卡拉卡拉臍橙果園信息化技術(shù)應(yīng)用效果

肖委明，周爾槐，李蕓，黎鑫林，鄒婧

（1.江西省吉安市園藝場(chǎng)，江西 吉安 343016；2.江西省吉安市井岡山農(nóng)業(yè)科技園管理委員會(huì)，江西 吉安 343016）

政府大力推進(jìn)云計(jì)算及 SaaS(Software-as-a-Service，軟件即服務(wù))平臺(tái)，讓物聯(lián)網(wǎng)信息化應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，云平臺(tái)搭建正處于整個(gè)行業(yè)高速發(fā)展階段，但并未對(duì)其功能和單位有統(tǒng)一規(guī)定。

近幾年江西省臍橙果園嚴(yán)重受黃龍病影響，凍害、旱害、病蟲害是制約臍橙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大問題。應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)構(gòu)建果園信息化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，在凍害、旱害、病蟲害管理中可提供直觀性和科學(xué)性數(shù)據(jù)，賦能臍橙果園生產(chǎn)，增加果園產(chǎn)出效益，提高災(zāi)害性病害防范效果。

一、卡拉卡拉臍橙引種效果

卡拉卡拉臍橙是江西省逐步推廣的唯一紅肉臍橙品種[1～2]，該品種在沙田柚、枳砧、酸橙上高接表現(xiàn)親和性良好，基本在第2 年可以試果，第3 年可達(dá)到小豐產(chǎn)。疏果后最大單果質(zhì)量可達(dá) 286 g 左右，橫徑 8.2 cm，縱徑 7.3 cm，果形指數(shù) 0.96，果皮厚 0.6 cm，可食率 85.3%，果實(shí)有核 1～3 粒，核重0.12～0.19 g，果肉呈現(xiàn)均勻紅色，油胞和果汁橙黃色，深受消費(fèi)者青睞。

二、卡拉卡拉臍橙果園信息化技術(shù)應(yīng)用

江西省吉安市吉州區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，海拔89 m，年均溫 18.4℃，極端高溫41.9℃，歷史極端低溫-8℃，≥10℃積溫 5820℃，無霜期279 天，降雨量1519 mm，日照時(shí)數(shù)1640 h。

2018 年吉安市園藝場(chǎng)在卡拉卡拉臍橙種植中應(yīng)用信息化物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、生產(chǎn)管理可視化、決策指揮智能化，提高了卡拉卡拉臍橙果園在凍害、旱害、病蟲害等方面的監(jiān)測(cè)和預(yù)警效果。

1、需求描述

參考制造架構(gòu)ISA95，基于此架構(gòu)構(gòu)建卡拉卡拉臍橙基地信息化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，根據(jù) PLC、SCADA 以及物聯(lián)網(wǎng)IOT 特點(diǎn)進(jìn)行3 大塊梳理：PLC（設(shè)備和傳感層）、SCADA（生產(chǎn)過程控制和監(jiān)控層）、IOT（基于移動(dòng)&云的超強(qiáng)計(jì)算層）。

（1）前端接入層建設(shè)

為平臺(tái)各類用戶提供具有良好用戶體驗(yàn)的終端展現(xiàn)界面，各種應(yīng)用的服務(wù)、功能及信息被集成在前端接入層，主要包括智能手機(jī)、智能手持機(jī)、大屏幕、個(gè)人電腦、前端查詢機(jī)等設(shè)備。

（2）應(yīng)用系統(tǒng)層建設(shè)

用于支持不同權(quán)限管理者和用戶的應(yīng)用和農(nóng)業(yè)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)。

（3）應(yīng)用支撐層建設(shè)

支撐層負(fù)責(zé)為應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行提供技術(shù)支撐服務(wù)，并將這些服務(wù)能力依據(jù)不同功能劃分，以松散耦合的形式組織成各類基礎(chǔ)服務(wù)。這些基礎(chǔ)服務(wù)在總體架構(gòu)內(nèi)互相提供服務(wù)和數(shù)據(jù)，構(gòu)成了上層應(yīng)用系統(tǒng)所需要的底層應(yīng)用支撐，主要包括中間件平臺(tái)和數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。

（4）數(shù)據(jù)資源層

主要是為上層系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，包括監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫、專家數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、小型氣象站數(shù)據(jù)庫。

（5）基礎(chǔ)層

主要指保障上層系統(tǒng)正常運(yùn)行的硬件設(shè)備、運(yùn)行于硬件上的基礎(chǔ)系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)等，包括綜合數(shù)據(jù)中心、前端傳感設(shè)備、自動(dòng)化控制設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)等。

（6）兩大保障體系

兩大保障體系是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的保障，包括安全保障體系和運(yùn)維保障體系。

2、平臺(tái)架構(gòu)

（1）應(yīng)用架構(gòu)分層

Web 應(yīng)用，監(jiān)控屏，移動(dòng)端應(yīng)用，三方應(yīng)用接口。數(shù)據(jù)平臺(tái)：應(yīng)用接口（API），應(yīng)用擴(kuò)展接口，短信模塊，郵件模塊，高速緩存，設(shè)備鑒權(quán)，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分發(fā)，數(shù)據(jù)管道，數(shù)據(jù)接入。網(wǎng)絡(luò)層：GPRS/Wifi/以太網(wǎng)。

