基于物聯網的現代農業生態園區數字化管理設計與研究*

張祖瑜 ，黃榮喜 ，張健新

（廣西農業職業技術大學信息工程學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

在鄉村振興的大背景下，我國農業正處于由傳統農業向現代農業轉型的關鍵時期[1]。近年來，我國現代農業園區環境監測，除了使用地表式的有線、無線網絡進行數據傳輸，有些現代農業示范園區還建立了基于衛星遙感技術的環境監測系統，實現對農業作業環境信息的實時數據采集，并取得了比較好的成效。此外，國內外在園區物聯網的使用與數據獲取研究方面，成效顯著。本文以廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區為例進行分析，該園區盡管有現代農業展示園之美譽，但在數字化管理設計方面仍有待加強。在園區管理中，如何對現有的網絡布置、數據采集、數字化平臺管理等進行優化設計，綜合利用獲取的信息，打破信息孤島，做到有效的數據存儲與數據安全管理，是本文研究的重點。

1 八桂田園現代農業生態園區數字化管理框架設計

在框架設計上，主要采用物聯網信息采集系統的數據存儲與分析、數據決策等功能進行管理[2]。主要在種植指標、生產指標、管理指標上進行果蔬等生產信息化模型建設，確保系統設計的功能滿足用戶需求。

1.1 物聯網信息采集管理

物聯網信息采集系統是一種用于獲取、傳輸和處理種植指標和環境相關數據的系統。該系統以無線網絡技術為基礎，借助各類傳感器和設備，監測各種果蔬生長指標和環境參數的變化，并做好信息記錄。通過對采集到的相關數據進行分析，做到在無線網絡環境下進行數據高效傳輸共享，確保數據的及時應用[3]。在研究中，深入分析廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區目前的需求，其主要包括資源管理、環境監測、公共服務等方面，明確系統應具備的功能和特性，挑選適宜的物聯網傳感器和裝備，以采集相關數據。八桂田園有100 000 m2的現代農業觀光區、約60 000 m2的野菜瓜果采摘區和約53 336 m2的栽培區，數據采集的范圍廣泛，應主要做好氣象觀測、土壤狀況、水體質量、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。在整個園區進行分布式部署傳感器，以確保全方位的數據采集，在網絡部署方面，利用WIFI 網絡中的VLAN 技術和GPRS 網絡技術，通過無線傳輸進行云端存儲，確保數據的傳輸與存儲安全。物聯網信息采集系統是生態園區數字化管理的核心組成之一，它的設計主要體現在數據、生態系統、資源利用以及特定的環境條件方面，以更好地保護生態平衡并提高生產效率為目標，具體的設計如圖1所示。

1.2 數據存儲與分析

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

在技術方面，對在原有基礎上建立的相關裝備配置，進行標準化體系設計擴容，便于處理收集的海量數據[5]。在數據處理上，利用Python 技術實現云端數據的抓取、融合和備份存儲，同時使用PyQt技術實現園區環境數據的可視化和數據分析。并利用各種統計分析方法，如描述性統計、回歸分析和時間序列分析等，從數據中提取有關生態園區運營的重要數據。對于需要實時進行數據監測的應用，采用Apache Kafka 和Apache Flink 進行流式數據處理，并采用數據分析和挖掘技術，以實時監測資源使用情況，識別潛在的優化機會，將分析得到的數據轉化到現實行動中，確保數據能得到有效的應用[6]。課題組在研究中，做到了資源分配的優化、環境保護措施的制定、不同農作物在不同環境下種植系統的調整，對整個八桂田園現代農業生態園區公共服務的改進等也進行了相應的探索。

