香榧種植大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷成武 郭然

摘要 在智慧林業(yè)背景下，全面了解香榧的生長(zhǎng)習(xí)性是實(shí)現(xiàn)其種植精細(xì)化管理的基礎(chǔ)。香榧種植大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用以STC12C5A60S2芯片為核心的控制箱，采集香榧種植氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)接入方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終通過(guò)數(shù)據(jù)可視化大屏展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果。香榧種植大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)香榧種植環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可節(jié)省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；香榧種植；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ；智慧林業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào) S727.33；F326.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）03-0099-04

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)生產(chǎn)生活和社會(huì)管理方式朝智能化、精細(xì)化和網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)變。在林業(yè)種植中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)智慧林業(yè)建設(shè)，有利于林業(yè)的精細(xì)化管理，提高林業(yè)資源管理效率。香榧為榧樹(shù)屬植物，是經(jīng)人工嫁接培育而成的優(yōu)良栽培種，集果用、樹(shù)用、美容和藥用等價(jià)值于一身，在安徽、江蘇和浙江等地種植較多。其生長(zhǎng)對(duì)氣候和土壤要求較高，而粗放式管理易造成植株成活率低、產(chǎn)量增速較慢等問(wèn)題。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理模式對(duì)香榧林業(yè)種植發(fā)展具有重要意義。

本研究通過(guò)使用傳感器對(duì)香榧林的種植氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)接入的方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)香榧種植環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化展示，推動(dòng)香榧林業(yè)發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。（1）采集香榧林種植環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可采集包括光照度、某一段時(shí)間內(nèi)的降水量、空氣溫濕度、氣壓、土壤溫濕度以及二氧化碳（CO）濃度等環(huán)境信息。（2）提供可視化數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過(guò)香榧種植大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以圖、表的形式展示出來(lái)，可為香榧種植產(chǎn)業(yè)投資者、決策者、經(jīng)營(yíng)者及科研人員提供數(shù)據(jù)支持。（3）管理監(jiān)測(cè)設(shè)備。企業(yè)管理員、園區(qū)管理員等通過(guò)Web管理系統(tǒng)，可以對(duì)各個(gè)園區(qū)的樹(shù)木、監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行管理。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于以上功能，本系統(tǒng)將整體工作劃分為3個(gè)層次：感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1所示。該系統(tǒng)以平臺(tái)層為核心，感知層主要包含用來(lái)檢測(cè)光照、水分等影響香榧生長(zhǎng)的環(huán)境因素的各類(lèi)傳感器。平臺(tái)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和展示；根據(jù)需求設(shè)計(jì)核心算法完成數(shù)據(jù)融合、知識(shí)提??；完成平臺(tái)的角色管理、權(quán)限管理；搭載數(shù)值擬合校正服務(wù)。應(yīng)用層負(fù)責(zé)與用戶(hù)的交互以及展示決策算法結(jié)果。香榧種植系統(tǒng)以含有STC12C5A60S2芯片的控制箱為核心，利用日照傳感器、百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485總線傳輸?shù)娇刂葡??？刂葡洳捎靡蕴W(wǎng)接入的方式，將采集卡接入互聯(lián)網(wǎng)，部署云平臺(tái)，最終數(shù)據(jù)會(huì)在香榧種植系統(tǒng)大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)上以圖或表的形式進(jìn)行展示，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)發(fā)出預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控種植環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包括控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器選型和數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)，并基于林區(qū)的實(shí)際環(huán)境，對(duì)控制箱進(jìn)行防潮與防爆的設(shè)計(jì)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)處理、Web管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)以及移動(dòng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? 控制箱的主要任務(wù)是采集各類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定的協(xié)議格式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。同時(shí)，控制箱也負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)傳感器故障、用電故障以及數(shù)據(jù)通信故障的初步判定。基于以上功能并考慮控制箱的可靠性和耐用性，采用防水控制箱，抱箍設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制箱內(nèi)部自制電路板，主要負(fù)責(zé)信息的采集及傳輸。采用RS-485集線器，實(shí)時(shí)傳輸香榧種植基地的環(huán)境信息。

自制電路由STC12C5A60S2最小系統(tǒng)、RS-485芯片組成的穩(wěn)壓電路和Led（發(fā)光二極管）電路組成，并以端子模塊連接虛擬控制中心（VCC）與穩(wěn)壓電路。STC12C5A60S2的單片機(jī)具有高性能處理能力，支持多種低功耗模式，可有效降低功耗，具備高精度的計(jì)時(shí)能力。

RS-485集線器是一種內(nèi)部采用雙核、無(wú)休設(shè)計(jì)的RS-485總線分割集線器。RS-485接口端采用光電隔離技術(shù)，防止雷擊浪涌引入轉(zhuǎn)換器及設(shè)備，內(nèi)置光電隔離及1 500 W浪涌保護(hù)電路，能夠提供2 500 V的隔離電壓，同時(shí)可以有效防止雷擊和共地干擾，供電采用外接開(kāi)關(guān)電源供電。

