基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)稻漁管理平臺設(shè)計與應(yīng)用

張 鐘

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建福州350003）

中國稻田養(yǎng)魚歷史悠久。稻田養(yǎng)魚是一種種養(yǎng)結(jié)合稻魚共生的立體農(nóng)業(yè)，通過魚吃草、除蟲、活水、松土、增肥等作用，既能減少水稻的病蟲害，又可節(jié)省農(nóng)藥化肥的使用，達(dá)到生物防治的效果，被認(rèn)為是農(nóng)村調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中綠色種養(yǎng)的較好方式。稻田養(yǎng)魚能夠?qū)崿F(xiàn)一水兩用、一田多用、一田多收、一季多收和穩(wěn)糧增效的效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著［1-3］，國內(nèi)很多地方實行稻田養(yǎng)魚，帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民致富，實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興［4］。

隨著種養(yǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，如何加強(qiáng)種養(yǎng)過程的科學(xué)管理，如何掌握成魚銷售運輸途中的實時情況，如何把產(chǎn)品賣出去，是生產(chǎn)者面臨的新形勢。正值數(shù)字農(nóng)業(yè)興起和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)很好地解決這一問題。本文設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)稻漁管理平臺，輔助生產(chǎn)者對種養(yǎng)過程進(jìn)行科學(xué)管理，實時掌握成魚運輸?shù)膭討B(tài)，打通與消費者直接聯(lián)系的渠道。平臺還能對種養(yǎng)及成魚運輸過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲、分析，做到實時及歷史數(shù)據(jù)的查詢，依據(jù)設(shè)定閥值發(fā)出實時告警提示。2017年該系統(tǒng)開始應(yīng)用于光澤縣聯(lián)農(nóng)農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社開展的生態(tài)稻漁產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中，助力合作社稻漁產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和稻花漁米品牌行銷，取得良好成效。

1 總體技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為四層，感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層。第一層（底層）是感知層，主要是利用各種感知設(shè)備（溫濕度傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、光照度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器等）、攝像頭、全球定位系統(tǒng)GPS感知和采集稻魚種養(yǎng)過程中的環(huán)境信息、土壤信息、水質(zhì)信息、生長信息及產(chǎn)品在流通過程中的物流信息。感知層，用于原始數(shù)據(jù)的采集，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的源頭，在整個系統(tǒng)起到非常重要的作用，采集的數(shù)據(jù)正確與否直接關(guān)系到后續(xù)的分析與決策管理，影響物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用成效。第二層是傳輸層，負(fù)責(zé)感知層和應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸，是“物與物”之間信息流通的通道，由各種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式組成，包括互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)、局域網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等，可以是一種也可以是多種方式組合。第三層是服務(wù)層，主要作用是對門戶和權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管理，接入采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析等。第四層是應(yīng)用層，是物聯(lián)網(wǎng)在實際業(yè)務(wù)中的具體應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)價值的集中展現(xiàn)。應(yīng)用層利用服務(wù)層處理過的數(shù)據(jù)為生產(chǎn)者提供多類型的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、統(tǒng)計分析、物流信息監(jiān)控等。應(yīng)用層還提供API接口，連接各類管理應(yīng)用系統(tǒng)，使用戶可以通過PC端、APP端、微信端等訪問系統(tǒng)?？傮w技術(shù)架構(gòu)如圖1。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)

2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)稻漁管理系統(tǒng)，包含氣象數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、水質(zhì)信息采集子系統(tǒng)、視頻圖像采集子系統(tǒng)、物流車運輸監(jiān)管子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析、上傳下載、前端展示；用戶權(quán)限的統(tǒng)一管理；認(rèn)養(yǎng)平臺產(chǎn)品信息查詢、用戶注冊、網(wǎng)絡(luò)訂單的下單。

系統(tǒng)對各種傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以圖形圖表的形式顯示各類傳感器收集的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)閥值，超過限定數(shù)值時產(chǎn)生報警信息，做到環(huán)境數(shù)據(jù)可視化，風(fēng)險報警。視頻監(jiān)控作為數(shù)據(jù)信息的有效補(bǔ)充，平臺通過開放的API接口調(diào)取視頻并嵌入到web端，展示關(guān)聯(lián)的攝像頭畫面。通過實時獲取的物流車GPS位置信息結(jié)合地理信息技術(shù)及第三方地圖服務(wù)接口，將物流車位置信息實時顯示在平臺上，實現(xiàn)物流車輛軌跡管理和調(diào)度規(guī)劃等功能。

系統(tǒng)僅對授權(quán)用戶開放，授權(quán)用戶通過web瀏覽器、手機(jī)APP等方式訪問平臺，實現(xiàn)授權(quán)用戶隨時隨地查看各項環(huán)境數(shù)據(jù)、歷史曲線、視頻監(jiān)控畫面、物流車運輸動態(tài)等信息。平臺在識別環(huán)境參數(shù)突破預(yù)設(shè)閾值的情況下，發(fā)出相應(yīng)的報警數(shù)據(jù)，依靠短信等模式向授權(quán)用戶傳遞報警數(shù)據(jù)，用戶接收報警信息后，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境做出相應(yīng)措施。