1.3 決策支持系統

廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區數字化管理決策支持系統的設計與研究，有助于管理者和決策者在生態園區管理中，根據相關數據的分析，做出更明智的決策，幫助管理者更好地了解生態系統的狀態，并采取可持續的管理措施，提升對園區的管理水平。決策支持系統，可以整合來自多種數據源的信息，包括氣象數據、生態監測數據、土壤質量、植被覆蓋和水質數據等。在數據分析上，利用數據分析技術，如統計分析、機器學習和模擬建模等，來發現生態園區的發展趨勢和模式[7]，其可以預測未來的生態變化、辨識生態系統的脆弱性、評估不同管理策略的效果。在系統的設計中，主要采用交互式可視化操作，幫助用戶更輕松地理解數據，例如在地圖、圖表和儀表盤上體現相關的數據視圖等。可視化操作能夠生動地呈現數據，使決策者能夠快速識別關鍵信息。此外，它還能夠幫助評估決策對生態園區可持續性的影響，以確保采取的措施不會對生態系統造成不可逆轉的負面影響，決策系統框架設計如圖2所示。

圖2 決策系統框架設計

2 數據分析和管理應用

2.1 數據驅動決策

通過采集相關數據，并進行分析，可以在廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區的運營和業務中發揮重要作用，其涵蓋了供應鏈的最佳化、庫存管理、產品改進以及市場營銷策略等多個方面。在資源管理方面，依賴物聯網技術來采集系統數據，監測植物的生長狀況，記錄相關的數據，這有助于制定可持續的資源管理計劃。通過實時監測水質、水位和降水數據，能夠更好地規劃灌溉計劃，以確保水資源的有效利用[8]。

數據驅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，從而支持可持續資源管理。此外，生態園區還通過智能的能源管理、交通最佳化以及供應鏈優化來減少碳排放，達到節能減排的效果。

2.2 預測性維護

預測性維護是系統管理中不可或缺的一個環節，其運用數據分析、傳感器技術以及機器學習等工具，以預測設備或系統的故障和維護需求，從而給管理者帶來更高效和更可靠的設備維護功能，盡最大可能做好預防性工作。這一策略的成功依賴于大量數據的管理與分析，其數據通過物聯網傳感器進行采集，以監測設備狀態和性能。在采集數據的過程中，通過復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]。其算法能夠提前預測設備可能出現的故障，以便提前采取必要的維護措施。預測性維護系統實時監測設備性能，一旦發現異常情況，即刻發出警報，有助于迅速采取應對措施，有利于設備安全運行，確保園區正常運轉。

眾所周知，物聯網的應用范圍廣泛，可以監測環境中的各種數據，比如空氣質量、水質和土壤質量等，特別是在農業和食品生產領域，物聯網傳感器發揮著突出作用。通過數據分析系統的輔助，八桂田園現代農業生態園區可以實現精準農業的目標，有效減少化學品的使用，減少水資源浪費，提高食品產量，為綠色農業的可持續發展提供保障。

2.3 可持續發展評估

可持續發展是現代農業的一個重要性標志。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，根據設計，園區可以建立一個數據采集系統，該系統提供有關電力使用情況的詳細信息，包括總用電量以及采取的節能措施及效果。通過專門的分析系統，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。

在經濟增長方面，分析廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區的農業和旅游業的盈利能力和利潤增長情況，通過創新和技術發展，園區正在積極提高對新技術的應用水平，推動創新活動的大幅增長。此外，還致力于提高物聯網設備的利用率和性能，解決園區網絡的共享問題，以更好地滿足工作人員的需求，同時實現信息管理平臺的共享機制。

在數據安全和隱私方面，園區可以利用自有服務器來存儲數據，以確保內部數據的安全和隱私保護。研究中，還可采用智能化和數字化的管理工具，以提高運營的效率和效果。

3 數據的安全處理

3.1 數據安全

廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區數字化管理系統在設計和運行過程中必須高度重視保障信息安全。由于園區不僅作為現代農業的展示園區，也屬于旅游區，因此，數據安全的管理也非常重要。在收集的數據中，存在很多需要保密的數據，因此，強化數據安全是確保資源的可持續管理的必要措施。

為了確保生態園區的數據安全，要采取一系列措施，包括制定健全的網絡安全策略、定期更新系統和應用程序、確保在生態數據傳輸和存儲過程中采用適當的加密和保護措施，以防止未經授權的訪問或數據泄露[10]。

