基于物聯網的藍莓生產智能管控云平臺構建及應用

殷登科， 許海洋， 尹建華， 葛樹蓮

(1.青島西海岸現代農業示范區管委會，山東 青島 266400； 2.青島農業大學 理學與信息科學學院，山東 青島 266109； 3.青島西海岸新區農業農村局，山東 青島 266400； 4.青島西海岸新區農業廣播電視學校，山東 青島 266400)

0 引言

2000年，青島西海岸新區開始栽培藍莓，開創了國內人工規模化栽培藍莓的先河，在相關政策扶持下，藍莓產業進入高速發展階段，面積達6 667 hm2[1]。青島西海岸省級農業高新技術產業開發區(農高區)是國內最早進行藍莓規模化開發的地區，截止2020年，農高區藍莓種植面積達4 200 hm2，已建成藍莓標準化生產基地6個，面積為1 467 hm2。2020年，中央1號文件指出“加強現代農業產業技術體系建設，擴大對特色優勢農產品覆蓋范圍，面向農業全產業鏈配置科技資源”[2]。為貫徹落實中央1號文件的要求，農業農村部制定了《2020年農業農村部網絡安全和信息化工作要點》[3]，指出“推進種植業信息化，加快推進種植業信息資源整合，持續完善農情、災情、病蟲情和土壤墑情以及農藥、肥料等生產資料信息化監測管理手段”。黨的十九大報告指出，加快推動互聯網、大數據和實體經濟的深度融合，構建現代農業全產業鏈服務體系。在鄉村振興和大數據戰略實施背景下，農高區緊緊圍繞“高端、高質、高效”三個目標，加速提升園區藍莓生產智慧化、規模集群化、品牌高端化，打造“產品優質安全、農業資源利用高效、產地環境良好、產業發展有機融合”的藍莓生產體系、產業體系和經營體系。隨著物聯網、云計算技術的發展，智慧農業已經成為農業發展的新方向。陳玥婧等[4]提出采用物聯網進行數據采集，構建了基于區塊鏈和物聯網的農產品質量安全追溯系統框架，解決了農產品質量安全追溯問題。曾鏡源等[5]構建基于物聯網的果園現場監測系統，實現了對果園灌溉的實時監控。周健飛等[6]建立基于云計算的農機零部件網絡協同設計系統，實現了農機數字化云平臺，提高了數字化設計效率。針對傳統農業物聯網存在的問題，程宏杰等[7]構建農業物聯網云，將物聯網采集的數據保存在云端，由云平臺負責數據的存儲、分析、發布和共享，并以云服務的方式為廣大用戶提供數據。可見，我國農業云平臺建設取得了初步成效，已建成多種作物果蔬的云平臺，極大的推動了農業信息化進程。目前多數云平臺仍然處于數據展示階段，未充分發揮大數據在農業產業發展中的作用。現有云平臺普遍存在以下共性問題[4-7]：1) 農業數據采集維度不全面，采集頻次不科學，數據量積累有限；2) 農業關鍵核心數據缺失，數據質量、標準化程度不高；3) 數據處理力度有待加強，增值應用不夠，缺乏深度特征挖掘；4) 農業云平臺管理經驗缺乏，重建設輕運營，數據共享開放不足。為實現藍莓的標準化和智慧化生產，推動青島西海岸新區藍莓產業深度發展，在前人研究的基礎上采用vue和webpack搭建前端開發框架，Spring MVC、Mybatis、Freemarker框架搭建后臺系統，對藍莓生產數據進行多維度采集并挖掘分析，構建基于物聯網的藍莓生產智能管控云平臺。將新一代信息技術應用到藍莓生產中，構建集“實時采集、標準化整合、深度挖掘、智能決策、全面共享”于一體的藍莓生產智能管控體系，實現以智能化管控為手段、標準化數據為核心，促進高效生產為目的的藍莓智慧生產。該系統的建成對推動西海岸藍莓產業提質增效，實現農民增產增收具有重大現實意義。

1 藍莓生產智能管控云平臺構建思路

1.1 系統架構

云平臺采用5層系統架構，分別為數據源層、智能網關層、分析處理層、服務層、業務應用層(圖1)。數據源層通過傳感器、監〗測器等智能硬件設備采集數據。智能網關層是感知網絡接入、連接異構網絡的通信系統，實現通訊和數據格式標準化。分析處理層包含分析工具(如Pig、Hive、Phoenix)、分析類庫(如MLib、Spark、Mahout)，維護各種統計分析模型，并通過模型的反饋和校驗，持續提高分析和預測模型的準確性。基于微服務的服務層，根據業務構建服務，通過輕量級的通信，實現自動化獨立部署，達到獨立自治、組合集成、持續部署。業務應用層根據農戶和企業的需求分析，完成場景深化，研發滿足用戶需求的應用方案，如藍莓生長需冷量分析、土壤肥力測定、藍莓產量預測、藍莓質量溯源等。

