物聯網管理應用系統在蘋果產業鏈的應用
——以甘肅靜寧蘋果產業為例

柴 洪，何 莉，楊林娟，殷富岐，趙 濤

(甘肅農業大學財經學院，甘肅省區域農業與產業組織研究中心，甘肅 蘭州730070)

0 引言

我國是世界第一大蘋果種植國，蘋果產量占全球的50%以上，2019年我國蘋果產量4 000萬t，消費量3 430萬t，全球蘋果平均單產15.87 t/hm2，我國蘋果單產17.54 t/hm2，位列全球第27位[1]。在蘋果產量供給大于需求和國內蘋果單產較低的情況下，依靠技術進步，引進信息化管理方式提高蘋果產業鏈管理水平，通過物聯網整合蘋果產業鏈大數據，建立蘋果育苗、種植、加工、運輸大數據庫，形成產業鏈管理大數據流，通過區塊鏈、云計算和5G技術應用提高從蘋果育苗到餐桌的全產業鏈管理水平、管理質量和管理效率，實現從產量效益向質量效益轉變的發展模式是解決蘋果產業發展的有效途徑。課題組對甘肅靜寧蘋果產業概況、蘋果種植質量控制模式進行了調查分析，針對傳統蘋果種植過程管理存在的問題提出了蘋果產業鏈物聯網管理控制體系結構。

1 物聯網在農業生產經營的研究與應用

國家鼓勵農業物聯網推廣普及，國內在農業物聯網技術研究、應用，以及物聯網云平臺建設方面均取得了進步。在產業政策方面，國家相繼出臺了物聯網產業政策和規劃綱要積極推動物聯網在農業中的應用。2010年10月國務院通過的《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》將物聯網確定為“十二五”七大戰略性新興產業之一，明確了物聯網發展的目標、任務、方向和支持政策[2]。2013年我國將“精準農業”作為國家物聯網應用示范工程之一，國家出臺的《“十三五”全國農業農村信息化發展規劃》《關于推進農業農村大數據發展的實施意見》《數字鄉村發展戰略綱要》和《數字農業農村發展規劃(2019—2025年)》均提出要加快大數據、云計算、物聯網在農業生產經營的應用，在農業生產經營中物聯網關鍵技術裝備創新要有重大突破[3-6]。

學者們基于物聯網在稻米、特色農產品、葡萄酒、設施蔬菜、乳制品、主糧生產等方面展開了應用研究，在農業物聯網傳感技術研發、管理平臺開發、冷鏈監測方面提出了應用方案[7-15]。目前物聯網在智能水產養殖、智能大棚監控、智慧農旅綜合管理、大田種植監控、農業視頻遠程監控和數字化牧場管理方面都得到了廣泛應用。從2011年開始全國各地相繼建立了農業物聯網、農業大數據平臺，如海爾COSMOPlat農業物聯網平臺——海優禾，農信通集團的農業物聯網平臺，國內規模最大的農業物聯網綜合信息平臺，廣西南寧智慧農業云平臺，托普云農物聯網平臺等[16-18]。隨著物聯網快速發展，通過搭建物聯網應用平臺推動了農業大數據挖掘技術進步，通過數據收集、清洗、計算和分析支持農業生產經營可視化管理、智能化服務、精準化種植加工。

2 甘肅靜寧蘋果產業現狀

2.1蘋果產業分布情況

甘肅靜寧屬于黃土高原優勢蘋果種植區，近幾年來靜寧根據蘋果產業發展規劃對蘋果種植面積和布局進行了調整和擴張，果園面積達4.67萬hm2，占全縣耕地總面積的46.67%，戶均果園種植面積約為0.7 hm2，人均面積0.15 hm2。靜寧南部和中部丘陵平緩地區基本實現果園全覆蓋，因自然條件限制北部地區蘋果產業發展速度慢，果園呈零星分布，目前尚處于小面積試栽培階段。總體上看，靜寧蘋果種植基地已初具規模，形成了集中連片發展模式，目前已經建成仁大、李店、城川和賈河等12個果園化鄉鎮、80個果品專業村，形成了李店河流域、城川河流域、葫蘆河流域和賈河流域等一批規模化蘋果示范基地。靜寧蘋果產業發展重點是建設標準化示范果園，提高果園的技術管理和生產水平，成立果業技術服務站，引進蘋果種植技術人才為蘋果種植提供技術指導。靜寧蘋果優勢地位顯著，縣里成立了果業服務中心，將分散的果農組織起來，通過參加國內水果節，舉辦中國平涼金果博覽會和首屆中國農民豐收節等系列活動提高品牌效應。