網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)作為一種新的銷售模式，通過定制認(rèn)養(yǎng)不僅增強(qiáng)消費者對農(nóng)產(chǎn)品的信任度，買到放心、質(zhì)優(yōu)的農(nóng)產(chǎn)品，而且為生產(chǎn)者細(xì)分市場保障或增強(qiáng)農(nóng)業(yè)資本投入，以需定產(chǎn)大大降低生產(chǎn)者滯銷積壓風(fēng)險，減少生產(chǎn)資料的浪費。消費者在認(rèn)養(yǎng)平臺成功下單，將獲取物聯(lián)網(wǎng)信息查詢權(quán)限，實時獲取稻花魚米的生長情況，實現(xiàn)采購的產(chǎn)品從田間到餐桌的全過程監(jiān)控。

2.1 氣象數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

自然條件是水稻能否實現(xiàn)高產(chǎn)的重要影響因素之一。人工影響氣象的形式可降低氣象條件對水稻生長的影響，但這種方式難度大作用小。另一種形式是通過采集氣象數(shù)據(jù)，研究氣象變化的規(guī)律性，采用科學(xué)的水稻種植管理技術(shù)，降低氣象因素對水稻生長的影響。氣象數(shù)據(jù)通過氣象站采集。建立氣象站，搭配不同類型的傳感器，實現(xiàn)戶外空氣溫濕度、光照、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、氣壓等數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、查詢分析統(tǒng)計，方便用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測田間氣象信息［5］。各類傳感器采集的最基礎(chǔ)信息，為之后的數(shù)據(jù)分析和利用提供數(shù)據(jù)支撐。采集的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)焦芾砥脚_，用于研究分析。

2.2 水質(zhì)信息采集子系統(tǒng)

世界萬物繁衍生息都離不開水，稻魚的生長更是離不開水。水即是稻魚的命，也是稻魚的病。好水才能種好稻，養(yǎng)好魚。水稻各生育期對水位的需求是不一樣的［6］，水位過高或過低都會影響水稻的生長。水中的氨氮含量、水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等會影響魚的生長。過去通過人為觀察魚類生長狀況來判定水質(zhì)變化，根據(jù)個人經(jīng)驗改善水質(zhì)，這便造成了生產(chǎn)效率底下、勞動力成本增加，無法達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到水環(huán)境調(diào)控中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知設(shè)備（溫度傳感器、氨氮傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溶解氧傳感器、水位傳感器等）對水質(zhì)溫度、水位、氨氮含量、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳并存儲在管理平臺。管理平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，衡量水域的環(huán)境質(zhì)量，針對水質(zhì)問題提前預(yù)警，向生產(chǎn)者發(fā)出預(yù)警信息，生產(chǎn)者收到預(yù)警信息后對水環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，這樣能夠在更大程度上有效減少生產(chǎn)者到田間去巡查的次數(shù)和頻率，使其工作效率得到最大程度的提升。

2.3 視頻圖像信息采集子系統(tǒng)

對稻魚生長全過程進(jìn)行實時、全方位、動態(tài)監(jiān)控的圖像采集系統(tǒng)，由攝像頭、硬盤錄像機(jī)、流媒體服務(wù)器、光纖、交換機(jī)等組成。攝像頭采集圖像，硬盤錄像機(jī)存儲數(shù)據(jù)，流媒體服務(wù)器解決信號傳遞、轉(zhuǎn)換等需求［7］，光纖、交換機(jī)等負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。我們可根據(jù)監(jiān)控對象合理布置監(jiān)控節(jié)點，進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測，實時將采集信息傳到存儲介質(zhì)，強(qiáng)化信息集中存儲和管理，聯(lián)網(wǎng)條件下可通過計算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等，隨時調(diào)閱視頻，做出快速應(yīng)對。視頻圖像采集系統(tǒng)是現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的具體應(yīng)用，是田間管理的一種創(chuàng)新，可有效降低人工成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，減少工作量，增強(qiáng)管理效能。通過本視頻圖像采集系統(tǒng)，管理者可隨時遠(yuǎn)程查看田間實況，了解稻魚生長狀態(tài)，遠(yuǎn)程指導(dǎo)田間作業(yè)。

2.4 物流車信息采集子系統(tǒng)

