蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王富軍 石紹峻 劉淑云 穆元杰 秦磊磊

摘要：針對傳統(tǒng)溫室大棚蔬菜生產(chǎn)管理技術(shù)落后、資源耗費(fèi)嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)了一套蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。該平臺包括實(shí)時測控、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)檔案管理、智能分析、系統(tǒng)管理等功能，可實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)全過程的信息管理。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該平臺可以有效實(shí)現(xiàn)西瓜全生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控和管理，提高了其設(shè)施生產(chǎn)的智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：蔬菜；物聯(lián)網(wǎng)；管理平臺

中圖分類號：S126：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）04-0142-07

Abstract In the study， a set of vegetable IoT management platform was designed aiming to solve the problems such as the backwardness of management technology and serious resource consumption in traditional greenhouse vegetable production. It had the functions as real-time measurement and control， production management， production archives management， intelligent analysis and system management. It could realize the information management of the whole process in vegetable production. The platform was verified by practical application that it could realize effectively remote real-time monitoring and management about watermelon， and improved the intelligent management level of its facility production.

Keywords Vegetable； Internet of Things（IoT）； Management platform

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是安天下、穩(wěn)民心的重要產(chǎn)業(yè)。近年來我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程明顯加快，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展成效顯著。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用涵蓋了農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等方面，并在政策扶持、技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用、人才培養(yǎng)等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[1-6]。物聯(lián)網(wǎng)對農(nóng)業(yè)的帶動和提升作用正逐步顯現(xiàn)，但仍存在一些問題，如：多數(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品重“采集監(jiān)測”輕“分析決策與控制”，環(huán)境信息調(diào)控模型、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析挖掘等核心技術(shù)與系統(tǒng)集成度低，系統(tǒng)智能化水平不高，同產(chǎn)業(yè)內(nèi)在需求貼合程度不夠[7-13]。為解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用所存在的問題，我們設(shè)計(jì)研發(fā)了一套蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。該平臺可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息實(shí)時監(jiān)測、生產(chǎn)管理、智能分析等功能，并可進(jìn)行功能拓展，不僅可以為蔬菜生產(chǎn)的全過程提供生產(chǎn)指導(dǎo)，還可對傳感設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為蔬菜生產(chǎn)管理提供決策依據(jù)，從而使傳統(tǒng)溫室大棚種植更具“智慧”，實(shí)現(xiàn)蔬菜高效生產(chǎn)。

1 平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺是針對蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)研發(fā)的一套蔬菜物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案。該平臺系統(tǒng)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、處理層、應(yīng)用層、終端層組成。數(shù)據(jù)層是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備感知數(shù)據(jù)及生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的存儲；處理層通過云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等智能處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與蔬菜產(chǎn)業(yè)應(yīng)用融合；應(yīng)用層和終端層面向用戶，可在移動端、PC端實(shí)現(xiàn)實(shí)時測控、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)檔案管理、智能分析、系統(tǒng)管理功能。蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺體系總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 平臺功能設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時測控

實(shí)時測控單元是對數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)控制平臺的展示，通過該功能單元，用戶可實(shí)時查看設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報(bào)警狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時測控平臺以生產(chǎn)單元為最小展示單元，分別展示生產(chǎn)單元中安裝的設(shè)備列表及其狀態(tài)，設(shè)備離線、數(shù)據(jù)高報(bào)或低報(bào)都會通過顯眼顏色予以警示，用戶可點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備查看歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警統(tǒng)計(jì)，以分析問題原因所在。為便于用戶管理，實(shí)時測控部分主頁面會顯示綜合評價模塊對各生產(chǎn)單元的綜合評價指數(shù)，并提示用戶是否需著重關(guān)注。

實(shí)時測控單元還可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場控制設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，用戶可根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定自動控制和手動控制兩種模式。自動模式下，系統(tǒng)會根據(jù)內(nèi)置的控制模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制；手動模式下，用戶可通過按鍵遠(yuǎn)程控制設(shè)備（圖2）。

2.2 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理單元是為蔬菜種植用戶提供生產(chǎn)指導(dǎo)，給出種植環(huán)節(jié)需注意問題及標(biāo)準(zhǔn)化種植操作規(guī)范，以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。該單元包括農(nóng)事管理、病蟲害防控、水肥一體化三個模塊。

2.2.1 農(nóng)事管理 農(nóng)事管理單元是針對目前農(nóng)業(yè)勞動力老齡化嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理粗放、生產(chǎn)效率低下等問題設(shè)計(jì)的。該單元可以結(jié)合當(dāng)前種植蔬菜作物所處生育期的生理習(xí)性及注意事項(xiàng)，按照標(biāo)準(zhǔn)化種植流程，盡量精確地提供施肥、播種、田間管理等農(nóng)事操作建議，指導(dǎo)蔬菜生產(chǎn)（圖3）。

