果桑設(shè)施栽培管理信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

孫孝龍 吳德余 許安清 施建軍

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鹽城生物工程分院 224051；2.鹽城市亭湖區(qū)林業(yè)和蠶桑服務(wù)站 214002；3.鹽城思源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 224004)

桑樹是多年生木本植物，?？粕伲淙~喬木或灌木。桑樹的果實稱為桑果，以結(jié)果為主、葉果兼用的桑樹統(tǒng)稱為果桑。桑果產(chǎn)品國內(nèi)外市場需求大、價格高、栽培條件低，露天、大棚、盆栽等條件均可種植，具有較大的市場開發(fā)和應(yīng)用前景。近年來雖然桑樹栽培技術(shù)研究取得了一定進展，但其仍未脫離露地栽培模式和技術(shù)體系，應(yīng)用于果桑栽培過程中的設(shè)施栽培技術(shù)以及管理信息系統(tǒng)研究一直未取得大的進展，嚴重制約著果桑的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。自2010年以來，本研究采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，在江蘇沿海蠶桑實驗區(qū)，對果桑大棚栽培開展相應(yīng)試驗[1～2]，研制出果桑設(shè)施栽培管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集棚內(nèi)溫度、濕度，土壤溫度、濕度，CO2濃度，光照強度，局部溫度、濕度，有害氣體等環(huán)境數(shù)據(jù)，同時對照果桑生長的標準參數(shù)，自動開啟或關(guān)閉相關(guān)指定設(shè)備，借助與設(shè)備系統(tǒng)相匹配的土壤改良、品種篩選、氣體調(diào)節(jié)、病蟲害防治、栽培管理等技術(shù)，實現(xiàn)對果桑種植的智能化管理，為果桑種植提供自動化系統(tǒng)條件，全程優(yōu)化控制種植環(huán)境因素，顯著提高了果桑種植水平和生產(chǎn)效益。

1 果桑大棚栽培智能化管理的特點與優(yōu)勢

果桑生長發(fā)育的環(huán)境因子主要包括土壤條件以及溫度、濕度、光照、氣體等，在露天種植條件下，經(jīng)常會遭受大風(fēng)、暴雨、高溫、霜凍、空氣污染等不利環(huán)境條件，使果桑生長遭受嚴重影響，導(dǎo)致桑果、桑葉減產(chǎn)甚至絕收。而采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，運用大棚設(shè)施栽培模式，環(huán)境條件通過各類設(shè)備智能調(diào)控，使果桑生長條件保持在適宜的水平，不僅省力省工，生產(chǎn)安全，而且能顯著提高果桑的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過智能化系統(tǒng)及技術(shù)，實現(xiàn)對果桑栽培中涉及的濕度、空氣、土壤、光照等環(huán)境因素的智能化控制，適時監(jiān)控與調(diào)節(jié)這些因素相關(guān)指標大小，保障果桑健康生長。

2 系統(tǒng)設(shè)計與研制

參與果桑栽培信息化管理的系統(tǒng)架構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)傳輸、計算機處理及感知識別三個體系構(gòu)成。在這個信息化管理系統(tǒng)中，農(nóng)作物的生產(chǎn)與管理的環(huán)境因子都可以成為系統(tǒng)設(shè)置的主體目標，并通過建立靈活、精準的農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)資源及條件的自動化控制，提升實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)的靈活性，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要為農(nóng)作物提供智能管理，信息化管理系統(tǒng)的形成與發(fā)展將在很大程度上推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與智能化的發(fā)展。本研究通過分析果桑大棚栽培控制目標及參數(shù)特點，依據(jù)自動化、實時性、智能化的原則，采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，設(shè)計系統(tǒng)總體方案，實現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的自動感知、精準傳輸與智能處理。果桑設(shè)施栽培管理信息系統(tǒng)基于農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)平臺，其基本組成框見圖1，通過提供一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能大棚遠程監(jiān)控裝置，采用無線GPRS傳輸通信協(xié)議、RTU遠程監(jiān)控設(shè)備和傳感器檢測技術(shù)等相結(jié)合的設(shè)計，在系統(tǒng)優(yōu)化、信息集約化處理、精準識別有效信息、快速傳遞實時數(shù)據(jù)等方面具有顯著的優(yōu)勢。在功能方面，系統(tǒng)擁有人機交互界面、傳感器輔助，可為農(nóng)作物生長環(huán)境相關(guān)因素的調(diào)控與管理發(fā)揮擴展性功能[3～4]。

