火龍果基地物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理

■李 垚 楊 彬 趙國鈺

隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感和通信技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)代果園的在線與動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)正逐步應(yīng)用，果園的數(shù)字化、信息化管理正逐步形成。利用物聯(lián)網(wǎng)開展果園精細(xì)生產(chǎn)和品質(zhì)管理，已成為一個重要的發(fā)展方向。

合慶火龍果產(chǎn)業(yè)基地位于浦東新區(qū)合慶鎮(zhèn)朝陽村，結(jié)合上海電信5G技術(shù)，利用傳感技術(shù)、射頻技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等，進行信息采集、處理和傳輸，建成了一套火龍果產(chǎn)業(yè)基地的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。實踐證明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠運行。

一、果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用

（一）水果生長狀態(tài)環(huán)境信息的感知。在大面積、區(qū)域化的果園中，水果的生長狀態(tài)受到多種環(huán)境因素的影響。該系統(tǒng)可以跟蹤和收集水果生長相關(guān)的多種信息，如果園的土壤溫濕度、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、CO2濃度以及圖像信息等。

（二）果園害蟲種類與數(shù)量信息的智能遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測到黏紙上的害蟲數(shù)量，并利用圖像處理和機器學(xué)習(xí)算法進行害蟲識別，以便對果園害蟲及時、精準(zhǔn)防治。

（三）果園的凍害監(jiān)測預(yù)警。在現(xiàn)有水果凍害指標(biāo)基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗，實現(xiàn)了水果凍害的精準(zhǔn)預(yù)測與及時預(yù)警。

（四）自動控制。系統(tǒng)可以自動控制噴水、噴藥，也可以自動調(diào)節(jié)控制果園光照、通風(fēng)。

（五）數(shù)據(jù)管理。對采集的傳感器數(shù)據(jù)進行處理，對數(shù)據(jù)建模、預(yù)測，構(gòu)建專家系統(tǒng)。

二、果園物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

近年來，研究人員圍繞著物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)開展了大量的研究工作，有力地推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在果園的應(yīng)用。

（一）物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)。信息感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境信息透徹感知的關(guān)鍵技術(shù)。柳平增等人通過設(shè)計精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)田土壤溫濕度、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、CO2濃度等環(huán)境信息的精準(zhǔn)感知。王文山等人以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)選用MSP430系列處理器。

（二）物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定安全傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。目前主流的數(shù)據(jù)傳輸方式有 ZigBee、GPRS、WIFI、LoRa和北斗等。李旭等基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對多種環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實時收集、傳輸和上位機信息處理控制的自動化，具有及時、高效、準(zhǔn)確、運行成本低等特點。該系統(tǒng)可用于分析果樹的長勢以及環(huán)境變化對果樹的影響，從而進行綜合環(huán)境監(jiān)控和調(diào)節(jié)，為研究果樹生長及時提供精準(zhǔn)的環(huán)境信息。

（三）信息處理技術(shù)。信息處理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)。周國民等針對果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換和共享規(guī)范缺乏的問題，采用可變數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項的設(shè)計方法，在分析果園環(huán)境數(shù)據(jù)特點的基礎(chǔ)上，提出了一種果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式。姜猛等人以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)了蘋果樹病蟲害決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)了對果樹病蟲害的科學(xué)診斷、預(yù)測，為果農(nóng)提供了預(yù)警、防控服務(wù)。

三、合慶火龍果產(chǎn)業(yè)基地物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理

合慶火龍果產(chǎn)業(yè)基地物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)的最底層，包括M2M網(wǎng)關(guān)、M2M模組、攝像頭、讀碼器、RFID、傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)層位于第二層，包括固定通信網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)及其他網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層位于第三層，包括綠色農(nóng)業(yè)、地圖顯示、溫濕度監(jiān)控、智能開關(guān)、遠程監(jiān)控等部分，將前面采集到的數(shù)據(jù)信號等各種信息通過接口轉(zhuǎn)到PC機的客戶界面終端上。

（一）信息傳感

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用了土壤傳感器、水質(zhì)檢測設(shè)備、氣象檢測設(shè)備、攝像頭等信息感知裝置。