（2）功能要求

主要功能具備大田環(huán)境參數(shù)采集、土壤參數(shù)采集、精準(zhǔn)灌溉、遠(yuǎn)程智能化控制、遠(yuǎn)程視頻診斷（監(jiān)控）及物聯(lián)網(wǎng)控制終端和線路傳輸?shù)?。環(huán)境參數(shù)采集主要通過安裝農(nóng)業(yè)戶外氣象站，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、雨露、露點(diǎn)、硫化氫等參數(shù)的采集。土壤參數(shù)采集土壤溫度、濕度、pH 值、鹽份含量等。精準(zhǔn)灌溉主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的精準(zhǔn)控制，出水灌溉均勻，包含精密液位傳感器、電控磁閥門、灌排一體化管網(wǎng)、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)終端及電氣控制箱。遠(yuǎn)程診斷主要通過高清攝像頭360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)視頻診斷。

三、應(yīng)用結(jié)果及分析

1、PLC、SCADA、IOT 應(yīng)用區(qū)別

從PLC 發(fā)展歷程上看，可編輯邏輯控制器在誕生時(shí)是面向單個(gè)設(shè)備或者單元的邏輯控制，PLC 從傳感器接收數(shù)據(jù)，處理這些數(shù)據(jù)，并根據(jù)編程參數(shù)進(jìn)一步發(fā)送。PLC 可以記錄和監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如溫度。如果遇到故障，可以自動(dòng)啟動(dòng)和停止生產(chǎn)，并相應(yīng)地觸發(fā)報(bào)警等。其邏輯控制類似小型計(jì)算機(jī)，無人機(jī)界面。從ISA95 國際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)系統(tǒng)控制分層來看，PLC 依然屬于L1 級(jí)，即在底層設(shè)備上一個(gè)層次。

物聯(lián)網(wǎng)IOT 是通過射頻識(shí)別RFID 等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體實(shí)施智能化的控制與管理。

SCADA 重于數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單且無法適配移動(dòng)，整體架構(gòu)冗余，而且維護(hù)和安全性都基于傳統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)。其分層屬于L2 級(jí)，即子系統(tǒng)監(jiān)控層，雖具備一定的控制功能，但其側(cè)重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視，而對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)效率、質(zhì)量信息、設(shè)備運(yùn)行等各種現(xiàn)代管理的數(shù)字化和智能化級(jí)別偏低，無法適應(yīng)現(xiàn)代化和整合化的大棚種植基地業(yè)務(wù)需求。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的 ISA-95 金字塔架構(gòu)，用扁平化、智能化、移動(dòng)化甚至云聯(lián)網(wǎng)等架構(gòu)，重新定義了大棚種植業(yè)基礎(chǔ)和系統(tǒng)等各方面的集成和統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為 SCADA的補(bǔ)充和升級(jí)，專注于對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)處理，從而實(shí)現(xiàn)更快、更高效的決策過程，并降低風(fēng)險(xiǎn)和容錯(cuò)率。

2、信息化應(yīng)用在卡拉卡拉臍橙果園管理優(yōu)劣勢(shì)

從部署應(yīng)用體驗(yàn)分析，應(yīng)用精訊云平臺(tái)在監(jiān)測(cè)農(nóng)情的穩(wěn)定性高于建大仁科，數(shù)據(jù)采集、預(yù)警發(fā)布、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、記錄、查詢、導(dǎo)出、比較等功能，部署在騰訊云服務(wù)器上，可以實(shí)現(xiàn)全球任意地方都快速訪問與接入。在長時(shí)間的數(shù)據(jù)管理口徑、監(jiān)測(cè)以及整合環(huán)境歷史情況、現(xiàn)狀趨勢(shì)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、溯源分析等形成環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫方面強(qiáng)于建大仁科[3]。

信息化果園還不具備植物學(xué)特性、物候期、果實(shí)性狀比較、留樹耐貯性和果實(shí)糖酸變化統(tǒng)計(jì)以及土壤微量元素動(dòng)態(tài)分析等，無法和福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所研究建立卡拉卡拉紅肉臍橙生長發(fā)育動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[4]，還需人工對(duì)其花、葉、果實(shí)、新梢等生長量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，葉片含氮量、葉片增大與脫落、果實(shí)增大的年周期變化規(guī)律，以及生長量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的關(guān)系等進(jìn)行研究。

四、結(jié)語

果園生產(chǎn)中，信息化賦能可減少果園生產(chǎn)的未知環(huán)境因素，對(duì)防凍、抗旱、病蟲害防治起到了有力決策保障。同時(shí)針對(duì)卡拉卡拉臍橙果實(shí)發(fā)育規(guī)律、果肉深淺顏色、各區(qū)域引種表現(xiàn)建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，有助于提升果園科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，下一步還需對(duì)硬件熟練應(yīng)用及人工統(tǒng)計(jì)糾正偏差。