圖1 果桑設(shè)施栽培管理信息系統(tǒng)基本組成框圖

2.1 自動感知

對大棚內(nèi)果桑栽培環(huán)境因子的感知，主要由信息系統(tǒng)內(nèi)部包含的攝像頭、全球定位系統(tǒng)、無線傳感器等發(fā)揮核心作用。有了以上設(shè)備技術(shù)，能輕松定位，識別大棚內(nèi)溫度、濕度、土壤環(huán)境是否適宜果桑自身生長條件。在精準定位和識別的基礎(chǔ)上，信息系統(tǒng)的感知層對設(shè)施大棚內(nèi)果桑的生長環(huán)境進行全面感知，為果桑設(shè)施栽培的自動控制、智能決策提供科學(xué)依據(jù)，它是信息管理系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)模塊。感知層通過不同種類的傳感器來感知大棚內(nèi)外空氣溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強度，CO2濃度，空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)，實時提供數(shù)據(jù)信息，并進行初步處理發(fā)送到計算機控制中心。

2.2 精準傳輸

信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸既包括物聯(lián)網(wǎng)感知層與互聯(lián)網(wǎng)層面的數(shù)據(jù)傳輸，也包括感知層與應(yīng)用層的信息傳遞，通過信息的多向傳輸，互聯(lián)網(wǎng)為底層傳遞數(shù)據(jù)將更加精準有效。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層設(shè)計包括大棚場地局域網(wǎng)和遠程廣域網(wǎng)，這兩種網(wǎng)絡(luò)安全可靠并廣泛互聯(lián)，實現(xiàn)應(yīng)用層和遠程用戶對數(shù)據(jù)的獲取和決策命令的下達。大棚場地局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)的有線傳輸技術(shù)，具備聯(lián)網(wǎng)距離長、容量大、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點。遠程局域網(wǎng)采用互聯(lián)網(wǎng)及GSM通訊相結(jié)合的技術(shù)，通過遠程網(wǎng)絡(luò)計算機和移動終端，管理用戶可以實時獲取大棚栽培環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，具備傳輸范圍廣、魯棒性好、精確度高等特性。

2.3 智能應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，對獲取的各類感知信息進行智能分析和綜合處理，為自動控制和精準運行提供決策信息。系統(tǒng)控制中心的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、智能控制和人機交互4個基本模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊，提供建立大棚環(huán)境數(shù)據(jù)庫和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，完成感知采集數(shù)據(jù)的基本處理；數(shù)據(jù)處理模塊，采用軟件補償、分布圖法和取平均值法消除感知數(shù)據(jù)的誤差影響，不僅完成數(shù)據(jù)存儲、添加、修改和查詢，更實現(xiàn)了智能化處理；智能控制模塊，采用模糊控制策略和變結(jié)構(gòu)模糊控制方法對大棚環(huán)境因子及參數(shù)進行智能控制，能獲得良好的數(shù)據(jù)精度。RTU設(shè)備將各種所需的環(huán)境參數(shù)集體收集起來，并通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息實時傳送和反饋給用戶終端(PC機或手機)。人機交互界面包括數(shù)據(jù)采集界面、實時監(jiān)控界面、控制輸出界面、參數(shù)設(shè)置界面、知識決策界面和數(shù)據(jù)管理界面等。

