基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理設(shè)計與研究*

張祖瑜 ，黃榮喜 ，張健新

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學信息工程學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

在鄉(xiāng)村振興的大背景下，我國農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期[1]。近年來，我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測，除了使用地表式的有線、無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，有些現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)還建立了基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境信息的實時數(shù)據(jù)采集，并取得了比較好的成效。此外，國內(nèi)外在園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的使用與數(shù)據(jù)獲取研究方面，成效顯著。本文以廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)為例進行分析，該園區(qū)盡管有現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展示園之美譽，但在數(shù)字化管理設(shè)計方面仍有待加強。在園區(qū)管理中，如何對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)布置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化平臺管理等進行優(yōu)化設(shè)計，綜合利用獲取的信息，打破信息孤島，做到有效的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)安全管理，是本文研究的重點。

1 八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理框架設(shè)計

在框架設(shè)計上，主要采用物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與分析、數(shù)據(jù)決策等功能進行管理[2]。主要在種植指標、生產(chǎn)指標、管理指標上進行果蔬等生產(chǎn)信息化模型建設(shè)，確保系統(tǒng)設(shè)計的功能滿足用戶需求。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)信息采集管理

物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)是一種用于獲取、傳輸和處理種植指標和環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助各類傳感器和設(shè)備，監(jiān)測各種果蔬生長指標和環(huán)境參數(shù)的變化，并做好信息記錄。通過對采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，做到在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行數(shù)據(jù)高效傳輸共享，確保數(shù)據(jù)的及時應(yīng)用[3]。在研究中，深入分析廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)目前的需求，其主要包括資源管理、環(huán)境監(jiān)測、公共服務(wù)等方面，明確系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和特性，挑選適宜的物聯(lián)網(wǎng)傳感器和裝備，以采集相關(guān)數(shù)據(jù)。八桂田園有100 000 m2的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)觀光區(qū)、約60 000 m2的野菜瓜果采摘區(qū)和約53 336 m2的栽培區(qū)，數(shù)據(jù)采集的范圍廣泛，應(yīng)主要做好氣象觀測、土壤狀況、水體質(zhì)量、大氣污染水平、能源利用情況、交通流量等方面的信息采集工作。在整個園區(qū)進行分布式部署傳感器，以確保全方位的數(shù)據(jù)采集，在網(wǎng)絡(luò)部署方面，利用WIFI 網(wǎng)絡(luò)中的VLAN 技術(shù)和GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過無線傳輸進行云端存儲，確保數(shù)據(jù)的傳輸與存儲安全。物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)是生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理的核心組成之一，它的設(shè)計主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)、資源利用以及特定的環(huán)境條件方面，以更好地保護生態(tài)平衡并提高生產(chǎn)效率為目標，具體的設(shè)計如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)存儲與分析

在數(shù)據(jù)存儲方面，生態(tài)園區(qū)的數(shù)據(jù)主要存儲在云服務(wù)器上，以確保數(shù)據(jù)的可用性和安全性。云存儲提供了數(shù)據(jù)獲取的靈活性和可擴展性，可以根據(jù)需求調(diào)整存儲容量[4]。同時，云計算為數(shù)據(jù)處理提供了彈性和可伸縮性，從而提高了數(shù)據(jù)處理的效率，并降低了本地存儲的成本。在數(shù)據(jù)的處理上，對于一些具有較高敏感性的數(shù)據(jù)，可以采用專門的服務(wù)器或硬盤來進行存儲，確保數(shù)據(jù)的安全。

