果桑智能栽培管理信息系統的研制與應用

孫孝龍 吳德余 周衛陽 施建軍

(1江蘇聯合職業技術學院鹽城生物工程分院，江蘇鹽城 224051； 2江蘇省蠶種所，江蘇無錫 214151；3鹽城思源網絡科技有限公司，江蘇鹽城 224005)

以結果為主、葉果兼用的桑樹統稱為果桑，其果實稱為桑果。桑果及其產品國內外市場需求大、價格高，且果桑的栽培條件低，露天、大棚、盆栽等條件均可種植，具有較大的市場開發和應用前景[1-2]。近年來，雖然桑樹栽培技術研究取得了一定進展，但其仍未脫離露地栽培模式和技術體系，果桑設施栽培技術以及智能管理信息系統的研究一直未取得大的進展，嚴重制約著果桑的產量和經濟效益。自2010年以來，我們采用農業信息化技術，在江蘇沿海蠶桑生產區，對果桑設施栽培及信息管理開展了相應的試驗研究[3]，研制了果桑智能栽培管理信息系統。該系統通過實時采集設施內溫度、濕度，土壤溫度、濕度，二氧化碳(CO2)濃度，光照強度，局部溫度、濕度，有害氣體含量等環境數據，并結合果桑智能栽培管理信息系統自動數據感知、深度數據分析、智能控制應用等處理，實現了對果桑栽培的智能化管理，全程優化監控果桑栽培環境，顯著提高了果桑栽培管理水平和生產效益。現將該管理信息系統的設計與研制、功能與實現、應用與效果等介紹如下，以便用戶更加全面地了解本系統。

1 果桑智能栽培管理信息系統研發的起因

果桑生長發育的環境因子主要包括土壤、溫度、濕度、光照、大氣等，在露天種植條件下，經常會遇到大風、暴雨、高溫、霜凍、空氣污染等不利環境條件，使果桑的生長發育遭受嚴重不良影響，導致桑果、桑葉減產甚至絕收。而采用農業信息化技術，運用智能栽培模式，通過各類設備智能調控環境條件，使果桑生長條件保持在適宜的水平，不僅省力省工，生產安全，而且還能使桑果反季節提前上市，并顯著提高產質量。為此，我們從2010年開始進行果桑智能栽培管理信息系統的設計與研制。

2 果桑智能栽培管理信息系統的設計與研制

2.1 系統設計方案

通過分析果桑設施栽培控制目標及參數特點，依據自動化、實時性、智能化的原則，采用農業信息化技術，設計系統總體方案，實現設施對環境參數的自動感知、精準傳輸與智能處理。果桑智能栽培管理信息系統由數據感知采集、數據分析處理及智能控制應用3個體系構成(圖1)。該管理信息系統中，果桑生產與管理的環境因子都可以成為系統設置的主體目標，并通過建立靈活、精準的農業信息網絡，實現對果桑生產資源及生產條件的自動化控制，提升實時監控與調節的靈活性。果桑智能栽培管理信息系統是基于紫蜂(zigbee)技術，結合專業數據樣本深度學習算法，通過提供一種基于通用分組無線服務技術(GPRS)網絡的遠程智能監控裝置。果桑智能栽培管理信息系統采用無線GPRS傳輸通信協議、遠程監控設備(RTU)和傳感器檢測技術等相結合設計而成，具有顯著的系統優化、信息集約化處理、精準識別有效信息、快速傳遞實時數據、智能糾錯控制等優勢。在功能方面，果桑智能栽培管理信息系統擁有的人機交互界面、傳感器輔助模塊等，可為果桑生長環境相關因素的調控與管理發揮擴展性功能[4-6]。

2.2 數據感知采集模塊

果桑智能栽培管理信息系統對設施內果桑栽培環境因子的感知，主要由數據感知采集模塊來實現。數據感知采集由信息系統內部包含的攝像頭、全球定位系統、無線傳感器等組成，是信息管理系統的核心和基礎模塊。數據感知采集通過不同種類的傳感器來感知設施內外的空氣溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強度，CO2濃度，空氣質量等環境參數，實時提供數據信息，并進行初步處理后發送到計算機控制中心。數據感知采集模塊能輕松定位、識別設施內的溫度、濕度、土壤環境是否適宜果桑自身生長發育的需要，在精準定位和識別的基礎上實現對設施內果桑的生長環境的全面感知，為果桑設施栽培的自動控制、智能決策提供科學依據。

