設施蔬菜生產大數據挖掘及應用

王勇，段玉聰，姜懿芮，趙紅星，李艷，姜俊

（1.駐馬店市農業(yè)科學院河南駐馬店463000；2.海南大學信息科學與技術學院海口570228）

設施蔬菜生產大數據挖掘及應用

王勇1，段玉聰2，姜懿芮2，趙紅星1，李艷1，姜俊1

（1.駐馬店市農業(yè)科學院河南駐馬店463000；2.海南大學信息科學與技術學院?？?70228）

大數據是繼物聯(lián)網、云計算之后信息技術產業(yè)又一次重要的技術變革，科技已經進入了“大數據”時代。針對大數據在設施蔬菜生產上應用尚未見報道的現實情況，我們開展了設施蔬菜生產相關數據挖掘及利用的研究；以設施番茄、黃瓜、辣椒、茄子生產為研究對象，闡述了設施蔬菜大數據特點,建立了設施蔬菜生產環(huán)境和田間變量基本數據庫；并結合大數據挖掘分析和物聯(lián)網技術，為設施蔬菜智能化生產提供了新途徑。最后針對我國國情和農業(yè)大數據的發(fā)展、應用進行了展望。

設施蔬菜；大數據；數據庫；應用

近年來，隨著農業(yè)種植業(yè)結構的不斷調整，設施蔬菜的種植面積逐年增加，蔬菜的種植方式由粗放型、零散型向精準型、集約型不斷轉變，設施蔬菜的現代化生產已成為發(fā)展趨勢[1]。大數據被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)的又一次浪潮[2]，大數據技術的應用被譽為全球一個新的經濟增長點，且在工業(yè)控制和電子商務等領域已得到較快發(fā)展，而在農業(yè)設施蔬菜生產上尚未見報道。

我國是農業(yè)大國，一直非常重視全國性的農業(yè)科技信息數據資源建設[3-4]。筆者充分整合全國乃全球各類試驗數據以及設施蔬菜相關數據，深度分析蔬菜生長、土壤質量以及環(huán)境效應之間的相互關系，對相關數據進行挖掘，建立設施蔬菜生長數據庫。采用光照、溫度、濕度等無線傳感器和無線通信網絡，對設施蔬菜作物生長環(huán)境的空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、土壤含水量、光照強度、CO2濃度、土壤pH、灌溉水重金屬含量等環(huán)境參數進行實時采集、傳輸、存儲、處理等環(huán)節(jié)的數據管理，結合設施蔬菜生長數據庫及大數據分析挖掘技術，最終實現設施蔬菜生產環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為設施蔬菜生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。

1 設施蔬菜大數據的特點

農業(yè)大數據就是利用大數據技術、理念和方法解決農業(yè)領域數據的采集、儲存、計算與應用等一系列問題，是大數據技術在農業(yè)上的實踐和應用。農業(yè)數據采集復雜，涵蓋區(qū)域大，內容廣泛，管理決策較難，正因為如此，農業(yè)才是產生大數據的無盡源泉[5]。設施蔬菜大數據作為農業(yè)大數據的子集，除具有農業(yè)大數據的共同特征之外，還具有如下特點：

1.1 數據復雜

從設施農業(yè)數據所涉及的范圍來看，包括蔬菜學、環(huán)境科學、農業(yè)工程學等學科，其中主要對象又包括果菜類、葉菜類、根莖類等多個門類。從專業(yè)應用來看，如此大的數據資源，應分步實施：首先是建立設施蔬菜領域生產數據庫；其次是針對某個種類蔬菜進行全過程數據采集，挖掘分析，預測和決策等。

1.2 覆蓋面廣

從地域來看，以國內區(qū)域數據為核心，以國際設施蔬菜數據作為有效參考；不僅包括全國層面數據，還應覆蓋省市數據，為精準區(qū)域研究提供基礎。從力度來看，不僅包括統(tǒng)計計算，還包括涉及相關經濟主體的基本信息。

1.3 數據變異性大

首先，影響設施蔬菜生產的因素非常復雜，包括生物、環(huán)境、農事活動等方方面面，都決定了對數據采集和分析應用的難度。其次，蔬菜生產易受外界環(huán)境和管理等因素制約，導致隨機性與不確定性、個體形狀與群體差異等特征非常明顯。此外，適宜的生長環(huán)境數據。整個設施蔬菜生產過程的環(huán)節(jié)很多，目前距離標準化、精準化、定量化的要求相差甚遠，這些都是設施蔬菜大數據面臨的技術挑戰(zhàn)。

2 設施蔬菜生產數據庫的建立

以設施蔬菜生產面積較大的番茄、黃瓜、辣椒、茄子為例，進行生產環(huán)境及田間變量信息數據的挖掘；根據多年研究和實踐經驗，結合園藝作物的生理特性及不同階段生長發(fā)育規(guī)律，查閱相關國家標準和文獻；對相關數據進行挖掘，建立設施番茄、黃瓜、辣椒、茄子生長的數據庫。

2.1 蔬菜設施生產環(huán)境數據庫建立

蔬菜設施生產環(huán)境數據庫是指與蔬菜生長密切相關的空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH、營養(yǎng)元素含量、CO2含量、光照強度等環(huán)境數據的集成。

