蔬菜物聯網管理平臺的設計與實現

王富軍 石紹峻 劉淑云 穆元杰 秦磊磊

摘要：針對傳統溫室大棚蔬菜生產管理技術落后、資源耗費嚴重等問題，設計了一套蔬菜物聯網管理平臺。該平臺包括實時測控、生產管理、生產檔案管理、智能分析、系統管理等功能，可實現蔬菜生產全過程的信息管理。經實際應用驗證，該平臺可以有效實現西瓜全生產過程的遠程實時監控和管理，提高了其設施生產的智能化管理水平。

關鍵詞：蔬菜；物聯網；管理平臺

中圖分類號：S126：TP391文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）04-0142-07

Abstract In the study， a set of vegetable IoT management platform was designed aiming to solve the problems such as the backwardness of management technology and serious resource consumption in traditional greenhouse vegetable production. It had the functions as real-time measurement and control， production management， production archives management， intelligent analysis and system management. It could realize the information management of the whole process in vegetable production. The platform was verified by practical application that it could realize effectively remote real-time monitoring and management about watermelon， and improved the intelligent management level of its facility production.

Keywords Vegetable； Internet of Things（IoT）； Management platform

農業是國民經濟的基礎，是安天下、穩民心的重要產業。近年來我國農業現代化發展進程明顯加快，農業物聯網發展成效顯著。物聯網技術在農業領域的應用涵蓋了農業資源利用、農業生態環境監測、農產品質量安全追溯等方面，并在政策扶持、技術研發、示范應用、人才培養等方面積累了一定的經驗[1-6]。物聯網對農業的帶動和提升作用正逐步顯現，但仍存在一些問題，如：多數農業物聯網產品重“采集監測”輕“分析決策與控制”，環境信息調控模型、農業大數據分析挖掘等核心技術與系統集成度低，系統智能化水平不高，同產業內在需求貼合程度不夠[7-13]。為解決物聯網技術在蔬菜生產中應用所存在的問題，我們設計研發了一套蔬菜物聯網管理平臺。該平臺可以實現生產現場信息實時監測、生產管理、智能分析等功能，并可進行功能拓展，不僅可以為蔬菜生產的全過程提供生產指導，還可對傳感設備獲取的數據進行分析，為蔬菜生產管理提供決策依據，從而使傳統溫室大棚種植更具“智慧”，實現蔬菜高效生產。

1 平臺總體結構設計

蔬菜物聯網管理平臺是針對蔬菜產業發展現狀和對智慧農業發展的迫切需求，利用物聯網、大數據、云計算等技術研發的一套蔬菜物聯網整體解決方案。該平臺系統架構由數據層、處理層、應用層、終端層組成。數據層是對農業生產現場數據監測設備感知數據及生產過程數據的存儲；處理層通過云計算、數據挖掘等智能處理技術，實現信息技術與蔬菜產業應用融合；應用層和終端層面向用戶，可在移動端、PC端實現實時測控、生產管理、生產檔案管理、智能分析、系統管理功能。蔬菜物聯網管理平臺體系總體結構如圖1所示。

2 平臺功能設計

2.1 實時測控

實時測控單元是對數據采集、設備狀態控制平臺的展示，通過該功能單元，用戶可實時查看設備采集到的數據、數據報警狀態及設備運行狀態。實時測控平臺以生產單元為最小展示單元，分別展示生產單元中安裝的設備列表及其狀態，設備離線、數據高報或低報都會通過顯眼顏色予以警示，用戶可點擊相應設備查看歷史數據及報警統計，以分析問題原因所在。為便于用戶管理，實時測控部分主頁面會顯示綜合評價模塊對各生產單元的綜合評價指數，并提示用戶是否需著重關注。

實時測控單元還可實現對生產現場控制設備的遠程操控，用戶可根據生產需求設定自動控制和手動控制兩種模式。自動模式下，系統會根據內置的控制模型實現設備的自動控制；手動模式下，用戶可通過按鍵遠程控制設備（圖2）。

