蔬菜安全生產(chǎn)管理平臺的開發(fā)與應用

張京社，閻世江

（山西省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，山西 太原 030031）

隨著黨的十九大的勝利召開，建立蔬菜的追溯體系、實現(xiàn)蔬菜標準化生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本成為我國科研工作者面臨的重要課題，建立一種新型的蔬菜生產(chǎn)管理平臺以應對我國蔬菜生產(chǎn)的新形勢，這就是蔬菜安全生產(chǎn)管理平臺（簡稱平臺），它運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以蔬菜生長全過程數(shù)字化信息為條件，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[1-5]。目前有關(guān)的研究已有報道，如北京市蔬菜生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)BJ-CABBAGIS[6]、壽光市蔬菜生產(chǎn)數(shù)字平臺[7-10]、江蘇省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺[11-13]等，這些平臺均是科研單位根據(jù)當?shù)氐氖卟松a(chǎn)狀況開發(fā)而來，多是從宏觀層面管理蔬菜生產(chǎn)[14-17]，理論水平較高，對具體蔬菜種植方面內(nèi)容涉及較少。為此，山西省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所設施蔬菜栽培課題組于2016年根據(jù)30多年的設施蔬菜生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，開發(fā)研究出日光溫室蔬菜安全生產(chǎn)管理平臺。

1 平臺工作原理及配置要求

平臺的主要工作原理是控制終端采集環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)，將數(shù)據(jù)匯集到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)打包后，統(tǒng)一發(fā)送到服務器，對數(shù)據(jù)進行分類處理并迅速做出決策的一種農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。

平臺使用Visual C#.NET語言；開發(fā)數(shù)據(jù)庫為Microsoft Sql Server 2005；采用B/S[18-19]架構(gòu)。該平臺運行的硬件配置要求為處理器最好是主頻1 GHz以上，32位或64位處理器均可；內(nèi)存的要求最低1 G，推薦2 G以上，如果是4 G以上推薦安裝Windows7 64位系統(tǒng)。硬盤至少有16 G以上存儲空間，顯卡要求帶有WDDM 1.0或更高版本的驅(qū)動程序的DirectX 9圖形設備，否則無法顯示圖像。操作系統(tǒng)要求Windows 7以上的操作系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體方案

該平臺通過在溫室內(nèi)的傳感器，監(jiān)測大氣溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳回計算機，工作人員可以隨時查看，并通過內(nèi)嵌的專家決策系統(tǒng)進行溫室生產(chǎn)管理；這些采集的數(shù)據(jù)自動保存在電腦中，可供以后調(diào)閱，通過與產(chǎn)量等其他數(shù)據(jù)進行綜合分析，可以得出適宜蔬菜生產(chǎn)的最佳環(huán)境參數(shù)，為以后指導蔬菜生產(chǎn)奠定基礎。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的主要工作過程為：傳感器采集環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)匯集到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)打包后，統(tǒng)一發(fā)送到服務器，服務器收到數(shù)據(jù)后對這些數(shù)據(jù)進行分類，在各個界面上顯示，并保存在各個數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)通過圖形或數(shù)字的方式顯示在圖形界面上，用戶可以通過手機、個人電腦進行查看，也可以通過攝像頭查看溫室內(nèi)蔬菜實時的生長狀況、病蟲害發(fā)生情況等。

3 終端設備設計

終端設備主要是環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。傳感器主要包括大氣溫度傳感器、大氣濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、攝像頭等，通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)。除了傳感器還包括微處理器、無線有線發(fā)射模塊、地址設置單元和備用傳感器接口等。微處理器是終端采集器的核心，它對數(shù)據(jù)進行處理，通過無線有線發(fā)射模塊發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)。

終端采集器的軟件主要包括主程序、接收數(shù)據(jù)包處理程序等。主程序在初始化之后，進入循環(huán)程序，采集傳感數(shù)據(jù)并循環(huán)檢查接口，處理接收的數(shù)據(jù)包。

4 通信系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

這部分包括局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、移動通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。智能網(wǎng)關(guān)是終端采集器與終端控制器的匯聚節(jié)點，通過ZigBee無線網(wǎng)絡將終端采集器和終端控制器組成一個局域網(wǎng)。智能網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡與服務器連接。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)開啟運行后，首先初始化參數(shù)，打開定時器，由定時器的程序采集環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)。處理數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