2.3 數據分析處理模塊

果桑智能栽培管理信息系統數據傳輸通過設施場地局域網和遠程廣域網安全可靠的廣泛互聯互通，實現數據分析處理和智能控制應用的雙向數據送達。設施場地局域網采用以太網的有線傳輸技術，具備聯網距離長、容量大、穩定性高、抗干擾能力強等特點。遠程廣域網采用互聯網及全球移動通信系統(GSM)相結合的技術，運用無線普通操作輸入(GPIS)傳輸技術，使用移動或聯通網對所采集的數據進行實時、穩定的傳輸，并送達計算機控制中心，應用專業數據樣本深度學習算法，進行數據綜合分析處理。作用于數據感知、數據分析和控制應用之間的數據傳輸，包括數據感知的設備有線或無線連接，與互聯網、通信網進行數據融合的網關，以及可以將感知采集的數據傳輸到互聯網用戶應用等。通過遠程網絡計算機和移動終端，管理用戶可以實時獲取設施栽培環境的信息，具備傳輸范圍廣、魯棒性好、精確度高等特性。

2.4 智能控制應用模塊

數據處理應用，對獲取的各類感知數據進行智能分析和綜合處理，為自動控制和精準運行提供決策信息。果桑智能栽培管理信息系統控制中心的數據分析應用包括數據存儲、數據處理、智能控制和人機交互4個基本模塊。數據存儲模塊的作用是提供建立設施環境數據庫和設備狀態數據庫，完成感知采集數據的基本處理。數據處理模塊的作用是通過采用軟件補償、分布圖法和取平均值法消除感知數據的誤差影響，不僅完成了對數據的存儲、添加、修改和查詢，更實現了對數據的智能化處理。智能控制模塊的作用是采用模糊控制策略和變結構模糊控制方法對設施環境因子及參數進行智能控制，能獲得良好的數據精度，RTU將各種所需的環境參數集體收集起來，基于zigbee技術，并通過無線GPRS網絡將數據信息實時傳送和反饋給用戶終端(計算機或手機)。人機交互模塊，包括了數據采集模塊、實時監控模塊、控制輸出模塊、參數設置模塊、知識決策模塊和數據管理模塊等，系統控制中心將進程狀態、數據監測、調控指令等信息進行實時網絡發送，并接收用戶的反饋信息進行相關調整；管理員通過電腦界面或管理終端接收信息，進行相應的觀察、監控、調整或咨詢，并根據管理系統的具體情況，調整相關設置，維護系統運行，提高管理系統的穩定性、及時性和精準性；用戶還可以通過網絡瀏覽器或遠程操作軟件，訪問管理系統，接受知識查詢、專家咨詢、視頻學習、在線答疑等專業化信息服務。

3 果桑智能栽培管理信息系統的功能與關鍵技術

3.1 基本功能

果桑智能栽培管理信息系統主要為果桑生長智能化管理提供以下功能：首先，通過數據采集、監測與識別，精確感知設施內果桑周圍全天候的生長實況、溫度變化、光照條件、濕度條件、空氣質量及CO2濃度等指標信息，通過感知層面的數據傳遞，最終為信息查詢檢索與信息調整提供數據庫支撐。其次，由計算機和手機端的監控接口，對設施果桑的生長實施實時監控，提供果桑生長圖像與視頻數據，為合理調整果桑生長環境提供實時依據，并為果桑生長因素參數指標設定限值，實現自動參數調節和安全報警。另外，管理信息系統通過遠程監控功能，并設定一定的管理權限，在權限范圍內查看、管理設施內果桑的生產環境信息，做到全方位可視化，從而對不同的管理用戶提供不同的服務，讓生產更輕松，管理更精確、更高效[7-8]。

3.2 關鍵技術

經過數據感知及設備識別技術，可以快速、適時地將設施內果桑相關環境要素數據(包括設施內的溫度、濕度、光線、空氣質量等)通過RS-485或zigbee形式進行采集與傳遞。經過zigbee形式進行采集與傳遞的數據為無線版傳輸方式，具有部署靈活、擴展方便等優點；經過RS-485形式進行采集與傳遞的數據為有線版傳輸方式，采用電纜方式將數據傳送到RS-485節點上，具有傳輸速率高、數據更穩定等優點。果桑智能栽培管理信息系統通過對收集到的數據進行分析與處理，為用戶提供一目了然的信息報表，待這一報表生成后，感知采集的原始數據便可自發形成數據庫，自發形成的數據庫內的信息與數據均是管理信息系統經過挖掘、篩選和歸納處理后的數據。當用戶檢索或者查詢有關信息時，如果原系統中不包括這樣新形成的數據信息，系統便會給用戶發送短信告知。果桑智能栽培管理信息系統通過計算機監控平臺實現了對果桑栽培環境信息的智能管理，完成對環境條件的高效、安全、優質控制。計算機監控平臺的主要功能包括環境因子的參數設置、數據采集、狀態監測、數據傳輸、指令輸出、數據管理、日志查詢等。其中，參數設置完成環境因子閾值的設置以及調節目標值的設置，數據采集實現對感知數據的采集和存儲，狀態監測實時監控果桑生長進程以及輔助設備運行狀態，數據傳輸完成感知信息和反饋信息與控制中心的雙向傳輸，指令輸出負責智能決策的下達和響應，數據處理實現對數據的采集、傳輸、存儲、查詢、更新，日志查詢實現用戶對果桑栽培環境以及果桑生長發育階段的全程記錄、查詢、追溯[9-11]。