2.1.1 番茄主要生長環(huán)境數據表1為設施番茄適宜的生長環(huán)境數據。

2.1.2 黃瓜主要生長環(huán)境數據表2為設施黃瓜適宜的生長環(huán)境數據。

2.1.3 辣椒主要生長環(huán)境數據表3為設施辣椒適宜的生長環(huán)境數據。

2.1.4 茄子主要生長環(huán)境數據表4為設施茄子

表1 設施番茄適宜的生長條件

表2 設施黃瓜適宜的生長條件

表3 設施辣椒適宜的生長條件

2.2 田間變量信息數據庫的建立

田間變量信息數據庫主要是田間土壤溶液肥力、有機質含量、重金屬含量以及電導率等信息。農業(yè)大數據應用是農業(yè)信息化的重要方向，高密度、高速度、高準確度的農田信息具有數據量大、時效性強、關聯(lián)度高等特點[6]。田間變量信息數據庫的建立將有助于為現代農業(yè)生產服務，強調實時性、精確性等特點，屬于局部、微觀、持續(xù)的農業(yè)數據。

2.2.1 番茄生長土壤溶液營養(yǎng)需求表5為設施番茄適宜的營養(yǎng)需求數據。

2.2.2 黃瓜生長土壤溶液營養(yǎng)需求表6為設施黃瓜適宜的營養(yǎng)需求數據。

表4 設施茄子適宜的生長條件

表5 設施番茄適宜的營養(yǎng)需求

表6 設施黃瓜適宜的營養(yǎng)需求

2.2.3 辣椒生長土壤溶液營養(yǎng)需求表7為設施辣椒適宜的營養(yǎng)需求數據。

2.2.4 茄子生長土壤溶液營養(yǎng)需求表8為設施茄子適宜的營養(yǎng)需求數據。

2.2.5 蔬菜栽培灌溉水質量要求表9為設施蔬菜灌溉水的一些參考指標。

表7 設施辣椒適宜的營養(yǎng)需求

表8 設施茄子適宜的營養(yǎng)需求

3 設施蔬菜大數據的應用

以日光溫室蔬菜生產溫度為例，不同種類蔬菜或同一蔬菜在不同發(fā)育階段，對溫度的要求不同，所以對棚溫調控會相當復雜。在此我們可以根據物聯(lián)網感應與監(jiān)控功能，利用網絡計算快速處理信息的優(yōu)點，對大棚控溫進行智能化程序設置。如此，便可實現時時監(jiān)控、時時控溫的效果，既有利于蔬菜增產，又可在一定程度上節(jié)省人工費用（圖1）。

3.1 數據采集管理系統(tǒng)

數據采集管理系統(tǒng)主要負責設施內部光照、溫度、濕度和土壤含水量、營養(yǎng)元素含量、pH、CO2濃度、灌溉水重金屬含量等傳感器采集的數據以及視頻監(jiān)控數據的采集和管理，可為用戶在電腦與手機終端上實時、直觀的展示采集到的數據。用戶可以在平臺上查看自己的數據，包括實時數據采集、歷史數據管理，以及為用戶提供自定義打印報表、提供各種匯總統(tǒng)計圖形、對數據庫備份等服務，從而方便地得到數據信息，輔助決策。

表9 設施蔬菜灌溉水的限量條件

圖1 溫室蔬菜溫度調節(jié)

3.1.1 實時數據采集實時采集的數據主要為各類傳感器采集的數據和視屏監(jiān)控采集的現場視頻數據。傳感器采集數據的上傳采用ZigBee無線傳輸模式，ZigBee發(fā)送模塊將傳感器的采集數據傳送到zigBee節(jié)點上。用戶可以在農業(yè)物聯(lián)網平臺上或通過手機終端等查看現場實時采集的數據，并且界面上可顯示實時采集數據的曲線圖。

3.1.2 歷史數據管理歷史數據管理是將采集到的數值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況和空間分布狀況，提供日報、月報等歷史報表。用戶可隨時隨地通過電腦和手機等終端查看現場采集的歷史數據，還支持條件查詢歷史數據，并生成曲線、餅圖等。錯誤報警允許用戶制定自定義的數據范圍，超出范圍的錯誤情況會在系統(tǒng)中進行標注，以達到報警的目的。

3.2 智能預警系統(tǒng)

當設施日光溫室、塑料大棚內環(huán)境采集數據超過系統(tǒng)預先設置的限制時，將開啟系統(tǒng)報警功能，并發(fā)送短信告知相關管理人員，便于對農作物生產進行管理。

3.2.1 報警設置當采集設備采集到設施內的溫度、濕度等基本參數超過預先設置的限制時，報警系統(tǒng)將提供數據報警，并且在報警的同時發(fā)送短信息給相關管理人員。告警數據的上下限數值均可在平臺上由用戶自行設定，系統(tǒng)也可以提供專家閾值設定建議，為用戶提供參考。

3.2.2 超限記錄系統(tǒng)會對歷史告警信息進行存儲，形成告警知識庫，方便用戶查詢歷史報警記錄。

3.3 設備遠程控制系統(tǒng)