在技術(shù)方面，對在原有基礎(chǔ)上建立的相關(guān)裝備配置，進行標準化體系設(shè)計擴容，便于處理收集的海量數(shù)據(jù)[5]。在數(shù)據(jù)處理上，利用Python 技術(shù)實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)的抓取、融合和備份存儲，同時使用PyQt技術(shù)實現(xiàn)園區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化和數(shù)據(jù)分析。并利用各種統(tǒng)計分析方法，如描述性統(tǒng)計、回歸分析和時間序列分析等，從數(shù)據(jù)中提取有關(guān)生態(tài)園區(qū)運營的重要數(shù)據(jù)。對于需要實時進行數(shù)據(jù)監(jiān)測的應(yīng)用，采用Apache Kafka 和Apache Flink 進行流式數(shù)據(jù)處理，并采用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，以實時監(jiān)測資源使用情況，識別潛在的優(yōu)化機會，將分析得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實行動中，確保數(shù)據(jù)能得到有效的應(yīng)用[6]。課題組在研究中，做到了資源分配的優(yōu)化、環(huán)境保護措施的制定、不同農(nóng)作物在不同環(huán)境下種植系統(tǒng)的調(diào)整，對整個八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)公共服務(wù)的改進等也進行了相應(yīng)的探索。

1.3 決策支持系統(tǒng)

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與研究，有助于管理者和決策者在生態(tài)園區(qū)管理中，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，做出更明智的決策，幫助管理者更好地了解生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，并采取可持續(xù)的管理措施，提升對園區(qū)的管理水平。決策支持系統(tǒng)，可以整合來自多種數(shù)據(jù)源的信息，包括氣象數(shù)據(jù)、生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)量、植被覆蓋和水質(zhì)數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)分析上，利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如統(tǒng)計分析、機器學習和模擬建模等，來發(fā)現(xiàn)生態(tài)園區(qū)的發(fā)展趨勢和模式[7]，其可以預(yù)測未來的生態(tài)變化、辨識生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性、評估不同管理策略的效果。在系統(tǒng)的設(shè)計中，主要采用交互式可視化操作，幫助用戶更輕松地理解數(shù)據(jù)，例如在地圖、圖表和儀表盤上體現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)視圖等?？梢暬僮髂軌蛏鷦拥爻尸F(xiàn)數(shù)據(jù)，使決策者能夠快速識別關(guān)鍵信息。此外，它還能夠幫助評估決策對生態(tài)園區(qū)可持續(xù)性的影響，以確保采取的措施不會對生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的負面影響，決策系統(tǒng)框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 決策系統(tǒng)框架設(shè)計

2 數(shù)據(jù)分析和管理應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動決策

通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并進行分析，可以在廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)的運營和業(yè)務(wù)中發(fā)揮重要作用，其涵蓋了供應(yīng)鏈的最佳化、庫存管理、產(chǎn)品改進以及市場營銷策略等多個方面。在資源管理方面，依賴物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測植物的生長狀況，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，這有助于制定可持續(xù)的資源管理計劃。通過實時監(jiān)測水質(zhì)、水位和降水數(shù)據(jù)，能夠更好地規(guī)劃灌溉計劃，以確保水資源的有效利用[8]。

數(shù)據(jù)驅(qū)動決策有助于更加高效地管理資源，減少浪費，并減少能源的使用，從而支持可持續(xù)資源管理。此外，生態(tài)園區(qū)還通過智能的能源管理、交通最佳化以及供應(yīng)鏈優(yōu)化來減少碳排放，達到節(jié)能減排的效果。

2.2 預(yù)測性維護

預(yù)測性維護是系統(tǒng)管理中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，其運用數(shù)據(jù)分析、傳感器技術(shù)以及機器學習等工具，以預(yù)測設(shè)備或系統(tǒng)的故障和維護需求，從而給管理者帶來更高效和更可靠的設(shè)備維護功能，盡最大可能做好預(yù)防性工作。這一策略的成功依賴于大量數(shù)據(jù)的管理與分析，其數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器進行采集，以監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和性能。在采集數(shù)據(jù)的過程中，通過復(fù)雜的分析和機器學習算法的處理，識別潛在的故障模式和趨勢[9]。其算法能夠提前預(yù)測設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，以便提前采取必要的維護措施。預(yù)測性維護系統(tǒng)實時監(jiān)測設(shè)備性能，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，即刻發(fā)出警報，有助于迅速采取應(yīng)對措施，有利于設(shè)備安全運行，確保園區(qū)正常運轉(zhuǎn)。