3.2 安全措施

在數據獲取訪問中，實施嚴格的身份驗證和訪問控制機制，確保只有經過授權的用戶才能訪問系統數據。部署防火墻和入侵檢測系統，以防止網絡攻擊和未經授權的訪問。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、應用程序和安全軟件都是最新版本，及時修復舊版本中發現的漏洞。使用網絡防火墻來監控網絡流量，阻止未經授權的訪問，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，確保園區的設備沒有受到病毒或惡意軟件的感染。定期備份重要數據，并確保備份存儲在安全且不容易受損的地方，以防數據丟失。建立定期的數據備份和災難恢復計劃，以應對數據丟失或系統故障的情況。

3.3 安全管理

園區系統應及時做好系統升級工作，做好安全補丁，彌補系統漏洞，減少潛在的安全風險。定期為系統管理員和用戶提供安全培訓，教育其如何識別和應對潛在的安全威脅。在收集和存儲生態數據的同時，確保個人身份信息和敏感信息被適當地匿名化或刪除，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的措施來減輕這些風險。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

4.1 智能化決策支持系統

在新的發展趨勢下，自適應的決策支持系統將作為下一個研究方向，其能夠利用物聯網數據和人工智能技術為生態園區管理者提供更準確的決策支持，實現更高效的運營。采用人工智能和自動化技術，能實現更智能、自適應的生態園區管理，在自動化的資源調度、環境監測與控制等方面有其獨特的優勢。研究開發綜合性的生態系統健康評估模型，能夠全面評估生態園區的健康狀況，并提出相應的改進措施。在探討不同生態園區之間的數據共享和協作機制上，應建立更大范圍的生態系統，實現資源優化與效率提升。項目在未來將會研究如何進一步優化能源和資源的利用，包括整合可再生能源、優化儲能系統等，以實現更高程度的可持續性。研究如何加強物聯網系統的數據隱私保護和安全防護，以防止潛在的安全威脅和隱私侵犯等。

4.2 問題與挑戰

1）八桂田園現代農業生態園區面積廣、區域多，有室內和室外的作物種植。在實現綜合布線中，其主要采用有線的方式來實現，成本較高，因而其數字化管理平臺的研究設計勢在必行。我國的現代農業生產技術和物聯網技術仍在不斷發展，課題組也將重點研究無線網絡的數據傳輸。

2）在數字化管理方面，也將面臨著大量數據的傳輸和存儲，這也增加了網絡攻擊的潛在威脅。黑客、病毒以及其他網絡安全問題可能導致數據泄露、系統中斷和潛在的財務風險。因為需要處理來自傳感器、監測設備和用戶的大量數據，如何有效地收集、存儲、分析和利用這些數據也是一個挑戰[11]。

3）不同蔬果的生長對于環境的需求不同，這需要系統分析和智能調控協同。同時，維護數字化基礎設施，如服務器、傳感器、網絡和軟件系統等，需要不斷的投資和專業化管理，以確保系統的穩定性和可靠性，這也需要一定的維護成本。

4）物聯網系統生成的數據可能會受到干擾或誤報，因此，如何確保數據的準確性和可靠性也是一個非常重要的問題。課題組將致力于應對這些挑戰，以確保生態園區的數字化管理能夠順利實施。不同廠商的物聯網設備可能使用不同的通信協議和技術，如何實現跨平臺的兼容性也是一個挑戰。如果依賴物聯網設備來進行能源管理，那么設備本身的能源供應和管理也將成為一個關鍵問題。園區的果蔬小氣候環境差異大，缺少氣候數據差異性分析系統。這些問題，都需要后續討論研究，也將作為未來研究的一個方向。

5 結語

本文探討了物聯網技術在廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業生態園區數字化管理中的應用，通過研究相關文獻和將來的發展趨勢，在數字化管理系統原設計的基礎上，進行改進提升。并探討未來研究的方向和面臨的挑戰，將研究重點放在以下相關領域：物聯網信息采集系統、智能化決策支持系統、人工智能與自動化技術、生態系統健康評估、跨園區合作與互聯網連接、可持續能源與資源管理、社會參與與教育、數據隱私與安全等。同時，著力解決數據質量、跨平臺兼容性、能源供應、數據保護、成本與投資回報、環境變化和災害應對等一系列關鍵問題，相關研究將有助于實現更加智能和可持續發展的現代農業生態園區管理。