生鮮農產品產業園數字一體化精準管控系統的設計與應用

云南財經大學/宋志蘭 冉文學 黃歡 黃清云 張壯

?

生鮮農產品產業園數字一體化精準管控系統的設計與應用

云南財經大學/宋志蘭 冉文學 黃歡 黃清云 張壯

摘 要：本文基于國內生鮮農產品產業園的現狀調研分析，重點論述了數字一體化精準管控系統的組成，強調依托物聯網技術中的溫度傳感器、濕度傳感器、PH傳感器、光傳感器、CO2傳感器等設備與技術，構建數字農業技術指標和體系，實現智能化識別、定位、追蹤、監控、管理以及自動化的噴灌、施肥作業，以保證作物具有良好、合適的生長環境。

關鍵詞：農產品產業園、物聯網、信息系統、數字一體化精準管控系統

近年來，我國數字化農業技術取得了一些進展，主要表現在：農業傳感器微型化、農業灌溉智能化、實時監控農作物生長、農業信息可移動化、農產品質量追溯化等已成為主流。這得益于農業生產信息化技術的成熟和發展，尤其是農產品種植、加工智能化技術的應用。

國內關于農業園區應用物聯網技術的相關研究主要涉及溫度監控、光溫智能控制、精準灌溉等方面。如，浙江大學等單位對農業物聯網信息感知、傳輸和應用等方面進行研究，主要涉及智能化程度、肥水利用率及農產品安全等問題，取得了一系列成果。但總體來看，數字化技術在農業生產中的集成應用研究還比較少。本文提出構建完全數字化的生鮮農產品產業基地，該基地基于總線技術集成，由統一的信息系統進行集中管理和統一調度，充分運用物聯網和現代信息技術，加強數據處理及控制，合理布局傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、養分傳感器、土壤成分傳感器等），實現完全數字化。

一、生鮮農產品產業園區數字一體化精準管控系統的實施意義

1.加速信息化。農業發展越來越受到信息技術的影響，信息化成為我國加快實現農業現代化的必然選擇。隨著物聯網技術和農業信息技術的廣泛應用，現代農業高速發展，新的農業科技革命即將到來。

2.提高數字化。數字化有利于發展我國自主產權的農業高技術體系，對于我國在世界范圍內新的農業科技革命中占有一席之地，以及提升我國農業科技在國際上的整體競爭力，具有戰略意義。

4.節能減排。精準農業在高新技術的基礎上，充分利用現代信息技術，成為現代農業的一種先進生產形式和管理模式，為能自動感知、獲取并分析作物生產的環境因素實際存在的時間和空間差異信息以及實現自動診斷和監測，確立起按需投入，在技術上和經濟上可實施的應對方案，對物聯網技術提出了系統化的理念和技術要求。

二、生鮮農產品產業園區數字一體化精準管控系統的構成

如圖1所示，基于物聯網技術的生鮮農產品產業園區的數字一體化精準管控系統，主要包括設備執行層、通訊層、調度監控層和信息管理層等四個層級。整個管控系統由計算機管理調度系統（中央控制系統）、水肥一體自動控制系統、自動通風控制系統、無線傳感器系統、卷簾控制系統、診斷與監測預警系統等六個子系統組成。

1.計算機管理調度系統（中央控制系統）

生鮮農產品產業園區數字一體化精準管控系統，是在系統總體規劃的原則下，為實現農產品種植基地的智能化、數字化、精準化管控而進行的計算機軟、硬件系統設計，在信息自動化統一軟件平臺的基礎上，結合農作物生產經驗，開發農產品種植系統，采用面向對象的分析、設計和開發手段，充分考慮系統的柔性，并為系統的全面集成留有接口。

系統由管理層信息系統集中管理和統一調度，在監測與預警系統的監控下獲取數據采集層下各類型傳感器所提供的作物成長環境的物理參數，如：空氣溫濕度、土壤水分含量、PH值、CO2濃度等，再經通訊層傳輸到管理層中央控制器，農產品種植系統對感知的信息進行融合處理，智能對比適宜農作物生長的最佳環境變量，并形成完整的按需配給策略，由通訊層到達發出控制指令的具體分管控制器，完成對農作物的按需供給，保障農作物的健康成長環境。

整個管控系統形成了一整套完全智能化、數字化和精準化的管理理論和實踐方法，對智能并聯調度系統、診斷與監測預警系統、水肥一體化精準管控系統等新技術模塊進行了研究應用。

>> 圖1 生鮮農產品產業園區數字一體化精準管控系統構成

系統結構分為四個層次，即：信息管理層、通訊層、調度監控層和設備執行層。其中，計算機系統始終貫徹整個系統的運行中，從整體調度到具體信息的收集與傳輸、指令信息的下達，涵蓋信息管理層通訊層、調度監控層的所有業務以及設備執行層的大部分業務，上聯中央控制系統，下聯設備執行層。