魚的品質(zhì)關(guān)乎魚的價值。減少魚體損傷、提高活魚質(zhì)量是活魚運輸過程中必須解決的問題，影響活魚運輸效率和存活率的因素眾多，主要有水中溶氧、二氧化碳濃度、溫度、魚的自身條件等［8］。物流車運輸監(jiān)管系統(tǒng)可以很好的解決這些問題，實現(xiàn)對物流車進(jìn)行精準(zhǔn)定位、監(jiān)測和實時跟蹤，實時掌握物流車運輸動態(tài)，運輸過程魚的狀況，有效提升物流配送精細(xì)化管理水平，增強(qiáng)物流運輸全過程把控。系統(tǒng)由4G路由器、攝像頭、傳感器、GPS模塊及觸摸屏組成。攝像頭監(jiān)控魚的運動狀態(tài)，各類傳感器采集水中溶氧、二氧化碳濃度、溫度數(shù)據(jù)，GPS模塊采集車輛地理位置信息，采集的各項信息通過移動通訊網(wǎng)，實時傳回管理平臺，管理平臺對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時了解物流車運輸過程魚的健康情況及物流車位置信息。安裝在物流車的觸摸屏，能實時顯示傳感器采集的重要數(shù)據(jù)，供駕駛員隨時掌握魚的狀態(tài)，出現(xiàn)異常狀態(tài)，觸摸屏?xí)l(fā)出報警信息，提醒駕駛員采取緊急應(yīng)對措施。

2.5 網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)子系統(tǒng)

如今不缺優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，愁的是如何把這些優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品給銷售出去。隨著消費者對健康、安全、環(huán)境等問題認(rèn)識的提高，消費者的消費習(xí)慣已經(jīng)由過去“吃飽”向“吃好”轉(zhuǎn)變，優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品有大量的市場需求。然而，市場在供需方面存在明顯的信息不對稱，生產(chǎn)者生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品因找不到合適的銷售渠道而大量滯銷，造成資源浪費。消費者缺乏與生產(chǎn)者直接聯(lián)系的渠道，無法買到物美價廉的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和消費升級，越來越多的消費者習(xí)慣通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行購物。網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)作為一種新的消費模式，可實現(xiàn)生產(chǎn)者與消費者直接對接，打破信息不對稱的障礙，解決生產(chǎn)者銷售、消費者采購渠道缺乏的問題。消費者拿起手機(jī)登陸網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)平臺就可以訂購稻花魚米。有認(rèn)養(yǎng)意向的消費者通過認(rèn)養(yǎng)平臺進(jìn)行認(rèn)養(yǎng)，認(rèn)養(yǎng)成功后，在種植期間，可以在物聯(lián)網(wǎng)平臺上查看稻花魚米的生產(chǎn)環(huán)境等實時情況，也可以暢游種植基地，親自體驗安全種養(yǎng)。生產(chǎn)者根據(jù)認(rèn)養(yǎng)人的需求將稻花魚米分批次或一次性送到家。認(rèn)養(yǎng)平臺的推廣有利于生產(chǎn)者準(zhǔn)確把握市場需求信息，進(jìn)而更好地安排生產(chǎn)計劃。

3 應(yīng)用成效

2017年光澤縣聯(lián)農(nóng)農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社開展生態(tài)稻漁產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)全過程物聯(lián)網(wǎng)可視化監(jiān)管及網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)，從該合作社2016年至2020年生態(tài)水稻經(jīng)營面積和大米銷售增長情況看，這項技術(shù)有助于增強(qiáng)消費者對合作社的生態(tài)稻漁產(chǎn)品質(zhì)量安全的依賴度，帶動了品牌行銷和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，呈現(xiàn)出數(shù)字農(nóng)業(yè)科技對數(shù)字經(jīng)濟(jì)和生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的巨大驅(qū)動作用。

據(jù)統(tǒng)計，實施可視化監(jiān)管的2018年至2020年，合作社經(jīng)營規(guī)模由2016—2017年約10 hm2增長到2018—2020年約55.6 hm2，增長率達(dá)到451.9%。2018—2020年每667m2大米銷售額比2016—2017年增長了66.31%，2018—2020年每公斤大米銷售單價也比2016—2017年增長了66.27%。

2019年12月上旬、2020年12月上旬，連續(xù)2 a開展光澤縣稻花魚米食味鑒評暨網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)科技示范活動，推廣網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)模式，成效顯著。翌年1月的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)銷售額分別占當(dāng)月銷售額的59.75%和73.50%，翌年1月的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)銷售額占12月至翌年3月累計銷售額的42.00%、40.91%。2019年底開展的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)，幫助合作社實現(xiàn)2020年1月銷售額116萬元，占全年總銷售額373.1萬元的31.1%，明顯高于2020年全年月平均銷售額。

4 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)下時代發(fā)展。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為加速推動中國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了動力引擎［9］，對改造中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、推動現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)具有重要作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理方式，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理，降低農(nóng)業(yè)投入成本，減少損失，提高產(chǎn)量，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，加快了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐。網(wǎng)絡(luò)認(rèn)養(yǎng)模式讓生產(chǎn)者與消費者直接對接，減少了中間環(huán)節(jié)，降低了滯銷難買的風(fēng)險，生產(chǎn)者的直接利潤顯著提升，消費者也便捷的購買到優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品。