香榧種植大數據平臺設計與實現

殷成武 郭然

摘要 在智慧林業背景下，全面了解香榧的生長習性是實現其種植精細化管理的基礎。香榧種植大數據平臺采用以STC12C5A60S2芯片為核心的控制箱，采集香榧種植氣候和土壤等環境數據，并通過以太網接入方式將數據轉發到云端大數據平臺進行統計分析，最終通過數據可視化大屏展示數據分析結果。香榧種植大數據平臺能夠實現香榧種植環境信息實時監測，可節省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

關鍵詞 物聯網；香榧種植；實時監測 ；智慧林業

中圖分類號 S727.33；F326.13 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）03-0099-04

物聯網技術推動生產生活和社會管理方式朝智能化、精細化和網絡化方向轉變。在林業種植中使用物聯網技術，推動智慧林業建設，有利于林業的精細化管理，提高林業資源管理效率。香榧為榧樹屬植物，是經人工嫁接培育而成的優良栽培種，集果用、樹用、美容和藥用等價值于一身，在安徽、江蘇和浙江等地種植較多。其生長對氣候和土壤要求較高，而粗放式管理易造成植株成活率低、產量增速較慢等問題。因此，結合物聯網技術，采用標準化、精細化管理模式對香榧林業種植發展具有重要意義。

本研究通過使用傳感器對香榧林的種植氣候和土壤等環境數據進行監測，將數據通過以太網接入的方式接入到互聯網，設計大數據平臺，實現香榧種植環境信息實時監控和可視化展示，推動香榧林業發展。

1 系統總體設計

1.1 系統需求

系統實現的主要功能如下。（1）采集香榧林種植環境數據。該系統可采集包括光照度、某一段時間內的降水量、空氣溫濕度、氣壓、土壤溫濕度以及二氧化碳（CO）濃度等環境信息。（2）提供可視化數據。該系統通過香榧種植大數據可視化平臺，對傳感器收集的數據進行統計分析，并以圖、表的形式展示出來，可為香榧種植產業投資者、決策者、經營者及科研人員提供數據支持。（3）管理監測設備。企業管理員、園區管理員等通過Web管理系統，可以對各個園區的樹木、監測設備進行管理。

1.2 系統架構

基于以上功能，本系統將整體工作劃分為3個層次：感知層、平臺層和應用層，如圖1所示。該系統以平臺層為核心，感知層主要包含用來檢測光照、水分等影響香榧生長的環境因素的各類傳感器。平臺層負責數據存儲、處理和展示；根據需求設計核心算法完成數據融合、知識提取；完成平臺的角色管理、權限管理；搭載數值擬合校正服務。應用層負責與用戶的交互以及展示決策算法結果。香榧種植系統以含有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一體傳感器等進行實時采集。傳感器采集到的數據通過RS-485總線傳輸到控制箱。控制箱采用以太網接入的方式，將采集卡接入互聯網，部署云平臺，最終數據會在香榧種植系統大數據展示平臺上以圖或表的形式進行展示，系統會及時對異常數據發出預警，實時監控種植環境，實現精細化管理。

2 系統詳細設計

該系統的詳細設計包括硬件設計和大數據平臺設計。硬件設計包括控制箱結構設計、傳感器選型和數據通信協議設計，并基于林區的實際環境，對控制箱進行防潮與防爆的設計。大數據平臺設計包括數據處理、Web管理系統、大數據展示平臺以及移動客戶端設計。

2.1 硬件設計

2.1.1 控制箱結構設計? 控制箱的主要任務是采集各類傳感器的數據，并按照規定的協議格式將數據傳輸到云平臺。同時，控制箱也負責現場傳感器故障、用電故障以及數據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，抱箍設計，內部結構如圖2所示。