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍廣泛，可以監(jiān)測環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)，比如空氣質(zhì)量、水質(zhì)和土壤質(zhì)量等，特別是在農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)揮著突出作用。通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的輔助，八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)可以實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的目標，有效減少化學品的使用，減少水資源浪費，提高食品產(chǎn)量，為綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

2.3 可持續(xù)發(fā)展評估

可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個重要性標志。因此，課題組在研究中，盡可能做到小成本、大效益。

在能源消耗方面，根據(jù)設(shè)計，園區(qū)可以建立一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供有關(guān)電力使用情況的詳細信息，包括總用電量以及采取的節(jié)能措施及效果。通過專門的分析系統(tǒng)，能夠提出更多降低能源消耗的建議，包括增加可再生能源的比例，例如太陽能和風能等。

在經(jīng)濟增長方面，分析廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)的農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)的盈利能力和利潤增長情況，通過創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展，園區(qū)正在積極提高對新技術(shù)的應(yīng)用水平，推動創(chuàng)新活動的大幅增長。此外，還致力于提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的利用率和性能，解決園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的共享問題，以更好地滿足工作人員的需求，同時實現(xiàn)信息管理平臺的共享機制。

在數(shù)據(jù)安全和隱私方面，園區(qū)可以利用自有服務(wù)器來存儲數(shù)據(jù)，以確保內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全和隱私保護。研究中，還可采用智能化和數(shù)字化的管理工具，以提高運營的效率和效果。

3 數(shù)據(jù)的安全處理

3.1 數(shù)據(jù)安全

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理系統(tǒng)在設(shè)計和運行過程中必須高度重視保障信息安全。由于園區(qū)不僅作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的展示園區(qū)，也屬于旅游區(qū)，因此，數(shù)據(jù)安全的管理也非常重要。在收集的數(shù)據(jù)中，存在很多需要保密的數(shù)據(jù)，因此，強化數(shù)據(jù)安全是確保資源的可持續(xù)管理的必要措施。

為了確保生態(tài)園區(qū)的數(shù)據(jù)安全，要采取一系列措施，包括制定健全的網(wǎng)絡(luò)安全策略、定期更新系統(tǒng)和應(yīng)用程序、確保在生態(tài)數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中采用適當?shù)募用芎捅Ｗo措施，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問或數(shù)據(jù)泄露[10]。

3.2 安全措施

在數(shù)據(jù)獲取訪問中，實施嚴格的身份驗證和訪問控制機制，確保只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)。部署防火墻和入侵檢測系統(tǒng)，以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問。使用強密碼，并啟用多因素身份驗證（例如手機驗證碼、指紋識別）以增強賬戶安全性。同時確保操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和安全軟件都是最新版本，及時修復(fù)舊版本中發(fā)現(xiàn)的漏洞。使用網(wǎng)絡(luò)防火墻來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，阻止未經(jīng)授權(quán)的訪問，并檢測和防止惡意活動。安裝可靠的反病毒和反惡意軟件程序，定期掃描系統(tǒng)，確保園區(qū)的設(shè)備沒有受到病毒或惡意軟件的感染。定期備份重要數(shù)據(jù)，并確保備份存儲在安全且不容易受損的地方，以防數(shù)據(jù)丟失。建立定期的數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)計劃，以應(yīng)對數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)故障的情況。

3.3 安全管理

園區(qū)系統(tǒng)應(yīng)及時做好系統(tǒng)升級工作，做好安全補丁，彌補系統(tǒng)漏洞，減少潛在的安全風險。定期為系統(tǒng)管理員和用戶提供安全培訓，教育其如何識別和應(yīng)對潛在的安全威脅。在收集和存儲生態(tài)數(shù)據(jù)的同時，確保個人身份信息和敏感信息被適當?shù)啬涿騽h除，以保護個人信息安全。與此同時，加強隱私評估和隱私意識培訓，進行定期的隱私風險評估，以識別潛在的隱私風險并采取適當?shù)拇胧﹣頊p輕這些風險。通過隱私意識培訓以增強他們對隱私保護的認識，確保他們遵守隱私政策。