2.2 生產管理

生產管理單元是為蔬菜種植用戶提供生產指導，給出種植環節需注意問題及標準化種植操作規范，以提高作物產量和質量。該單元包括農事管理、病蟲害防控、水肥一體化三個模塊。

2.2.1 農事管理 農事管理單元是針對目前農業勞動力老齡化嚴重、農業生產管理粗放、生產效率低下等問題設計的。該單元可以結合當前種植蔬菜作物所處生育期的生理習性及注意事項，按照標準化種植流程，盡量精確地提供施肥、播種、田間管理等農事操作建議，指導蔬菜生產（圖3）。

2.2.2 病蟲害防控 病蟲害防控是蔬菜生產中不可缺少的一環，直接影響著蔬菜的產量和質量。病蟲害防控單元以預防為主，可根據蔬菜作物所處的生育時期提供易發病蟲害種類及防護措施，阻斷其發生；同時提供各種病蟲害的治理方法，幫助用戶及時采取有效的防治措施。用戶進入該單元即可查看蔬菜所處時期的病蟲害信息，也可通過給出的病蟲害特征對蔬菜作物狀態進行判別（圖4）。

2.2.3 水肥一體化 水肥一體化單元以作物全生長過程水肥解決方案為突破口，將物聯網、大數據和云計算等信息化技術融入到水肥一體化技術當中，通過研究作物產量品質與需水量、施肥量之間的定量關系，綜合考慮土壤水分、土壤養分、肥料利用率、最高產量及經濟效益等指標，明確作物需水、需肥動態特征，建立主要作物各生育時期的需水、需肥模型；并結合需水、需肥模型，通過流量控制、時間控制及手動控制模式，實現栽培作物水肥管理的定時、定量精準控制和遠程及本地的便捷操作，從而實現水肥的精準施用（圖5）。

2.3 生產檔案管理

生產檔案記錄了作物從定植到發貨銷售全過程的信息，既可用于園區管理者對生產過程信息的監管，也可用于農產品信息追溯。

生產檔案管理主要包括種植計劃、生產記錄、過程影像、肥料記錄、農藥記錄、農事操作、采收入庫、農殘檢測、發貨銷售、條碼管理、訂單管理。種植計劃是為園區中每一個生產單元制定的下一季種植計劃；生產記錄是園區生產單元中定植作物時的信息記錄；過程影像記錄的是作物種植過程中關鍵環節的影像信息；肥料與農藥記錄用于記錄使用肥料、農藥的具體信息；農殘檢測記錄采收作物農藥殘留信息；訂單管理與發貨銷售記錄銷售環節的相關信息（圖6）。

2.4 智能分析

通過物聯網傳感器等技術手段可獲取到形式多樣的數據，但數據本身無法給管理者直接提供生產指導。智能分析單元可結合各生育時期作物的生長發育特點，對通過物聯網傳感器獲得的數據進行分析，為管理者提供有效的建議；同時，分析數據報警多發區域，以提醒生產管理人員多加關注。為幫助生產管理人員了解農產品價格情況，智能分析單元還提供了價格走勢分析功能。

2.4.1 綜合評價 該部分是對各生產單元中環境信息對定植作物影響的綜合評價。利用關鍵參數的實時數據與適宜值以及該參數所占的比重，經模型計算得到各生產單元的綜合評分值。通過綜合評價結果，生產管理者可以直觀地了解各生產單元的環境綜合情況，從而及時采取措施調整相應生產單元的環境因子，為蔬菜生長創造更有利的環境條件（圖7）。

2.4.2 測土施肥 該模塊主要展示各生產單元的土壤肥力（N、P、K含量）情況以及作物需肥特性。首先人工取土壤樣品并進行實驗室分析，同時記錄取樣點的坐標信息，將測得的N、P、K含量數據同坐標信息一并提交至平臺，系統利用克里金插值法繪制出土壤肥力情況分布圖，并進行展示；而且可對比土壤肥力分析結果與種植作物需肥特性，給出合理的施肥建議，實現按需施肥，達到肥料減施增效的目的（圖8）。

2.4.3 報警分析 報警分析是對特定生產單元下特定監測終端設備高報（超閾值上限）、低報（低于閾值下限）的次數統計分析，在該模塊中用戶可查看一段時間內某一個監測設備的報警次數，若該設備報警次數過多，可提醒生產管理者對此多加關注（圖9）。