設備遠程控制系統(tǒng)主要由控制設備和相應的繼電器控制電路組成，根據環(huán)境參數采集系統(tǒng)獲取的數據，以及各類蔬菜適宜環(huán)境參數，驅動各類監(jiān)控器和濕簾降溫系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等構成整個自動化控制網絡。

3.3.1 灌溉控制系統(tǒng)在控制工程方面，采用穩(wěn)定工業(yè)PLC作為控制核心，采用高性能矢量變頻器作為水路恒壓控制核心，對灌溉、施肥、噴藥實施恒壓與壓力調節(jié)控制，實現節(jié)能、長時間無人值守的安全全自動控制，計算機內部有一套根據土壤濕度傳感器采集的值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉灌溉閥門。如低于設定目標值，則自動打開灌溉閥門。也可采用輪灌方式，設定在某個時間段進行灌溉的方式，1 h灌溉1次，同時也可設定灌溉的次數。有效的保護了水泵，同時也使土壤更好地吸收水分。

3.3.2 風機控制系統(tǒng)室內傳感器采集溫室內部的上、中、下三部分溫度，進行模糊計算得出溫室內的溫差值，如果溫差值過大，則自動開啟循環(huán)風機。同時采集溫室內的濕度值，如果濕度值偏差過大，則自動開啟循環(huán)風機，以平衡溫室內的濕度。

3.3.3 溫度控制子系統(tǒng)夏季采用自然和強制通風降溫的方式進行降溫。由監(jiān)控儀根據目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算。先開啟頂開窗系統(tǒng)進行自然通風調整溫室內的溫度，經過時間判斷后，如果溫度值還不能降低，再開啟側窗系統(tǒng)。如自然通風不能降低溫室內的溫度值，則由電腦關閉自然通風，采用強制通風的方式來控制室內溫度。開啟濕簾外翻窗，然后開啟風機，進行溫度判斷，如溫度降不下來，則開啟濕簾水泵；如溫度還降不下來，則計算機會開啟溫度過高報警，提示用戶需增加降溫設備。冬季采用暖氣加溫或地源熱泵中央空調系統(tǒng)加溫的方式，由監(jiān)控儀根據目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算，通過調節(jié)暖氣恒溫閥的開合度來控制室內溫度。

3.3.4 外遮陽控制保護系統(tǒng)在光照強度較高時，計算機通過室外氣象站系統(tǒng)采集的高靈敏度光照值，與計算機設定的控制目標進行對比，如高于計算機設定目標值，則自動展開外拉幕，進行遮光。如低于計算機設定目標值，則自動收攏外拉幕。

3.3.5 補光控制系統(tǒng)計算機通過室內數據采集器傳回來的高靈敏度的光照值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉補光燈。如低于設定目標值，則自動打開補光燈。

4 展望

大數據對各行業(yè)的產業(yè)鏈條、思維模式、技術體系、服務流程等都產生了深遠影響。大數據應用對于設施蔬菜，既是機遇，也是挑戰(zhàn)，只有占據大數據這一信息化技術的制高點，才能充分發(fā)揮大數據的優(yōu)勢。隨著蔬菜產業(yè)信息化的推進，物聯(lián)網、云計算等信息技術將在設施蔬菜生產、管理等各方面深入、廣泛應用。在農業(yè)現代化的建設中，應該緊跟國際最前沿大數據技術，高度重視農業(yè)大數據的作用，結合我國國情，制定國家層面的農業(yè)大數據應用與發(fā)展戰(zhàn)略，確定農業(yè)大數據重點發(fā)展領域，凝練農業(yè)大數據應用關鍵技術，推動大數據理念與技術在農業(yè)中的應用。

[1] 汪曉云.對我國設施蔬菜產業(yè)發(fā)展的幾點建議[J].中國果菜，2010（2）:15-17.

[2] 孫忠富，杜克明，鄭飛翔，等.大數據在智慧農業(yè)中研究與應用展望[J].中國農業(yè)科技導報，2013，15（6）:63-71.

[3] 梅方權.農業(yè)信息技術的發(fā)展與對策分析[J].中國農業(yè)科技導報，2003，5（1）:13-17.

[4] 郭作玉.農業(yè)信息技術在農業(yè)發(fā)展中的重要作用[J].天津農林科技，2006（2）:4-7.

[5] 謝潤梅.農業(yè)大數據的獲取與利用[J].安徽農業(yè)科學，2015，43 （30）:383-385.

[6] 王文生，過雷風.農業(yè)大數據及其應用展望[J].江蘇農業(yè)科學，2015，43（9）:1-5.

2016-10-17；

2016-11-15

河南省大宗蔬菜產業(yè)技術體系-駐馬店綜合試驗站（Z2010-03-06）；河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(162300410155)；駐馬店市科技計劃項目（16112）

王勇，男，碩士，助理研究員，研究方向為蔬菜育種與農業(yè)信息化。E-mail:wyong2299@163.com.

姜俊，男，研究員，研究方向為蔬菜育種與栽培生理。E-mail:jiangjun2251@163.com