1.攝像頭及其供電設(shè)備。本系統(tǒng)采用了18套?？抵悄芮蛐蛿z像頭。其特點：采用10倍小型高清晰度彩色攝像機；室內(nèi)監(jiān)控全角度、無盲點；具有大方、精巧、緊湊、強度高、便于安裝布線等優(yōu)點；水平360°轉(zhuǎn)動，精密步進電機驅(qū)動，運行平穩(wěn)，定位精確；旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)鏡頭變倍倍數(shù)自動調(diào)整、自動聚焦、自動白平衡。本系統(tǒng)的攝像頭供電設(shè)備采用了風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電雙供電模式，充分利用了海邊易刮風(fēng)的特性，保障了攝像頭穩(wěn)定供電。攝像頭及供電設(shè)備的產(chǎn)品組件包括：12V200W風(fēng)力發(fā)電機、18V150W太陽能晶體電池板、18W?？抵悄芮蛐蛿z像頭、12V150Ah可充電蓄電池、12W無線網(wǎng)橋接受端、系統(tǒng)控制器。

2.土壤傳感器。本系統(tǒng)采用了兩套土壤傳感器，土壤傳感器包含土壤溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集器兩部分。土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成,對表層和深層土壤進行墑情的定點監(jiān)測和在線測量。數(shù)據(jù)采集器可檢測土壤中的pH值、溫濕度、氮磷鉀含量。土壤傳感器體積小、耗電量低、可24小時不間斷采集數(shù)據(jù)。

3.水質(zhì)檢測設(shè)備。本系統(tǒng)采用了兩套水質(zhì)檢測設(shè)備，全天侯監(jiān)控果園水質(zhì)情況。

4.氣象檢測設(shè)備。采用了一套氣象檢測設(shè)備，全天侯監(jiān)控火龍果產(chǎn)業(yè)基地的氣象情況。

（二）基于GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制

1.基于GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測。本系統(tǒng)建立了火龍果產(chǎn)業(yè)基地的全景地圖，通過全景地圖，可方便靈活查看攝像頭、土壤溫濕度檢測設(shè)備、水質(zhì)檢測設(shè)備、氣象檢測設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)的信息。

2.攝像頭智能控制?；瘕埞a(chǎn)業(yè)基地的每個大棚及展示廳均安裝了?？禂z像頭，在智能設(shè)備控制界面，提供了靈活的攝像頭操作頁面，它包括大棚選擇、方向鍵控制、焦距控制。

3.溫室大棚開關(guān)智能控制。溫室大棚開關(guān)智能控制在原有手動切換基礎(chǔ)上，添加了一個自動控制鍵，采用5G傳輸遠程控制信號。由于采用了物理邏輯開關(guān)控制，確保線路不會短路，并帶有繼電保護器，即使突發(fā)情況也能安全運行。在開關(guān)過程中，自動切換攝像頭，可觀看天窗和遮陽篷運動情況。

（三）數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)著重要的位置，后臺管理系統(tǒng)是一個面向角色權(quán)限的管理系統(tǒng)，不同權(quán)限的用戶管理著不同的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)信息安全。后臺管理系統(tǒng)包含設(shè)備信息數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、大屏生產(chǎn)分析數(shù)據(jù)。管理頁面包含權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理、信息管理、設(shè)備管理和大屏數(shù)據(jù)幾塊菜單。后臺數(shù)據(jù)可查看或修改。

四、加強物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理對策

（一）及時總結(jié)果園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在使用過程的經(jīng)驗，增加投入，加強果園技術(shù)人員的培訓(xùn)，做好推廣應(yīng)用。

（二）因果園野外環(huán)境條件相對惡劣，對其所使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要求高穩(wěn)定性，須提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性、穩(wěn)定性。

（三）加強果園物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，重視5G通信技術(shù)的應(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中融入機器學(xué)習(xí)。機器學(xué)習(xí)是智慧農(nóng)業(yè)終極發(fā)展目標(biāo)，將機器學(xué)習(xí)智能植入果園智能系統(tǒng)，讓智能系統(tǒng)的領(lǐng)域知識動態(tài)地自更新、自尋優(yōu)，可大大提高果園信息系統(tǒng)的智能化水準(zhǔn)和大大改善農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)質(zhì)量。