jié)能減排。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在高新技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一種先進(jìn)生產(chǎn)形式和管理模式，為能自動感知、獲取并分析作物生產(chǎn)的環(huán)境因素實(shí)際存在的時(shí)間和空間差異信息以及實(shí)現(xiàn)自動診斷和監(jiān)測，確立起按需投入，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可實(shí)施的應(yīng)對方案，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了系統(tǒng)化的理念和技術(shù)要求。

二、生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)的數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)，主要包括設(shè)備執(zhí)行層、通訊層、調(diào)度監(jiān)控層和信息管理層等四個(gè)層級。整個(gè)管控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)（中央控制系統(tǒng)）、水肥一體自動控制系統(tǒng)、自動通風(fēng)控制系統(tǒng)、無線傳感器系統(tǒng)、卷簾控制系統(tǒng)、診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等六個(gè)子系統(tǒng)組成。

1.計(jì)算機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)（中央控制系統(tǒng)）

生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)，是在系統(tǒng)總體規(guī)劃的原則下，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品種植基地的智能化、數(shù)字化、精準(zhǔn)化管控而進(jìn)行的計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在信息自動化統(tǒng)一軟件平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)作物生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品種植系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮姆治觥⒃O(shè)計(jì)和開發(fā)手段，充分考慮系統(tǒng)的柔性，并為系統(tǒng)的全面集成留有接口。

系統(tǒng)由管理層信息系統(tǒng)集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，在監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)控下獲取數(shù)據(jù)采集層下各類型傳感器所提供的作物成長環(huán)境的物理參數(shù)，如：空氣溫濕度、土壤水分含量、PH值、CO2濃度等，再經(jīng)通訊層傳輸?shù)焦芾韺又醒肟刂破?，農(nóng)產(chǎn)品種植系統(tǒng)對感知的信息進(jìn)行融合處理，智能對比適宜農(nóng)作物生長的最佳環(huán)境變量，并形成完整的按需配給策略，由通訊層到達(dá)發(fā)出控制指令的具體分管控制器，完成對農(nóng)作物的按需供給，保障農(nóng)作物的健康成長環(huán)境。

整個(gè)管控系統(tǒng)形成了一整套完全智能化、數(shù)字化和精準(zhǔn)化的管理理論和實(shí)踐方法，對智能并聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)、診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、水肥一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)等新技術(shù)模塊進(jìn)行了研究應(yīng)用。

>> 圖1 生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次，即：信息管理層、通訊層、調(diào)度監(jiān)控層和設(shè)備執(zhí)行層。其中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)始終貫徹整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中，從整體調(diào)度到具體信息的收集與傳輸、指令信息的下達(dá)，涵蓋信息管理層通訊層、調(diào)度監(jiān)控層的所有業(yè)務(wù)以及設(shè)備執(zhí)行層的大部分業(yè)務(wù)，上聯(lián)中央控制系統(tǒng)，下聯(lián)設(shè)備執(zhí)行層。

顯然，寧德城關(guān)方言三套鼻音韻尾，最早消失的是[n]尾，其次是[m]尾消失，[m、n]最終歸并為[?]，這是總的發(fā)展趨勢，目前寧德城關(guān)方言只有一套鼻音韻尾[?]。從附表2、附表3可以看出寧德城關(guān)方言原來讀作[m、n]尾的字現(xiàn)在讀作對應(yīng)的[?]尾，多數(shù)是韻尾直接轉(zhuǎn)換，韻尾轉(zhuǎn)換時(shí)少數(shù)字音韻腹、韻頭也會有變化。

系統(tǒng)硬件模型，如圖2。

2.水肥一體自動控制系統(tǒng)

水肥一體自動控制系統(tǒng)是一項(xiàng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)，該技術(shù)可以精確控制灌溉和施肥的數(shù)量與時(shí)間，以微灌系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)農(nóng)作物的需水需肥規(guī)律及土壤狀況，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)自動對水和肥料進(jìn)行調(diào)配和供給。

在滴灌、滲灌、微噴灌等工程節(jié)水的基礎(chǔ)上，通過布置在田間的水分傳感器、養(yǎng)分傳感器、土壤成分傳感器等多種類別傳感器，測得土壤各指標(biāo)的基本狀況，經(jīng)傳感器將信號傳到電腦，再由程序智能指導(dǎo)灌水施肥。