控制箱內部自制電路板，主要負責信息的采集及傳輸。采用RS-485集線器，實時傳輸香榧種植基地的環境信息。

自制電路由STC12C5A60S2最小系統、RS-485芯片組成的穩壓電路和Led（發光二極管）電路組成，并以端子模塊連接虛擬控制中心（VCC）與穩壓電路。STC12C5A60S2的單片機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，具備高精度的計時能力。

RS-485集線器是一種內部采用雙核、無休設計的RS-485總線分割集線器。RS-485接口端采用光電隔離技術，防止雷擊浪涌引入轉換器及設備，內置光電隔離及1 500 W浪涌保護電路，能夠提供2 500 V的隔離電壓，同時可以有效防止雷擊和共地干擾，供電采用外接開關電源供電。

2.1.2 傳感器選型? 數據采集主要集中在土壤和氣候環境信息的采集。土壤的采集參數包括土壤pH值、土壤電導率和土壤溫濕度，而氣候環境的采集包括空氣溫濕度、大氣壓力、CO含量、降水量、日照時長、風速以及風向等。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結構相對簡單，通過測量自身翻動次數，可以確定某一時段內的降水量、降水強度和降水時間等。其在精準測量降水量的同時，具有較好的耐腐蝕性，可以在惡劣的氣候條件下持久使用，適應性較強，可以用于農業、林業環境監測等領域。待傳感器傳回云端數據后，專家根據香榧樹的生長情況以及光照、溫度、氣壓和土壤礦物質含量來確定香榧樹的最宜澆水時段和最佳澆水量，確保植物處于水分充足的環境中，減少植物的葉片、枝干出現干枯、凋零和衰老的情況。

在氣候環境監測中，因百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器具有高靈敏度、高精度以及測量范圍寬、傳輸距離遠等特點，選擇使用該一體傳感器感知香榧所處環境中光的強度、環境溫度、空氣濕度以及CO濃度。

因氣壓變送器具有較高的可靠性，能夠在長時間內提供穩定的性能，故選擇使用氣壓變送器，監測所處環境的大氣壓力。選擇使用不銹鋼單翻斗式雨量計確定某一時段內的降水量、降水強度和降水時間等。

在土壤環境監測中，選擇使用土壤溫濕度+鹽分+土壤電導率（EC值）傳感器，監測所處環境土地的溫濕度、電導率；選擇使用pH值+電導率+溫濕度傳感器，監測所處環境土地的pH值。

2.1.3 數據通信協議設計? 每個傳感器都有對應地址，采用485通信協議可實現傳感器與單片機之間的數據傳輸。由于485-RTU的協議包含主模式和從模式，均需要主機查詢從機，不存在主動上報的方式，所以標準的485-RTU格式難以滿足該系統的需要。因此，數據通信協議設計至關重要。

2.1.4 控制箱防潮設計與防爆設計? 香榧樹的林區處于林木眾多、濕氣相對較重的環境中。因此，需要從印制電路板（PCB板）制作、設備結構等多方面考慮，以滿足設備防火、防潮的要求。針對防潮設計，使用環氧樹脂灌封膠將PCB板關鍵部位包裹住，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，灌封后能實現對電路板的全方位保護，極大提高電路板的使用壽命。該系統將監測土壤溫濕度+鹽分+EC值的傳感器以環氧樹脂密封膠灌封，使傳感器可以直接埋入土壤中使用。設置電路過流、過壓檢測，發生短路、斷路等情況時自動進入休眠狀態，并提前預警。針對防爆設計，使用變壓器、安全柵等防爆電氣隔離環節，并采用符合防爆標準的硬件設備。該系統使用的百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器和pH值+電導率+溫濕度傳感器均符合防爆標準，可在有爆炸危險的環境中使用。

2.2 大數據平臺設計

該系統的工作流程：首先，通過傳感器采集氣候和土壤等環境數據；其次，通過以太網接入云端大數據平臺，云平臺將收集到的數據進行數據的統計分析；最后，通過可視化大屏將統計分析的數據進行展示。針對以上工作流程對香榧種植大數據平臺進行軟件設計，主要包括對數據處理方式、Web管理系統、大數據展示平臺以及移動客戶端設計。