圖 1 藍莓生產智能管控云平臺架構

1.2 技術架構

技術架構是建設藍莓生產智能管控云平臺的核心。云平臺采用vue和webpack搭建前端開發框架，向用戶提供環境監測、視頻監控、環境預警等數據的實時動態展示，提供土壤有機質和酸堿度、農情變化趨勢等分析和預測報告。采用Spring MVC、Mybatis、Freemarker框架搭建后臺系統，主要提供數據存儲、協同過濾、統計分析、全維度鉆取等功能。云平臺集成面向物聯網數據采集、大數據計算框架搭建、智能分析處理等功能，實現藍莓生長數據的可視化展示、分析預測，為決策支持和知識服務提供支持。同時，將數據集成、分析處理和業務應用相互分離，使得平臺各層之間相互獨立，各層具有良好的可擴展性，有利于數據分析處理的優化升級、業務應用的拓展集成，以及藍莓產業鏈的整合協同。

1.3 數據采集

藍莓生長數據是藍莓生產智能管控云平臺的基礎，根據采集的數據內容與維度，建立藍莓生長監測指標體系[8]。面向園區農戶、農民合作社、農業農村主管部門等各類主體與用戶群體，開展藍莓生產管理數據需求情況調研，結合藍莓產業發展特點，分析相關數據指標及軟硬件性能需求，支撐藍莓生產智能管控云平臺的應用。通過架設各種類型的傳感器和監測器，采集藍莓生產過程中的數據信息，包括氣象環境、生長視頻、土壤墑情、種植信息、農事活動、采收信息、蟲情災害等。如，安裝在監測點的遠程自動墑情氣象站可實時采集空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、15 cm土壤溫濕度、30 cm土壤溫濕度等數據。數據采集系統實現了數據的變時采集、遠程傳輸和實時存儲，將多種傳感器、不同視角獲取的異構數據進行融合，形成基于物聯網的藍莓生產數據，提高藍莓生產信息采集的深度和廣度。

1.4 數據分析處理

面對平臺采集的海量數據，如何對多種來源的數據進行有效地整合分析，將數據分析處理技術應用到藍莓生產領域，得到對于藍莓生產實際有價值的信息，促進藍莓產業突破性發展，是藍莓生產智能管控云平臺研發的目的。數據分析處理過程主要包括可視化分析、數據挖掘和預測性分析三個階段[9]。可視化分析將枯燥的數據以圖形化的形式顯示，便于與數據直接進行交互，使用者易于接受、理解。通過可視化分析，使得農戶和管理部門能夠探究數據內部隱藏的規律，及時了解和掌握藍莓生長和生產動向，為農戶開展農事活動提供精準指導。關聯分析、時間序列分析等挖掘算法是數據分析處理的核心，根據不同的數據類型和業務應用，選擇與之相對應的數據挖掘算法，才能科學地呈現數據潛在的知識。通過掌握的數據和挖掘的知識，建立藍莓各階段生長模型，通過不斷修正校驗，為藍莓生產智能管控提供預測性分析。

2 云平臺系統的實現

2.1 數據采集模塊

環境采集模塊主要對藍莓生長過程中的主要參數，如空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、15 cm土壤溫濕度和30 cm土壤溫濕度等數據進行采集；圖像采集模塊主要采集藍莓生長環境的視頻數據，為蟲情病害的智能化診斷提供原始素材；氣象與墑情監測模塊負責對采集的環境數據進行監測，以便發現異常數據。

在實施過程中，根據用戶的需求，選擇具有代表性、種植規模較大、基礎條件較好的藍莓基地作為物聯網系統的現場實施監測點。在農高區建立了3個藍莓科技園區，每個園區選擇10個監測點，總共30個監測點。安裝部署設施環境傳感器，并加裝視頻監測設備。在3個園區建立分控中心，在每個分控中心安裝數據服務器，進行數據的標準化整合，并通過顯示屏實時展示各產業園監測點的數據信息。此外，在需要提質增效的藍莓生產基地，選擇20個監測點，安裝部署環境監測傳感器和視頻監測設備。

2.2 通信傳輸模塊

通信傳輸模塊保障多種類型的傳感器，采用不同的傳輸方式進行數據的可靠傳輸。由于云平臺的數據源層包含多種類型的傳感器，而且數量眾多、傳輸方式各異。如，有線傳感器有RS232串口、RS485總線、以太網和有線模擬量等傳輸方式；無線傳感器包括GPRS、RF433、Zigbee和Wifi等傳輸方式。因此，在進行通信傳輸設計時，充分考慮云平臺數據的統一性原則、功能的擴展性原則與系統的可維護性原則。云平臺采用具有邊緣計算的網關，滿足多種網絡接入方式，確保數據采集傳感器處于可靠和不間斷的網絡連接中。各種類型的傳感器通過標準的數據解析協議，由智能網關統一解析，將標準化數據通過以太網上傳至服務器。