由于系統(tǒng)沒有非常復(fù)雜的運(yùn)算，需要低功耗和具有較強(qiáng)抗干擾性，因此采用單片機(jī)作為自動控制中心模塊，用來處理灌溉區(qū)的信號輸入等工作。由于水灌溉自動控制系統(tǒng)對水位的控制精度要求不高，將自制水位傳感器安裝到要求的液位，直接感知液位信息。由液位信息控制電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施灌。系統(tǒng)中的很多資料需要長期保存，同時(shí)需要在系統(tǒng)斷電時(shí)仍能保存信息，根據(jù)自動控制系統(tǒng)以及用戶信息存儲大小需求，選用雙備份磁盤陣列為該系統(tǒng)的存儲設(shè)備。

>> 圖2 計(jì)算機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)硬件組成

水肥一體自動控制系統(tǒng)包括兩大類，即葉面施灌和根系施灌，前者采用噴霧頭施灌，后者采用滴灌。

系統(tǒng)將各種農(nóng)作物的特征需求數(shù)據(jù)、種植歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家知識等集成、組構(gòu)、融合，編制成生鮮農(nóng)產(chǎn)品種植專家系統(tǒng)，將測定的實(shí)時(shí)信息與生鮮農(nóng)產(chǎn)品種植專家系統(tǒng)的參數(shù)對比后，可計(jì)算出灌溉時(shí)長、施加肥液時(shí)長和肥液配比等值?？刂瞥绦虻玫介_始工作指令后立即運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)均可查閱。系統(tǒng)主程序流程，如圖3。

3.自動通風(fēng)控制系統(tǒng)

自動通風(fēng)控制系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)，可以自動調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量，感應(yīng)空氣品質(zhì)，從而改善空氣質(zhì)量，提高通風(fēng)安全，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理智能化。該系統(tǒng)主要由智能中央控制子系統(tǒng)及空氣品質(zhì)感應(yīng)子系統(tǒng)等組成，還包括通風(fēng)管道、可調(diào)節(jié)的風(fēng)口末端及數(shù)字化節(jié)能風(fēng)機(jī)等。

4.無線傳感器子系統(tǒng)

WSN（WirelessSensorNetwork，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）由多個(gè)部分組成，其主要構(gòu)成：無線傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層和基于該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能等，參見圖4。將WSN應(yīng)用于培養(yǎng)種植農(nóng)作物，可提高農(nóng)業(yè)數(shù)字化水平。其工作原理為：在監(jiān)察區(qū)域設(shè)置大量廉價(jià)的微型傳感器，通過傳感器感知并收集所需監(jiān)察對象的信息，這些信息經(jīng)過處理后發(fā)送給觀察者。

5.卷簾控制系統(tǒng)

當(dāng)前使用的溫室大棚卷簾機(jī)大部分存在安全隱患，其主要原因是動力源為現(xiàn)場人工送電，不論溫室中是否有勞動任務(wù)，管理人員都必須到現(xiàn)場操控設(shè)備，造成了時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)。

為解決上述問題，可以通過自動遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)卷簾機(jī)的升降，不僅可以減少安全隱患，而且降低勞動強(qiáng)度，提高效率。其主要做法為：在設(shè)備中嵌入一個(gè)模塊，利用處理器的指令控制來實(shí)現(xiàn)GSM系統(tǒng)的短信息服務(wù)。該方法實(shí)施方便、操控簡單、成本低，有較高的應(yīng)用率。

6.診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

在農(nóng)作物種植基地采用診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要針對系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的開關(guān)和運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)處理，從而盡量避免損失的發(fā)生。

為了加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)警，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并充分應(yīng)用無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測試驗(yàn)儀器?；诔杀竞捅憬菪?，該儀器主要應(yīng)用ISM （IndustrialScientificMedical）頻段，這是因?yàn)椋篒SM頻段耗能低、成本少，組網(wǎng)方便且無需授權(quán)申請，非常適合無線結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測使用。其覆蓋范圍，如圖5。

診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)涵蓋整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況經(jīng)傳輸系統(tǒng)反饋給中央控制系統(tǒng)，對整個(gè)系統(tǒng)的健康運(yùn)行具有重要意義。

>> 圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖

>> 圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

>> 圖5 診斷與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)覆蓋范圍

三、結(jié)語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字一體化精準(zhǔn)管控系統(tǒng)，通過觀察農(nóng)作物的生長需求環(huán)境的變化，制定最佳配給方案，把適量的資源（包括溫濕度、PH值、CO2濃度等）應(yīng)用到最合適的地方，并將指令通過通訊層下達(dá)到各控制系統(tǒng)，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的，可有效提高我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園區(qū)的現(xiàn)代化水平。