3 系統(tǒng)基本功能與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基本功能

果桑設(shè)施栽培管理信息系統(tǒng)為果桑生長智能化管理，系統(tǒng)主要有以下功能：首先，通過數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與識別，精確感知大棚內(nèi)果桑周圍全天候的氣候條件、溫度變化、水分條件、空氣質(zhì)量及CO2濃度等指標信息。通過感知層面的數(shù)據(jù)傳遞，最終為信息查詢檢索與信息調(diào)整提供數(shù)據(jù)庫支撐。其次，由PC機和手機端的監(jiān)控接口，對大棚內(nèi)果桑的生長要素實施實時監(jiān)控，對大棚內(nèi)果桑生長所需穩(wěn)定條件提供圖像與視頻數(shù)據(jù)，為合理調(diào)整大棚內(nèi)果桑生長環(huán)境因素提供實時依據(jù)，并為大棚內(nèi)果桑生長因素相關(guān)指標設(shè)定科學(xué)的限值，以及人工調(diào)節(jié)其指標大小。為大棚內(nèi)果桑的信息系統(tǒng)添設(shè)遠程監(jiān)控線路，并設(shè)定一定管理員權(quán)限，在權(quán)限范圍內(nèi)才能查看、管理大棚內(nèi)果桑的生產(chǎn)環(huán)境信息，做到全方位可視化，從而對不同的管理用戶提供不同的服務(wù)，讓生產(chǎn)更輕松，管理更精確、更高效[5～6]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過傳感層及設(shè)備識別技術(shù)，可以快速、適時將大棚內(nèi)果桑相關(guān)環(huán)境要素數(shù)據(jù)通過RS485或ZigBee形式進行采集與傳遞，包括大棚內(nèi)果桑的溫度、水分、空氣質(zhì)量等。經(jīng)過ZigBee發(fā)送模塊傳遞的數(shù)據(jù)為無線版?zhèn)鬏敺绞?，具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點；有線版采用電纜方式將數(shù)據(jù)傳送到RS485節(jié)點上，有線版?zhèn)鬏斔俾矢摺?shù)據(jù)更穩(wěn)定。數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)根據(jù)收集到的信息與數(shù)據(jù)，為用戶提供一目了然的信息報表，待這一報表生成后，采集的原始感知數(shù)據(jù)可自發(fā)形成數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息與數(shù)據(jù)均是經(jīng)過挖掘、篩選和歸納處理后的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶檢索或者查詢有關(guān)信息時，系統(tǒng)中不包括這樣的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)便會給用戶發(fā)送短信告知。在監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，由于信息系統(tǒng)采用的是精度和分辨率較高的攝像設(shè)備，因此，這些適時顯示、記錄的圖像參數(shù)能通過無線、4G進行遠程觀看，輕松實現(xiàn)對果桑栽培的遠程監(jiān)控。

4 適應(yīng)系統(tǒng)的種植技術(shù)

4.1 品種篩選

信息系統(tǒng)通過信息識別、篩選與查詢功能，可輕松比對和鑒定優(yōu)質(zhì)的果桑品種；同時，借助篩選出來的果桑品種信息，可對現(xiàn)有的果桑品種進行改良，以進一步選出果桑的優(yōu)良品種，防止基因誘變，提升果桑品種質(zhì)量，增強果桑幼苗的耐寒抗病能力，優(yōu)化果桑種植的環(huán)境。

4.2 栽植管理

要提高果桑的產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益，必須要以強化果桑種植管理質(zhì)量為前提。在種植過程中，預(yù)先挖好果桑種植溝渠，精確到每一株，為果桑的向陽生長設(shè)計合適的栽植位置，搭建矮化的定植環(huán)境，便于提升每一株果桑的結(jié)果量和產(chǎn)葉量。要提升單位面積果桑的生產(chǎn)量，需要使桑葉葉面積指數(shù)控制在7～10之間，促進葉、果的協(xié)調(diào)生長，提高桑果的品質(zhì)和產(chǎn)量，并及時疏花定果，提高桑果品質(zhì)。因智能化栽培投資大，可通過間作套種來提高大棚前期效益。