2.2蘋果產量與果園基本情況

靜寧是農業農村部劃定的全國蘋果優勢產區之一，靜寧擁有中國第1個蘋果類品牌商標“平涼金果”，靜寧也是“中國蘋果之鄉”“中國優質蘋果基地”，靜寧將蘋果作為第1支柱產業帶動了地區經濟發展和果農增收。2019年全縣蘋果總產量88萬t，總產值39.6億元，農民人均果業收益突破5 800元，占農村居民人均可支配收入70%以上，蘋果產業已經成為靜寧農民脫貧致富奔小康的支柱產業[19]。因此本文選擇調查分析靜寧縣蘋果種植質量控制情況。

2014年以來靜寧縣蘋果優果率逐年提高(表1)，2015年和2018年因靜寧13個鄉鎮遭受重大冰雹災害產量同比減少，其他年份產量均同比增加，小果率保持穩定。根據調查統計的靜寧蓮花、仁大、李店、余灣、雙峴和城川6個鄉鎮共12個果園情況(表2)，果樹樹齡在13年以上，果樹均處于盛果期，品種單一均為紅富士。

表1 2014—2018年靜寧蘋果優果率和蘋果產量

表2 靜寧蘋果園概況

3 傳統管理模式下蘋果種植質量關鍵控制點

3.1果園水肥控制

適時、適量澆水施肥是果樹生長和管理的關鍵環節，也是提高蘋果質量的重要管理措施。如表3所示，傳統模式下靜寧果園采用人工控制的“水肥一體化”模式，一年中最重要的兩次施水肥時間是3月初至3月中旬果樹盟芽期和蘋果采摘之后的11月，憑借果農管理經驗集中施肥和澆水給果樹提供養份，為后期提高蘋果質量奠定基礎。

3.2果園病蟲害防治控制

病蟲害防控是提高蘋果品質的關鍵控制點，直接影響蘋果的外觀和口感。如表4所示，從蘋果種植的幼果期到成熟期會出現食心蟲病、炭蛆病、果實輪紋病等各種病蟲害，重點防治病蟲害的時間是果樹開花授粉期、幼果生長期和果實成熟期3個階段，關鍵是幼果生長期，主要通過人工經驗噴灑農藥和殺蟲劑防治病蟲害。

3.3果樹修剪控制

修剪果樹是果樹生長過程中的重要環節，如表5所示，為提高蘋果質量，在果樹進入冬眠期時憑果農經驗剪枝、疏干、清理果樹的殘枝落葉和腐爛果實，為果樹提供良好的土壤條件，有利于來年掛果后果實充分汲取營養、接受光照和均勻著色。

4 傳統蘋果種植質量管理模式存在的問題

4.1沒有將新一代信息技術應用于果樹栽培

靜寧的果園基本上采用喬化栽培，果樹多為主干分層型，樹體高大，樹枝密郁，透光性差，雖然近幾年果農對果樹進行了疏干和改形，但是樹齡多數在10年以上，果園密閉，樹形紊亂，蘋果產量低，果徑小。因此，需要改進果園管理方式，應用信息管理技術對蘋果種植過程進行狀態監測和控制提高蘋果品質。

4.2缺乏新一代信息技術與果園管理的深度融合

靜寧縣農村人口44.67萬，年輕人因外出上學、進城務工，農村勞動力大量轉移，留守的果農絕大多數是老年人和中年夫婦，果農文化程度低，多數為高中或初中以下學歷，對新一代信息技術基本不了解。靜寧果園管理組織分散，隨著靜寧蘋果種植面積不斷擴大，完全依靠果農傳統經驗管理果園的難度越來越大。由于既缺乏具備專業知識的年輕技術人員，又缺少新一代信息技術管理手段，在果園土壤改良、水肥管理、果枝修剪方面技術落后，從而影響蘋果品質。因此，通過引進新一代信息技術打造智慧果園是解決果農管理技術落后，提高蘋果品質的有效途徑。