2.1.2 傳感器選型? 數(shù)據(jù)采集主要集中在土壤和氣候環(huán)境信息的采集。土壤的采集參數(shù)包括土壤pH值、土壤電導(dǎo)率和土壤溫濕度，而氣候環(huán)境的采集包括空氣溫濕度、大氣壓力、CO含量、降水量、日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速以及風(fēng)向等。由于所有傳感器部署地和采集終端之間的距離一般超過(guò)2 m，因此選用RS-485輸出方式的傳感器。不銹鋼單翻斗式雨量計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)測(cè)量自身翻動(dòng)次數(shù)，可以確定某一時(shí)段內(nèi)的降水量、降水強(qiáng)度和降水時(shí)間等。其在精準(zhǔn)測(cè)量降水量的同時(shí)，具有較好的耐腐蝕性，可以在惡劣的氣候條件下持久使用，適應(yīng)性較強(qiáng)，可以用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。待傳感器傳回云端數(shù)據(jù)后，專(zhuān)家根據(jù)香榧樹(shù)的生長(zhǎng)情況以及光照、溫度、氣壓和土壤礦物質(zhì)含量來(lái)確定香榧樹(shù)的最宜澆水時(shí)段和最佳澆水量，確保植物處于水分充足的環(huán)境中，減少植物的葉片、枝干出現(xiàn)干枯、凋零和衰老的情況。

在氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)中，因百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器具有高靈敏度、高精度以及測(cè)量范圍寬、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，選擇使用該一體傳感器感知香榧所處環(huán)境中光的強(qiáng)度、環(huán)境溫度、空氣濕度以及CO濃度。

因氣壓變送器具有較高的可靠性，能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定的性能，故選擇使用氣壓變送器，監(jiān)測(cè)所處環(huán)境的大氣壓力。選擇使用不銹鋼單翻斗式雨量計(jì)確定某一時(shí)段內(nèi)的降水量、降水強(qiáng)度和降水時(shí)間等。

在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中，選擇使用土壤溫濕度+鹽分+土壤電導(dǎo)率（EC值）傳感器，監(jiān)測(cè)所處環(huán)境土地的溫濕度、電導(dǎo)率；選擇使用pH值+電導(dǎo)率+溫濕度傳感器，監(jiān)測(cè)所處環(huán)境土地的pH值。

2.1.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)? 每個(gè)傳感器都有對(duì)應(yīng)地址，采用485通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)傳感器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于485-RTU的協(xié)議包含主模式和從模式，均需要主機(jī)查詢(xún)從機(jī)，不存在主動(dòng)上報(bào)的方式，所以標(biāo)準(zhǔn)的485-RTU格式難以滿足該系統(tǒng)的需要。因此，數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.1.4 控制箱防潮設(shè)計(jì)與防爆設(shè)計(jì)? 香榧樹(shù)的林區(qū)處于林木眾多、濕氣相對(duì)較重的環(huán)境中。因此，需要從印制電路板（PCB板）制作、設(shè)備結(jié)構(gòu)等多方面考慮，以滿足設(shè)備防火、防潮的要求。針對(duì)防潮設(shè)計(jì)，使用環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠將PCB板關(guān)鍵部位包裹住，從而起到防水、防潮、防煙霧、防霉菌、抗震以及抗外力沖擊等效果，灌封后能實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板的全方位保護(hù)，極大提高電路板的使用壽命。該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)土壤溫濕度+鹽分+EC值的傳感器以環(huán)氧樹(shù)脂密封膠灌封，使傳感器可以直接埋入土壤中使用。設(shè)置電路過(guò)流、過(guò)壓檢測(cè)，發(fā)生短路、斷路等情況時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并提前預(yù)警。針對(duì)防爆設(shè)計(jì)，使用變壓器、安全柵等防爆電氣隔離環(huán)節(jié)，并采用符合防爆標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備。該系統(tǒng)使用的百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器和pH值+電導(dǎo)率+溫濕度傳感器均符合防爆標(biāo)準(zhǔn)，可在有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中使用。

2.2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的工作流程：首先，通過(guò)傳感器采集氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)；其次，通過(guò)以太網(wǎng)接入云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)，云平臺(tái)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析；最后，通過(guò)可視化大屏將統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。針對(duì)以上工作流程對(duì)香榧種植大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)處理方式、Web管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)以及移動(dòng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)。