4.3 參數(shù)調(diào)整

為果桑提供適宜的溫度環(huán)境，要為果桑解除休眠模式，通過反保溫技術(shù)，為果桑提供冬季最低生長溫度，達到果桑對溫度的環(huán)境要求。關(guān)于棚內(nèi)溫度參數(shù)(上下浮動不超過0.5℃)，在花期前后階段以及氣溫升高的季節(jié)，為果?？刂坪脮円箿夭?，保障夜間最低溫度為8℃，白天最高溫度24℃，從而使桑樹提早開花，并提高坐果率。在果實發(fā)育后期，保持最適溫度在25℃，最高不超過30℃。關(guān)于棚內(nèi)濕度參數(shù)(上下浮動不超過1%)，在大棚升溫后為85%，開花期為60%，謝花后至果實膨大期為85%，果實著色期為80%。要特別注意，坐果期，防止?jié)穸冗^大，要及時通風(fēng)排濕加溫。

4.4 土壤改良

借助土壤導(dǎo)熱速度低于水的原理，為果桑的土壤進行高溫悶棚的土壤改良處理。尤其是果桑土壤在出現(xiàn)鹽化與板結(jié)的情況下，為土壤溫度達到果桑生長需求，不僅要為其施肥，還要做好及時防病蟲害措施。為了提升果桑土壤養(yǎng)分，要采用秸稈生物反應(yīng)堆施肥技術(shù)為其土壤進行施肥，保障果桑生長所需二氧化碳、有機養(yǎng)料、無機養(yǎng)料、熱量、抗病原微生物孢子的充足，為果桑生長提供富足的光合條件。

4.5 氣體調(diào)節(jié)

棚內(nèi)CO2濃度參數(shù)，晴天宜控制在1000～1500ppm，陰天以500～1000ppm為宜?？梢岳糜袡C肥分解釋放CO2、人工施用CO2以及作物呼吸作用釋放的CO2，為果桑棚內(nèi)氣體質(zhì)量的優(yōu)化提供有利條件，在果桑大棚的頂部進行開口，提供通風(fēng)渠道，大氣中的二氧化碳含量應(yīng)為棚內(nèi)的1/8～1/4之間。此外，要為果桑實時監(jiān)測和防備有害氣體，若棚內(nèi)CO、SO2等有害氣體含量超標，啟動系統(tǒng)預(yù)警模式，及時采取措施進行防控和治理。

4.6 病蟲害防治

為做好果桑的季節(jié)性病蟲防治工作，可噴施3～5度石硫合劑進行預(yù)防。使用阿維菌素或煙霧法治理對果桑生長發(fā)育有嚴重影響的虱類、蚧類、蚜蟲、蝽類害蟲。因棚內(nèi)的溫、濕度比較適宜病菌侵染危害，要及時減少病菌存在量，選用低毒、低殘留無公害藥。

5 系統(tǒng)的不足與對策

5.1 不足之處

鑒于當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展水平尚處于探索階段，各種用于農(nóng)業(yè)信息化的設(shè)備及設(shè)施口徑不一，功能與標準多樣，特別是設(shè)備的防水、防霧、防酸等性能不高，質(zhì)量也難以得到有效保障。因此，難以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)中傳感設(shè)備的統(tǒng)一化研發(fā)，這給農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控、識別、收集、傳輸帶來障礙。同時，由于地域條件受限，一些農(nóng)業(yè)信息化設(shè)備涉及的通訊及電力環(huán)境不穩(wěn)定，這也影響到信息化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另外，農(nóng)業(yè)信息化的低成本和高通用性暫時還不能完全滿足設(shè)施種植類行業(yè)的需求。

5.2 研究對策

根據(jù)系統(tǒng)在研制過程中遇到的問題以及農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)，系統(tǒng)研究將重點放在以下兩個方面：首先是強化系統(tǒng)的標準性與普遍適應(yīng)性，為系統(tǒng)開發(fā)統(tǒng)一標準的接口，方便多個用戶體驗和使用。其次是挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量。利用大數(shù)據(jù)算法，對已有的數(shù)據(jù)進行過濾，提高服務(wù)針對性[7～9]。