4 未來研究方向及問題與挑戰(zhàn)

4.1 智能化決策支持系統(tǒng)

在新的發(fā)展趨勢下，自適應(yīng)的決策支持系統(tǒng)將作為下一個研究方向，其能夠利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為生態(tài)園區(qū)管理者提供更準確的決策支持，實現(xiàn)更高效的運營。采用人工智能和自動化技術(shù)，能實現(xiàn)更智能、自適應(yīng)的生態(tài)園區(qū)管理，在自動化的資源調(diào)度、環(huán)境監(jiān)測與控制等方面有其獨特的優(yōu)勢。研究開發(fā)綜合性的生態(tài)系統(tǒng)健康評估模型，能夠全面評估生態(tài)園區(qū)的健康狀況，并提出相應(yīng)的改進措施。在探討不同生態(tài)園區(qū)之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)作機制上，應(yīng)建立更大范圍的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)資源優(yōu)化與效率提升。項目在未來將會研究如何進一步優(yōu)化能源和資源的利用，包括整合可再生能源、優(yōu)化儲能系統(tǒng)等，以實現(xiàn)更高程度的可持續(xù)性。研究如何加強物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隱私保護和安全防護，以防止?jié)撛诘陌踩{和隱私侵犯等。

4.2 問題與挑戰(zhàn)

1）八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)面積廣、區(qū)域多，有室內(nèi)和室外的作物種植。在實現(xiàn)綜合布線中，其主要采用有線的方式來實現(xiàn)，成本較高，因而其數(shù)字化管理平臺的研究設(shè)計勢在必行。我國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，課題組也將重點研究無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

2）在數(shù)字化管理方面，也將面臨著大量數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，這也增加了網(wǎng)絡(luò)攻擊的潛在威脅。黑客、病毒以及其他網(wǎng)絡(luò)安全問題可能導致數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)中斷和潛在的財務(wù)風險。因為需要處理來自傳感器、監(jiān)測設(shè)備和用戶的大量數(shù)據(jù)，如何有效地收集、存儲、分析和利用這些數(shù)據(jù)也是一個挑戰(zhàn)[11]。

3）不同蔬果的生長對于環(huán)境的需求不同，這需要系統(tǒng)分析和智能調(diào)控協(xié)同。同時，維護數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，如服務(wù)器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)等，需要不斷的投資和專業(yè)化管理，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這也需要一定的維護成本。

4）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)可能會受到干擾或誤報，因此，如何確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性也是一個非常重要的問題。課題組將致力于應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，以確保生態(tài)園區(qū)的數(shù)字化管理能夠順利實施。不同廠商的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能使用不同的通信協(xié)議和技術(shù)，如何實現(xiàn)跨平臺的兼容性也是一個挑戰(zhàn)。如果依賴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來進行能源管理，那么設(shè)備本身的能源供應(yīng)和管理也將成為一個關(guān)鍵問題。園區(qū)的果蔬小氣候環(huán)境差異大，缺少氣候數(shù)據(jù)差異性分析系統(tǒng)。這些問題，都需要后續(xù)討論研究，也將作為未來研究的一個方向。

5 結(jié)語

本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)數(shù)字化管理中的應(yīng)用，通過研究相關(guān)文獻和將來的發(fā)展趨勢，在數(shù)字化管理系統(tǒng)原設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行改進提升。并探討未來研究的方向和面臨的挑戰(zhàn)，將研究重點放在以下相關(guān)領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)、智能化決策支持系統(tǒng)、人工智能與自動化技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)健康評估、跨園區(qū)合作與互聯(lián)網(wǎng)連接、可持續(xù)能源與資源管理、社會參與與教育、數(shù)據(jù)隱私與安全等。同時，著力解決數(shù)據(jù)質(zhì)量、跨平臺兼容性、能源供應(yīng)、數(shù)據(jù)保護、成本與投資回報、環(huán)境變化和災(zāi)害應(yīng)對等一系列關(guān)鍵問題，相關(guān)研究將有助于實現(xiàn)更加智能和可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)管理。