表3 靜寧蘋果園水肥控制措施

表4 靜寧蘋果園病蟲害防治

表5 靜寧蘋果園果樹修剪管理情況

4.3缺乏基于新一代信息技術監控仿冒商標的措施

靜寧蘋果憑借其獨特的口感、風味、色澤和耐儲藏等優點，銷售量不斷上升，產品優勢明顯。當地“平涼金果”商標注冊后不良商家便開始仿冒商標，市場上流通的一部分印有“平涼金果”商標的紙箱中實際裝的并不是靜寧蘋果，導致冒用“平涼金果”商標的蘋果銷量高于真正靜寧蘋果銷量，對靜寧果農的收入、“平涼金果”品牌、質量和聲譽造成了重大影響。目前，靜寧縣建立的電子商務平臺主要是解決蘋果銷售的問題，提供蘋果供需信息，但是基于上一代信息技術搭建的電子商務平臺還不能解決蘋果地理原產地標識追溯的問題，因此需要通過物聯網、大數據、區塊鏈技術與蘋果產業融合解決合法保護、追溯蘋果及蘋果加工產品地理原產地的問題。

5 蘋果產業鏈物聯網管理優勢

5.1遠程管理與控制

與工業生產比較，蘋果種植區域分散，蘋果育苗、種植、加工、儲藏和銷售管理流程長，確定蘋果及加工品地理原產地、病蟲害防治、蘋果分級、運輸、保鮮管理難度大，傳統的蘋果產業管理方式是“人對物的近程管理與控制”。物聯網管理方式通過分布式傳感器、控制器可以實現“人對物的遠程管理與控制”，因此物聯網是發展“智慧蘋果業”的重要途徑。

5.2精準控制，降低人工投入成本

物聯網系統主動化、智能化管理控制比人工管控模式更精準、更高效。通過物聯網收集、傳輸、計算和分析蘋果產業鏈狀態數據，按系統內設定好的各種參數由控制器自動精準觸發各種系統開關，減少人工投入，新一代信息技術應用有助于提高果農收入[20]。

5.3加速蘋果產業鏈大數據整合與共享

物聯網采用先進的“數據轉存技術”，環境數據、狀態數據存儲在分布式傳感器和控制器上，以“時時存儲，定時上傳分析”監測種植、加工、運輸和銷售狀態，數據以電子報表、時間周期圖形、視頻等多種方式輸出，便于分析、對比和監測。物聯網應用將蘋果產業鏈上、下游存儲的數據形成連續的數據鏈，有利于用戶優化農資配置、原產地認證、質量追溯、品質監測、病蟲害防治和產品供需預測。

6 蘋果產業鏈物聯網技術應用

6.1物聯網應用系統結構

物聯網是通過各種輸入設備將捕獲的現實世界的物理變化轉換為電子信號實現萬物互聯的網絡，也是將“現實世界”轉換為“虛擬世界”的一個過程。如圖1所示，物聯網的系統構成包括輸入端傳感器、控制系統、輸出端智能設備，通過無線或有線通訊網絡連接物聯網域名實現萬物互聯互通，應用大集成(Grand Integration)、大數據(Big Data)、區塊鏈(Blockchain)、云計算(Cloud Computing)提供安全可控的實時監測、預案處理、產品追溯、安全管理、遠程控制、遠程控制和報表輸出等服務功能，實現人對物的組織、協調、管理和控制。

圖1 物聯網應用系統結構Fig.1 Architecture of Internet of Things application system

6.2蘋果產業鏈大數據采集

6.2.1實物資產數據采集

蘋果產業鏈物聯網建立的基礎是實物資產。如圖2所示，從蘋果產業鏈的育苗、種植、加工到銷售的4個階段中每一個環節都會形成具有物理特性的實物資產：苗木、果樹、農藥、農機具、化肥、防雹網、物流設備和倉儲設備，將這些資產都貼上電子識別標簽，通過電子掃描將實物資產上傳到物聯網并形成與之一一對應的“鏡像虛擬資產”。

6.2.2環境狀態數據采集

能反映蘋果產業鏈環境狀態的變量有溫度、濕度、光照、CO2、病蟲害和重金屬殘留等，通過用于監測環境狀態變量——溫度、濕度、光照、CO2、測距、圖像的各種傳感器將采集的各種環境狀態變量轉換成電子信號后上傳到物聯網，形成環境狀態大數據。