在藍莓種植基地的室內外環境中，考慮到惡劣環境對設備的影響和后續維護的便捷性，通過設置無線網橋和網橋基站實現通信傳輸功能。在溫室及大田監測點分別安裝無線網橋，在分控機房外安裝網橋基站，通過無線傳輸設備可以實現各溫室設備參數、傳感器所采集的信息及視頻采集信息上傳，并通過網絡傳輸到總控中心機房平臺。

2.3 智能控制模塊

智能語音驅鳥設備、蟲情監測器、植保機、水肥一體化和藍莓追溯平臺等硬件設備主要滿足藍莓種植、生產的需求，其既可以提供檢測數據，又可以輔助藍莓生產。部署在物聯網云平臺的計算資源，對傳感器數據進行異常數據剔除、缺失數據補償、非線性校正等數據預處理方法，實現采集數據的前端檢測與處理。通過對傳感器數據進行邏輯校驗，保證數據的完整性、合法性，提高采集數據的準確性。而對于不同采集來源的數據，通過云平臺進行匯集，實現海量異構數據的集成，并支持數據資源的開放和共享。

通過對藍莓生產中的實際問題進行分析和研究，考慮到既滿足用戶作業任務的執行效率，又要提高計算資源的使用效率，在現有云計算資源調度算法[10]的基礎上，設計并實現了基于負載預測的虛擬資源調度策略，滿足實際不同生產場景的多任務資源調度。

3 云平臺的應用服務

3.1 可視化管控

藍莓生產智能管控云平臺數據維度多，數據量大，服務應用范圍廣。以智能信息處理、決策模型、MapReduce、Spark和Storm等大數據關鍵技術為支撐，云平臺關注氣候、環境、視頻、預警、監測和控制等6類數據集，采集和存儲環境數據22萬多條、視頻數據50 TB，發布監測預警信息700多條，建立了“分控+總控”分布式存儲的藍莓生產智能管控數據中心，為平臺的應用分析提供了有效基礎數據(圖2)。

圖 2 藍莓生產智能管控云平臺

3.2 智能決策

云平臺建立多維分析引擎模塊，篩選能力強，對環境數據、積溫變化、需冷量要求、光照時長和土壤墑情進行分析。建立基于多源異構數據的藍莓生產決策分析模型、基于數據挖掘的藍莓種植環境預測預警模型和藍莓產品品質評估模型，構建藍莓種植栽培、藍莓需冷量監測和藍莓生長環境預警等多種類型的專家知識庫。需冷量是藍莓提質增效的一個重要技術指標，需冷量不足會影響藍莓的生長發育，造成藍莓花期延長、坐果率低的現象。為提高藍莓生產效率，需要精確計算不同品種的藍莓需冷量，使其盡早進入下一個生長發育階段。云平臺通過監測藍莓歷年生長環境數據和樹勢形態，挖掘不同品種的藍莓需冷量(圖3)，建立需冷量模型，促進藍莓整體解除休眠和萌動發芽，實現藍莓生產數據智能分析處理關鍵技術的創新，科學地指導藍莓種植生產。

圖3 智能管控云平臺監測藍莓的需冷量

3.3 精細化服務

面向種植戶、合作社、科研院所、政府管理部門等不同群體，云平臺運用發布訂閱、智能推薦、精準推送、智能檢索等技術，提供個性化、專業化、定制化實時信息服務，構建符合青島地區特點的藍莓生產智能管控云平臺，為提高藍莓產量和優化品質提供科學依據。

3.4 助力農戶增效

通過藍莓生產智能管控云平臺，對藍莓生產信息進行監測、收集，挖掘、分析藍莓生長相關聯的數據，實時觀測環境數據動態變化，形成報告或圖表，使農戶可以直觀的掌握藍莓生長動態，為進行農事活動提供參考數據，提高農戶科學生產的技術本領。

3.5 推進農業升級

藍莓生產智能管控云平臺建立覆蓋藍莓種植全過程、企業加工的生產環境及產品運輸銷售環節全程可追溯體系。該平臺采集的藍莓生產數據為區域農業重大災害、病蟲害防治提供現場資料，為農業主管部門提供實時全面的決策依據，提高政府常規農業指導的科學性和服務效率，從而促進農業生產管理和農業結構調整。

4 結語

藍莓生產智能管控云平臺以如何將新一代信息技術應用到農村實體產業中為出發點，以物聯網、云計算、大數據和移動互聯等新一代信息技術為基礎，構建包括多維度數據實時采集、可靠傳輸、異構集成和深度挖掘分析的藍莓生產智能管控云平臺，集成面向物聯網數據采集、大數據計算框架搭建、智能分析處理等功能。實現藍莓生長數據的可視化展示和分析預測，為決策支持和知識服務提供支持，滿足不同生產場景的需求。形成藍莓生產、管理、服務智慧化技術創新體系，從而加強新一代信息技術與農戶生產的有機結合，全面促進藍莓產業的提質增效和轉型升級。同時，在構建藍莓生產智能管控云平臺實踐中，探索出一系列成功經驗，為打造鄉村產業振興齊魯樣板提供了可借鑒模式。