5 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，這是一個全面的、集成的、端到端的數(shù)據(jù)解決方案，降低了在從移動設備到企業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的多平臺上創(chuàng)建、部署、管理及使用企業(yè)數(shù)據(jù)和分析應用程序的復雜性。采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫描述傳感器、溫室、用戶之間的關(guān)系，根據(jù)各實體之間的關(guān)系設計數(shù)據(jù)表單。表與表之間的關(guān)系采用外部約束來保證數(shù)據(jù)的完整性。

6 功能模塊設計

打開瀏覽器后，在地址欄輸入http://1615gx551 8.51mypc.cn/SY/Index.aspx，即可訪問（圖 4）。該平臺分為9個大模塊，分別為主要設計人、系統(tǒng)簡介、溫室實況、病蟲害預警、種植管理、農(nóng)事管理、種植作業(yè)、系統(tǒng)設置、退出系統(tǒng)（圖5）?？蛻?、專家、工作人員分別使用不同的用戶名和密碼登錄，權(quán)限也不同。

6.1 溫室實況

進入該模塊后，用戶可以查看溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（圖5），如大氣溫度、濕度等。專家事前設定最佳閾值，如監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)高于或低于最佳閾值，主機發(fā)出報警聲響，提示工作人員。

通過攝像頭，在環(huán)境參數(shù)的下方可以看到溫室內(nèi)的畫面。用戶可以了解蔬菜的種類、長勢，工作人員的工作情況，有利于遠程管理。

6.2 病蟲害預警

該模塊根據(jù)視頻圖像發(fā)生變化，探頭會自動對比，并配合人工實地觀察、取樣化驗，做出判斷，確定蔬菜是否發(fā)生病蟲害，并提出防治方案（圖6）。

6.3 種植管理

該模塊是種植專家根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗和以往平臺的系統(tǒng)記錄，按不同的蔬菜生長階段制定不同的栽培管理措施。設施蔬菜栽培管理措施主要包括灌溉、施肥、植株調(diào)整、病蟲防治、授粉、收獲等。管理專家下達各項指令，保存在數(shù)據(jù)庫中。種植管理流程如圖7所示，種植管理頁面如圖8所示。

6.4 農(nóng)事管理

該模塊一般由操作人員完成。待種植專家在“種植管理”系統(tǒng)中下達指令，操作人員在此系統(tǒng)中進行查看，并按指令完成作業(yè)，如在蔬菜生長的各階段完成灌溉、施肥、植株調(diào)整、病蟲防治、授粉、收獲等。完成后主機自動記錄（圖9）。

6.5 種植作業(yè)

在6.4的農(nóng)事管理中，操作人員完成指令后，在該系統(tǒng)中就顯示已完成的作業(yè)內(nèi)容，如植株調(diào)整、病蟲防治、授粉、收獲等，可供專家查看，并記錄。該系統(tǒng)可進一步進行拓展，與后續(xù)開發(fā)的溯源系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用[9]（圖10）。

6.6 系統(tǒng)設置

該模塊的作用是整個平臺的內(nèi)部管理，如新增、修改、刪除種植基地、溫室，設置品種的名稱、成長周期等參數(shù)，選擇種植時期，設置種植計劃、預警值，設置用戶的信息和角色，控制其權(quán)限，設置溫室的種類，設置顯示圖片的類型，設置應檢測的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度等（圖11）。

7 結(jié)論與討論

該平臺在沁縣的沁州綠公司蔬菜生產(chǎn)基地應用以來，取得良好的成效。據(jù)統(tǒng)計，減少用工30%，節(jié)約生產(chǎn)成本15%，在儲運時減少5%的損失，銷售收入提高30%。蔬菜產(chǎn)品通過國家有機食品認證，20 hm2示范園區(qū)增加收入300萬元，并輻射帶動周邊133.3 hm2設施蔬菜生產(chǎn)，增加經(jīng)濟效益達2 000萬元。

在實施過程中，也發(fā)現(xiàn)該平臺存在不足，如該系統(tǒng)在操作的過程中對使用者有一定的要求，文化水平較低的蔬菜種植者使用時就有困難，下一步應對該平臺的操作進行簡化。另外，平臺的種植管理模塊中專家決策系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)庫的建立需要多年的積累，才能使系統(tǒng)應用更加準確客觀，具有更強的指導性。

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