6.2.3控制過程數據采集

在蘋果加工過程中會形成工序關鍵控制點記錄，如生產記錄、崗位工等級、產品取樣、質檢記錄等，崗位操作人員可以將這些數據實時上傳物聯網平臺，形成蘋果加工控制過程大數據，用于加工狀態監測。

6.3蘋果產業鏈狀態監測大數據分析與輸出

蘋果產業鏈狀態監測數據是蘋果育苗、種植、加工和銷售過程狀態的信息反饋，如圖2所示，通過物聯網應用系統的狀態監測模塊分析、處理采集的數據，并將處理結果以圖形、視頻、數據表等可視化形式傳輸至移動終端設備和固定終端設備。

圖2 蘋果產業鏈物聯網管理應用系統Fig.2 Apple industry chain Internet of Things management application system

6.4蘋果產業鏈設備控制

如圖2所示，通過狀態控制模塊形成蘋果產業鏈過程控制模擬對標數據，此類數據是蘋果產業鏈狀態監測數據與產業鏈流程控制標準數據模擬對標產生的大數據。產業鏈流程控制標準數據來自于國家、行業、企業頒布的質量和技術標準，如現行的與蘋果產業育苗、種植、加工、銷售、存儲和包裝相關的國家標準，包括強制標準2個，蘋果苗木產地檢疫規程標準(GB 8370—2009)、蘋果苗木標準(GB 9847—2003)；推薦標準31個，蘋果醋飲料標準(20071102-Q-469)、鮮蘋果標準(20000232-T-442)等；行業標準包括HALAL清真食品認證體系、KOSHER猶太潔食認證體系、HACCP質量體系和BRC英國零售商認證體系等[21]。基于云計算、區塊鏈、大數據應用平臺將產業鏈狀態監測數據與控制標準模擬對標，應用系統自動計算出狀態偏差值和分析偏差產生的原因，并將分析結果傳輸到移動終端設備和固定終端設備，再由終端設備通過應用軟件發出指令控制光照控制器、溫控器、濕度控制器、施肥控制器和農藥控制器，實現蘋果產業鏈狀態自動精準控制。

6.5蘋果產業鏈模擬預測、咨詢服務

如圖2所示，在模擬預測模塊上開發成本、價格、市場需求、產量和氣象等各種預測模型，將蘋果產業鏈狀態大數據導入預測模型，預測氣象、病蟲害、產品成本、產品價格和產品供需情況，為果農和加工企業提供咨詢服務。

7 結論及建議

對甘肅靜寧縣蘋果園區調查分析發現，傳統果園管理模式限制了進一步提高蘋果質量，監控仿冒蘋果商標的難度較大，蘋果地理原產地得不到合法保護。構建蘋果產業鏈物聯網技術應用平臺可以實現遠程管理、精準控制，降低人工投入成本，加速蘋果產業鏈大數據整合與共享，提高管理效率，推動蘋果產業高質量轉型發展。但是，在蘋果產業鏈物聯網建設過程中需要解決以下問題。

7.1加強蘋果產業鏈物聯網、大數據基礎設施建設

加快低成本、低功耗、廣覆蓋的光照、濕度、CO2和圖像傳感器的研發，形成規模化技術推廣的投資條件，充分利用地方大數據中心的存儲資源，如甘肅已經建成及在建的金昌紫金云大數據中心、慶陽云計算中心、白銀云計算中心等，建立蘋果園地塊權屬、種植面積、空間分布、狀態控制和產量大數據庫。

7.2建立蘋果產業社會化服務云平臺

便利的蘋果社會化服務是蘋果產業向集約化、專業化、質量效益型發展的支持和保障，建立農業農資配置、原產地認證、質量追溯、品質監測、病蟲害防治和產品供需預測的社會化服務云平臺，推動蘋果產業向數字化智慧果業發展。

7.3在5G技術條件下開發蘋果產業鏈管理的APP應用平臺

以5G技術應用為基礎大力開發與蘋果產業社會化服務云平臺鏈接的蘋果產業管理APP平臺，APP應用平臺要可視化、功能強且果農易操作。

7.4加強物聯網專業人才培養和果農信息化宣傳培訓

蘋果產業要全面形成物聯網技術的生產力需要引進專業人才，高等院校要根據市場需求加快物聯網復合型專業人才培養。政府搭建平臺邀請技術研發、高校教師采取線上與線下相結合的模式向果農做好蘋果物聯網應用技術的宣傳和培訓。