2.4.4 行情分析 該模塊利用網絡爬蟲技術從網絡上獲取不同農產品的價格并進行可視化展示，生產管理者可通過查看某一種農產品在不同地區的價格走勢及時了解其市場行情，指導后期的生產管理（圖10）。

3 平臺應用實例

我們在濟南市歷城區唐王（蔬菜）試驗基地進行了蔬菜物聯網管理平臺的應用驗證（圖11、圖12）。

為配合蔬菜管理平臺功能測試，在唐王（蔬菜）試驗基地中安裝無線采集節點兩套，包括空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤水分；水肥一體機一套；智能卷簾控制器、卷膜控制器、通風控制器等控制設備各一套；視頻監控設備三套；網關節點設備一套。

蔬菜管理平臺及配套設備在西瓜定植前完成安裝與部署，經過整個生產季的應用，管理平臺運行正常。西瓜種植過程中，管理平臺生產管理部分提供了西瓜種植農事管理、病蟲害防控等知識；生產檔案部分完成西瓜生產從定植到采收各個環節的生產信息；智能分析部分通過對采集參數、報警信息等進行有效分析，提供了現場環境調控決策依據；通過平臺遠程控制功能實現對基地水肥一體設備等的遠程控制。

一個生產季的應用結果表明，人工投入、化肥及農藥、用水量明顯減少，勞動效率明顯提升。

4 結論

針對設施蔬菜生產及管理技術落后的問題，我們設計并開發了蔬菜物聯網管理平臺。在濟南市歷城區唐王（蔬菜）試驗基地的測試應用結果表明，使用該系統可節省大量人力成本，降低生產成本，實現精準、高效、便捷的蔬菜生產。

但該蔬菜生產管理平臺還不夠完善，未實現環境的自動化調控，以達到真正無人值守的蔬菜生產模式。下一步將加強蔬菜生產環境預測預警及控制模型等的研究，進一步提高蔬菜物聯網管理平臺的智能化程度，更好地服務于蔬菜生產。

參 考 文 獻：

[1] 路芳， 楊曉斌， 沙曉梅， 等. 農業信息化在傳統農業轉型中的作用[J]. 現代農業科技， 2010（22）： 51.

[2] 李燈華， 李哲敏， 許世衛. 我國農業物聯網產業化現狀與對策[J]. 廣東農業科學， 2015（20）： 149-157.

[3] 許世衛. 我國農業物聯網發展現狀及對策[J]. 中國科學院院刊， 2013， 28（6）： 686-692.

[4] 尚明華， 秦磊磊， 黎香蘭， 等. 溫室環境信息無線監控系統設計與應用[J]. 山東農業科學， 2012， 44（10）： 19-24.

[5] 石曉燕， 徐志福， 李冬， 等. 基于物聯網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探[J]. 浙江農業科學， 2015， 56（12）： 2005-2009.

[6] 童正仙， 呂偉德， 曾洪學. 基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現 [J]. 浙江農業科學， 2016， 57（6）： 855-861.

[7] 袁學國， 朱軍. 我國農業物聯網發展現狀、問題和對策[J]. 中國農村科技， 2014（6）： 60-63.

[8] 趙春江. 對我國農業物聯網發展的思考和建議[J]. 農村工作通訊， 2014（7）： 25-26.

[9] 劉陽. 我國農業物聯網發展問題淺析與對策研究[J]. 物聯網技術， 2016（2）： 90-91.

[10]李奇峰， 李瑾， 馬晨， 等. 我國農業物聯網應用情況、存在問題及發展思路[J]. 農業經濟， 2014（4）： 115-116.

[11]張琛馳. 對我國農業物聯網發展的思考[J]. 現代農業科技， 2012（22）： 341.

[12]趙杰， 汪遠， 張宏偉. 農業物聯網發展中存在的問題與對策[J]. 上海農業科技， 2016（6）： 9-10.

[13]孫忠富， 杜克明， 尹守一. 物聯網發展趨勢與農業應用展望[J]. 農業網絡信息， 2010（5）：5-8.