2.2.1 數(shù)據(jù)處理? 針對(duì)大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的關(guān)聯(lián)性、動(dòng)態(tài)性和多源異構(gòu)性等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的融合處理。該系統(tǒng)從構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的角度進(jìn)行大數(shù)據(jù)多粒度融合，通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元來(lái)支持多模態(tài)特征融合和多種類(lèi)型、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的封裝融合。首先，對(duì)采集的香榧相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和特征提取，抽取出數(shù)據(jù)中的不同特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)的位置屬性、時(shí)間空間關(guān)聯(lián)屬性和其他觀測(cè)屬性的特征描述。其次，通過(guò)元數(shù)據(jù)定義方法和JSON數(shù)據(jù)交換技術(shù)（JavaScript Object Notation，JS對(duì)象簡(jiǎn)譜），實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元定義，對(duì)每一類(lèi)統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元進(jìn)行基本信息和各類(lèi)屬性定義和描述。最后，針對(duì)不同的挖掘計(jì)算服務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)適配。

在香榧種植大數(shù)據(jù)處理總體架構(gòu)和數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元基礎(chǔ)上，進(jìn)行了香榧種植大數(shù)據(jù)計(jì)算的微服務(wù)設(shè)計(jì)。針對(duì)香榧種植大數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，將服務(wù)層中的微服務(wù)分為3類(lèi)，數(shù)據(jù)微服務(wù)簇負(fù)責(zé)從UDU標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、同步和更新等操作；計(jì)算微服務(wù)簇從多模式計(jì)算框架和多類(lèi)計(jì)算模型2個(gè)維度進(jìn)行挖掘分析服務(wù)的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)；流程微服務(wù)簇負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)微服務(wù)、計(jì)算微服務(wù)的協(xié)同處理，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)組件的配置管理和調(diào)度進(jìn)行支持[6]。

2.2.2 Web管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)? 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)選擇基于Spring Cloud的微服務(wù)架構(gòu)開(kāi)發(fā)模式，采用Nacos服務(wù)端注冊(cè)中心和配置中心為微服務(wù)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)管理提供支持，網(wǎng)關(guān)使用Gateway技術(shù)，采用Sentinel作為熔斷機(jī)制，Zipkin進(jìn)行鏈路追蹤，日志采用ELK方式（Elasticsearch、Logstash和Kibana，日志鏈路分析架構(gòu)技術(shù)總棧），監(jiān)控中心使用SpringBootAdmin。這種基于微服務(wù)架構(gòu)的模式有利于資源重復(fù)利用，提高開(kāi)發(fā)效率。

2.2.3 大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)設(shè)計(jì)? 香榧種植大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)采用AntDesign框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在數(shù)據(jù)分析中引入Echarts組件作為圖表可視化工具。平臺(tái)分為環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、預(yù)警信息模塊和園區(qū)數(shù)據(jù)展示模塊。

園區(qū)數(shù)據(jù)展示模塊展示香榧種植園區(qū)數(shù)量以及園區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊展示通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)的日照、降水量、氣象和土壤信息。預(yù)警信息模塊以折線圖的方式展示總預(yù)警次數(shù)、已處理預(yù)警與誤報(bào)預(yù)警數(shù)量之間的關(guān)系，方便香榧種植產(chǎn)業(yè)科研人員進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和對(duì)比。

大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)建立了“用數(shù)據(jù)說(shuō)話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”的管理機(jī)制，有助于實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策，可為香榧種植產(chǎn)業(yè)投資者、決策者、經(jīng)營(yíng)者及科研人員提供服務(wù)。

2.2.4 移動(dòng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)? 移動(dòng)端主要分為工作中心、預(yù)警中心、巡查記錄和個(gè)人中心4個(gè)模塊。工作中心模塊以直方圖的形式展示系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)的總預(yù)警數(shù)與已處理預(yù)警、待處理預(yù)警、誤報(bào)預(yù)警數(shù)量之間的關(guān)系，在預(yù)警中心模塊可填寫(xiě)預(yù)警詳情報(bào)告單，對(duì)產(chǎn)生的預(yù)警進(jìn)行處理。

3 結(jié)語(yǔ)

為解決香榧造林成活率低等問(wèn)題，構(gòu)建香榧種植大數(shù)據(jù)平臺(tái)，并在香榧種植基地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)香榧種植土壤和氣候等環(huán)境信息，有利于進(jìn)一步了解香榧的生長(zhǎng)習(xí)性，提高香榧造林成活率。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與展示的基本功能，還利用人工智能分析數(shù)據(jù)，把香榧種植的土壤參數(shù)、氣候環(huán)境參數(shù)以及人為干預(yù)的行為與香榧果木的生長(zhǎng)以及掛果率整體關(guān)聯(lián)起來(lái)，可指導(dǎo)香榧林的科學(xué)管理，節(jié)省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

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（責(zé)編：王 菁）

作者簡(jiǎn)介 殷成武（1981—），男，安徽舒城人，系統(tǒng)規(guī)劃與管理師，從事林業(yè)信息化建設(shè)和森林資源監(jiān)測(cè)工作。

收稿日期 2023-12-01