2.2.2 病蟲害防控 病蟲害防控是蔬菜生產(chǎn)中不可缺少的一環(huán)，直接影響著蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量。病蟲害防控單元以預(yù)防為主，可根據(jù)蔬菜作物所處的生育時期提供易發(fā)病蟲害種類及防護(hù)措施，阻斷其發(fā)生；同時提供各種病蟲害的治理方法，幫助用戶及時采取有效的防治措施。用戶進(jìn)入該單元即可查看蔬菜所處時期的病蟲害信息，也可通過給出的病蟲害特征對蔬菜作物狀態(tài)進(jìn)行判別（圖4）。

2.2.3 水肥一體化 水肥一體化單元以作物全生長過程水肥解決方案為突破口，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等信息化技術(shù)融入到水肥一體化技術(shù)當(dāng)中，通過研究作物產(chǎn)量品質(zhì)與需水量、施肥量之間的定量關(guān)系，綜合考慮土壤水分、土壤養(yǎng)分、肥料利用率、最高產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)，明確作物需水、需肥動態(tài)特征，建立主要作物各生育時期的需水、需肥模型；并結(jié)合需水、需肥模型，通過流量控制、時間控制及手動控制模式，實(shí)現(xiàn)栽培作物水肥管理的定時、定量精準(zhǔn)控制和遠(yuǎn)程及本地的便捷操作，從而實(shí)現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)施用（圖5）。

2.3 生產(chǎn)檔案管理

生產(chǎn)檔案記錄了作物從定植到發(fā)貨銷售全過程的信息，既可用于園區(qū)管理者對生產(chǎn)過程信息的監(jiān)管，也可用于農(nóng)產(chǎn)品信息追溯。

生產(chǎn)檔案管理主要包括種植計(jì)劃、生產(chǎn)記錄、過程影像、肥料記錄、農(nóng)藥記錄、農(nóng)事操作、采收入庫、農(nóng)殘檢測、發(fā)貨銷售、條碼管理、訂單管理。種植計(jì)劃是為園區(qū)中每一個生產(chǎn)單元制定的下一季種植計(jì)劃；生產(chǎn)記錄是園區(qū)生產(chǎn)單元中定植作物時的信息記錄；過程影像記錄的是作物種植過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影像信息；肥料與農(nóng)藥記錄用于記錄使用肥料、農(nóng)藥的具體信息；農(nóng)殘檢測記錄采收作物農(nóng)藥殘留信息；訂單管理與發(fā)貨銷售記錄銷售環(huán)節(jié)的相關(guān)信息（圖6）。

2.4 智能分析

通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)手段可獲取到形式多樣的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)本身無法給管理者直接提供生產(chǎn)指導(dǎo)。智能分析單元可結(jié)合各生育時期作物的生長發(fā)育特點(diǎn)，對通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為管理者提供有效的建議；同時，分析數(shù)據(jù)報(bào)警多發(fā)區(qū)域，以提醒生產(chǎn)管理人員多加關(guān)注。為幫助生產(chǎn)管理人員了解農(nóng)產(chǎn)品價格情況，智能分析單元還提供了價格走勢分析功能。

2.4.1 綜合評價 該部分是對各生產(chǎn)單元中環(huán)境信息對定植作物影響的綜合評價。利用關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)與適宜值以及該參數(shù)所占的比重，經(jīng)模型計(jì)算得到各生產(chǎn)單元的綜合評分值。通過綜合評價結(jié)果，生產(chǎn)管理者可以直觀地了解各生產(chǎn)單元的環(huán)境綜合情況，從而及時采取措施調(diào)整相應(yīng)生產(chǎn)單元的環(huán)境因子，為蔬菜生長創(chuàng)造更有利的環(huán)境條件（圖7）。

2.4.2 測土施肥 該模塊主要展示各生產(chǎn)單元的土壤肥力（N、P、K含量）情況以及作物需肥特性。首先人工取土壤樣品并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，同時記錄取樣點(diǎn)的坐標(biāo)信息，將測得的N、P、K含量數(shù)據(jù)同坐標(biāo)信息一并提交至平臺，系統(tǒng)利用克里金插值法繪制出土壤肥力情況分布圖，并進(jìn)行展示；而且可對比土壤肥力分析結(jié)果與種植作物需肥特性，給出合理的施肥建議，實(shí)現(xiàn)按需施肥，達(dá)到肥料減施增效的目的（圖8）。