4 果桑智能栽培管理信息系統應用的效果

本系統在江蘇省蠶種所果桑試驗基地、江蘇聯合職業技術學院鹽城生物工程分院果桑智能栽培基地進行了綜合實驗和推廣應用，在果桑栽培環境的數據采集、監控管理、參數調整、系統響應等方面均取得了顯著的成效。

4.1 數據采集精準

果桑智能栽培管理信息系統對溫度、濕度、光線、空氣質量等果桑栽培環境因子數據實時采集、傳輸，并通過專業數據樣本學習，對數據進行信息識別、篩選、存儲，可輕松比對標準環境參數，實時通過監控平臺(現場或遠程)提供用戶需要的管理信息，或發出超值報警信息。應用調查結果表明，在果桑生長常溫常濕環境(溫度25～30 ℃，相對濕度70%～85%)下，果桑智能栽培管理信息系統數據采集的準確率可達99.89%，比傳統人工采集提高了10.99個百分點；光照強度、流動風速、空氣質量數據等的采集以及存儲的準確率均達到了100%，應用效果遠遠超出人工作業的直觀感知以及人工記錄保存數據的方式。果桑智能栽培管理信息系統應用大大提高了果桑栽培及設施環境的精準化管理水平。

4.2 監控管理智能

果桑智能栽培管理信息系統計算機控制中心利用神經網絡深度學習算法對數據樣本不斷學習訓練，將采集來的數據存放在控制器的內存，經過模糊控制分析及處理，實現對數據的傳輸、存儲、查詢、更新。應用實驗結果表明，果桑智能栽培管理信息系統通過現場無人值守、遠程登錄查看以及日志查詢等實現了對栽培環境以及果桑生長發育階段的全程記錄、查詢、追溯，能完全滿足果桑設施環境的實時監控和實時調控。與一般人工生產管理相比，用工節省了81.60%，綜合生產效率提高了63.85%，除自然災害、電力影響等特殊不可抗拒因素外，基本上實現了果桑設施栽培的遠程智能化管理。

4.3 參數設置科學

果桑栽培環境因子標準參數的確定和設置是果桑智能栽培管理信息系統應用安全性、準確性、穩定性的關鍵。實驗結果表明，針對果桑營養生長期(發芽長葉)的溫、濕度環境，果桑智能栽培管理信息系統控制室內的溫度、相對濕度參數上下浮動不超過0.50 ℃、0.25%，使果桑在生殖生長期(開花結果)的高溫階段的溫度、相對濕度上下浮動不超過0.25 ℃、0.12%。特別是對高溫、多濕環境，要及時通風、換氣、排濕。把CO、SO2等有害氣體含量設置為臨界點“發現預警”模式，若設施內某種有害物質含量超標，系統就會啟動預警模式，及時采取通風換氣等措施進行防控，或提醒管理人員通過人工干預進行綜合治理。在果桑智能栽培管理信息系統運行測試和推廣應用中，果桑智能栽培管理信息系統能夠實現對果桑設施栽培環境的實時監控、實時調控以及智能調整，大大增加了參數標準設置的科學性、精準性、及時性。

4.4 系統響應快速

在果桑設施栽培環境管理上，用戶最擔心的是現場實際環境因素發生了變化，而果桑智能栽培管理信息系統顯示正常或反應遲緩，給生產帶來無法彌補的損失。實驗結果表明，果桑智能栽培管理信息系統不僅可以達到全方位人工值守的效果，而且通過果桑智能栽培管理信息系統深度學習模糊算法對設施環境的實時監控及智能調整，大大提高了準確度和信任度，省力、省工，極大地提高了管理效益。同時，果桑智能栽培管理信息系統通過參數偏差自我糾錯和現場生產狀態視頻監控對比，具備提前預警和異常警戒的功能，達到了響應快速、調控可靠的管理要求，增加了果桑智能栽培管理信息系統的安全性和穩定性。

5 結束語

鑒于當前用于農業信息化的各種設備及設施口徑不一，功能與標準多樣，特別是針對大棚設施環境設備的防水、防霧、防氧化、防毒氣等性能還不高，且普遍存在低成本和高通用的特性，難以實現智能管理信息系統中傳感設備的統一化研發，這給果桑設施環境數據信息的監控、識別、收集、傳輸帶來了一定的障礙，完全滿足果桑栽培環境的智能管理還需進一步探索。果桑智能栽培管理信息系統將進一步強化行業標準性與普遍適應性，研發統一標準的接口，以方便多個用戶體驗使用；同時，推進果桑栽培數據庫建設，促進大數據挖掘，進一步提高數據樣本學習、模糊處理質量，利用大數據算法，對已有的數據進行過濾，進一步提高服務的針對性、精準度。