2.2.1 數據處理? 針對大數據呈現的關聯性、動態性和多源異構性等特點，對其進行標準化的融合處理。該系統從構建標準數據集的角度進行大數據多粒度融合，通過構建統一數據單元來支持多模態特征融合和多種類型、結構數據集的封裝融合。首先，對采集的香榧相關數據進行數據集成和特征提取，抽取出數據中的不同特征，實現對數據相關的位置屬性、時間空間關聯屬性和其他觀測屬性的特征描述。其次，通過元數據定義方法和JSON數據交換技術（JavaScript Object Notation，JS對象簡譜），實現不同種類的統一數據單元定義，對每一類統一數據單元進行基本信息和各類屬性定義和描述。最后，針對不同的挖掘計算服務模型，實現快速數據適配。

在香榧種植大數據處理總體架構和數據融合統一數據單元基礎上，進行了香榧種植大數據計算的微服務設計。針對香榧種植大數據處理的特點，將服務層中的微服務分為3類，數據微服務簇負責從UDU標準數據集中進行數據獲取、同步和更新等操作；計算微服務簇從多模式計算框架和多類計算模型2個維度進行挖掘分析服務的統籌設計；流程微服務簇負責數據微服務、計算微服務的協同處理，同時對系統組件的配置管理和調度進行支持[6]。

2.2.2 Web管理系統設計? 物聯網平臺選擇基于Spring Cloud的微服務架構開發模式，采用Nacos服務端注冊中心和配置中心為微服務的動態發現和服務管理提供支持，網關使用Gateway技術，采用Sentinel作為熔斷機制，Zipkin進行鏈路追蹤，日志采用ELK方式（Elasticsearch、Logstash和Kibana，日志鏈路分析架構技術總棧），監控中心使用SpringBootAdmin。這種基于微服務架構的模式有利于資源重復利用，提高開發效率。

2.2.3 大數據展示平臺設計? 香榧種植大數據展示平臺采用AntDesign框架進行開發，在數據分析中引入Echarts組件作為圖表可視化工具。平臺分為環境監測模塊、預警信息模塊和園區數據展示模塊。

園區數據展示模塊展示香榧種植園區數量以及園區內監測設備數量。環境監測模塊展示通過傳感器監測的日照、降水量、氣象和土壤信息。預警信息模塊以折線圖的方式展示總預警次數、已處理預警與誤報預警數量之間的關系，方便香榧種植產業科研人員進行數據關聯和對比。

大數據可視化平臺建立了“用數據說話、用數據決策、用數據管理、用數據創新”的管理機制，有助于實現基于數據的科學決策，可為香榧種植產業投資者、決策者、經營者及科研人員提供服務。

2.2.4 移動客戶端設計? 移動端主要分為工作中心、預警中心、巡查記錄和個人中心4個模塊。工作中心模塊以直方圖的形式展示系統內環境參數的總預警數與已處理預警、待處理預警、誤報預警數量之間的關系，在預警中心模塊可填寫預警詳情報告單，對產生的預警進行處理。

3 結語

為解決香榧造林成活率低等問題，構建香榧種植大數據平臺，并在香榧種植基地進行實地測試，結果表明，該系統能夠實時監測香榧種植土壤和氣候等環境信息，有利于進一步了解香榧的生長習性，提高香榧造林成活率。該系統不僅實現了數據采集與展示的基本功能，還利用人工智能分析數據，把香榧種植的土壤參數、氣候環境參數以及人為干預的行為與香榧果木的生長以及掛果率整體關聯起來，可指導香榧林的科學管理，節省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

參考文獻

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（責編：王 菁）

作者簡介 殷成武（1981—），男，安徽舒城人，系統規劃與管理師，從事林業信息化建設和森林資源監測工作。

收稿日期 2023-12-01