顯然，寧德城關方言三套鼻音韻尾，最早消失的是[n]尾，其次是[m]尾消失，[m、n]最終歸并為[?]，這是總的發展趨勢，目前寧德城關方言只有一套鼻音韻尾[?]。從附表2、附表3可以看出寧德城關方言原來讀作[m、n]尾的字現在讀作對應的[?]尾，多數是韻尾直接轉換，韻尾轉換時少數字音韻腹、韻頭也會有變化。

系統硬件模型，如圖2。

2.水肥一體自動控制系統

水肥一體自動控制系統是一項現代農業新技術，該技術可以精確控制灌溉和施肥的數量與時間，以微灌系統為基礎，根據農作物的需水需肥規律及土壤狀況，運用計算機技術自動對水和肥料進行調配和供給。

在滴灌、滲灌、微噴灌等工程節水的基礎上，通過布置在田間的水分傳感器、養分傳感器、土壤成分傳感器等多種類別傳感器，測得土壤各指標的基本狀況，經傳感器將信號傳到電腦，再由程序智能指導灌水施肥。

由于系統沒有非常復雜的運算，需要低功耗和具有較強抗干擾性，因此采用單片機作為自動控制中心模塊，用來處理灌溉區的信號輸入等工作。由于水灌溉自動控制系統對水位的控制精度要求不高，將自制水位傳感器安裝到要求的液位，直接感知液位信息。由液位信息控制電磁閥，從而實現精準施灌。系統中的很多資料需要長期保存，同時需要在系統斷電時仍能保存信息，根據自動控制系統以及用戶信息存儲大小需求，選用雙備份磁盤陣列為該系統的存儲設備。

>> 圖2 計算機管理調度系統硬件組成

水肥一體自動控制系統包括兩大類，即葉面施灌和根系施灌，前者采用噴霧頭施灌，后者采用滴灌。

系統將各種農作物的特征需求數據、種植歷史經驗數據、專家知識等集成、組構、融合，編制成生鮮農產品種植專家系統，將測定的實時信息與生鮮農產品種植專家系統的參數對比后，可計算出灌溉時長、施加肥液時長和肥液配比等值。控制程序得到開始工作指令后立即運行，系統運行過程的數據均可查閱。系統主程序流程，如圖3。

3.自動通風控制系統

自動通風控制系統綜合性能優于傳統通風系統，可以自動調控風機轉速與風量，感應空氣品質，從而改善空氣質量，提高通風安全，實現運行管理智能化。該系統主要由智能中央控制子系統及空氣品質感應子系統等組成，還包括通風管道、可調節的風口末端及數字化節能風機等。

4.無線傳感器子系統

WSN（WirelessSensorNetwork，無線傳感器網絡）由多個部分組成，其主要構成：無線傳感網絡基礎設施、網絡應用支撐層和基于該網絡應用業務層的一部分共性功能等，參見圖4。將WSN應用于培養種植農作物，可提高農業數字化水平。其工作原理為：在監察區域設置大量廉價的微型傳感器，通過傳感器感知并收集所需監察對象的信息，這些信息經過處理后發送給觀察者。

5.卷簾控制系統

當前使用的溫室大棚卷簾機大部分存在安全隱患，其主要原因是動力源為現場人工送電，不論溫室中是否有勞動任務，管理人員都必須到現場操控設備，造成了時間和人力資源的浪費。

為解決上述問題，可以通過自動遠程控制，實現卷簾機的升降，不僅可以減少安全隱患，而且降低勞動強度，提高效率。其主要做法為：在設備中嵌入一個模塊，利用處理器的指令控制來實現GSM系統的短信息服務。該方法實施方便、操控簡單、成本低，有較高的應用率。

6.診斷與監測預警系統

在農作物種植基地采用診斷與監測預警系統，主要針對系統中關鍵設備的開關和運行情況進行監測，發現異常情況并及時處理，從而盡量避免損失的發生。

為了加強監測和預警，該系統設計并充分應用無線結構健康監測試驗儀器。基于成本和便捷性，該儀器主要應用ISM （IndustrialScientificMedical）頻段，這是因為：ISM頻段耗能低、成本少，組網方便且無需授權申請，非常適合無線結構的健康監測使用。其覆蓋范圍，如圖5。

診斷與監測預警系統涵蓋整個系統，實時監測各系統的運行狀況，并根據系統的實際情況經傳輸系統反饋給中央控制系統，對整個系統的健康運行具有重要意義。

>> 圖3 控制系統主程序流程圖

>> 圖4 無線傳感器網絡體系結構

>> 圖5 診斷與監測預警系統覆蓋范圍

三、結語

本文利用物聯網技術構建的生鮮農產品產業園區數字一體化精準管控系統，通過觀察農作物的生長需求環境的變化，制定最佳配給方案，把適量的資源（包括溫濕度、PH值、CO2濃度等）應用到最合適的地方，并將指令通過通訊層下達到各控制系統，以達到精準控制的目的，可有效提高我國生鮮農產品產業園區的現代化水平。