2.4.3 報(bào)警分析 報(bào)警分析是對特定生產(chǎn)單元下特定監(jiān)測終端設(shè)備高報(bào)（超閾值上限）、低報(bào)（低于閾值下限）的次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，在該模塊中用戶可查看一段時間內(nèi)某一個監(jiān)測設(shè)備的報(bào)警次數(shù)，若該設(shè)備報(bào)警次數(shù)過多，可提醒生產(chǎn)管理者對此多加關(guān)注（圖9）。

2.4.4 行情分析 該模塊利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)上獲取不同農(nóng)產(chǎn)品的價格并進(jìn)行可視化展示，生產(chǎn)管理者可通過查看某一種農(nóng)產(chǎn)品在不同地區(qū)的價格走勢及時了解其市場行情，指導(dǎo)后期的生產(chǎn)管理（圖10）。

3 平臺應(yīng)用實(shí)例

我們在濟(jì)南市歷城區(qū)唐王（蔬菜）試驗(yàn)基地進(jìn)行了蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的應(yīng)用驗(yàn)證（圖11、圖12）。

為配合蔬菜管理平臺功能測試，在唐王（蔬菜）試驗(yàn)基地中安裝無線采集節(jié)點(diǎn)兩套，包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤水分；水肥一體機(jī)一套；智能卷簾控制器、卷膜控制器、通風(fēng)控制器等控制設(shè)備各一套；視頻監(jiān)控設(shè)備三套；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備一套。

蔬菜管理平臺及配套設(shè)備在西瓜定植前完成安裝與部署，經(jīng)過整個生產(chǎn)季的應(yīng)用，管理平臺運(yùn)行正常。西瓜種植過程中，管理平臺生產(chǎn)管理部分提供了西瓜種植農(nóng)事管理、病蟲害防控等知識；生產(chǎn)檔案部分完成西瓜生產(chǎn)從定植到采收各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)信息；智能分析部分通過對采集參數(shù)、報(bào)警信息等進(jìn)行有效分析，提供了現(xiàn)場環(huán)境調(diào)控決策依據(jù)；通過平臺遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)對基地水肥一體設(shè)備等的遠(yuǎn)程控制。

一個生產(chǎn)季的應(yīng)用結(jié)果表明，人工投入、化肥及農(nóng)藥、用水量明顯減少，勞動效率明顯提升。

4 結(jié)論

針對設(shè)施蔬菜生產(chǎn)及管理技術(shù)落后的問題，我們設(shè)計(jì)并開發(fā)了蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。在濟(jì)南市歷城區(qū)唐王（蔬菜）試驗(yàn)基地的測試應(yīng)用結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)可節(jié)省大量人力成本，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效、便捷的蔬菜生產(chǎn)。

但該蔬菜生產(chǎn)管理平臺還不夠完善，未實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自動化調(diào)控，以達(dá)到真正無人值守的蔬菜生產(chǎn)模式。下一步將加強(qiáng)蔬菜生產(chǎn)環(huán)境預(yù)測預(yù)警及控制模型等的研究，進(jìn)一步提高蔬菜物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的智能化程度，更好地服務(wù)于蔬菜生產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 路芳， 楊曉斌， 沙曉梅， 等. 農(nóng)業(yè)信息化在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型中的作用[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2010（22）： 51.

[2] 李燈華， 李哲敏， 許世衛(wèi). 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與對策[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015（20）： 149-157.

[3] 許世衛(wèi). 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J]. 中國科學(xué)院院刊， 2013， 28（6）： 686-692.

[4] 尚明華， 秦磊磊， 黎香蘭， 等. 溫室環(huán)境信息無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2012， 44（10）： 19-24.

[5] 石曉燕， 徐志福， 李冬， 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施鐵皮石斛智能化生產(chǎn)管控初探[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015， 56（12）： 2005-2009.

[6] 童正仙， 呂偉德， 曾洪學(xué). 基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無土栽培智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2016， 57（6）： 855-861.

[7] 袁學(xué)國， 朱軍. 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、問題和對策[J]. 中國農(nóng)村科技， 2014（6）： 60-63.

[8] 趙春江. 對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考和建議[J]. 農(nóng)村工作通訊， 2014（7）： 25-26.

[9] 劉陽. 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展問題淺析與對策研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2016（2）： 90-91.

[10]李奇峰， 李瑾， 馬晨， 等. 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情況、存在問題及發(fā)展思路[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)， 2014（4）： 115-116.

[11]張琛馳. 對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2012（22）： 341.

[12]趙杰， 汪遠(yuǎn)， 張宏偉. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中存在的問題與對策[J]. 上海農(nóng)業(yè)科技， 2016（6）： 9-10.

[13]孫忠富， 杜克明， 尹守一. 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息， 2010（5）：5-8.