火龍果基地物聯網系統及數據管理

■李 垚 楊 彬 趙國鈺

隨著物聯網、傳感和通信技術快速發展，現代果園的在線與動態監測系統正逐步應用，果園的數字化、信息化管理正逐步形成。利用物聯網開展果園精細生產和品質管理，已成為一個重要的發展方向。

合慶火龍果產業基地位于浦東新區合慶鎮朝陽村，結合上海電信5G技術，利用傳感技術、射頻技術、信息處理技術、網絡傳輸技術等，進行信息采集、處理和傳輸，建成了一套火龍果產業基地的物聯網系統。實踐證明，該系統可以穩定可靠運行。

一、果園物聯網系統的作用

（一）水果生長狀態環境信息的感知。在大面積、區域化的果園中，水果的生長狀態受到多種環境因素的影響。該系統可以跟蹤和收集水果生長相關的多種信息，如果園的土壤溫濕度、土壤pH值、土壤電導率、空氣溫濕度、風速、風向、光照、CO2濃度以及圖像信息等。

（二）果園害蟲種類與數量信息的智能遠程監測。該系統能連續監測到黏紙上的害蟲數量，并利用圖像處理和機器學習算法進行害蟲識別，以便對果園害蟲及時、精準防治。

（三）果園的凍害監測預警。在現有水果凍害指標基礎上，結合專家經驗，實現了水果凍害的精準預測與及時預警。

（四）自動控制。系統可以自動控制噴水、噴藥，也可以自動調節控制果園光照、通風。

（五）數據管理。對采集的傳感器數據進行處理，對數據建模、預測，構建專家系統。

二、果園物聯網監測技術的研究現狀

近年來，研究人員圍繞著物聯網關鍵技術開展了大量的研究工作，有力地推動了物聯網技術在果園的應用。

（一）物聯網信息感知技術。信息感知技術是物聯網系統實現環境信息透徹感知的關鍵技術。柳平增等人通過設計精準農業信息感知系統，實現了農田土壤溫濕度、土壤pH值、土壤電導率、空氣溫濕度、風速、風向、光照、CO2濃度等環境信息的精準感知。王文山等人以物聯網技術為基礎，設計了果園環境信息監測系統，系統選用MSP430系列處理器。

（二）物聯網傳輸技術。物聯網傳輸技術是物聯網系統實現數據穩定安全傳輸的核心技術。目前主流的數據傳輸方式有 ZigBee、GPRS、WIFI、LoRa和北斗等。李旭等基于無線傳感網絡的果園環境信息監測系統實現了對多種環境信息數據的實時收集、傳輸和上位機信息處理控制的自動化，具有及時、高效、準確、運行成本低等特點。該系統可用于分析果樹的長勢以及環境變化對果樹的影響，從而進行綜合環境監控和調節，為研究果樹生長及時提供精準的環境信息。

（三）信息處理技術。信息處理技術是物聯網系統實現數據分析處理和數據服務的基礎。周國民等針對果園環境采集數據的交換和共享規范缺乏的問題，采用可變數據采集指標項的設計方法，在分析果園環境數據特點的基礎上，提出了一種果園環境采集數據表示格式。姜猛等人以物聯網技術和大數據技術為基礎，研發了蘋果樹病蟲害決策支持系統，實現了對果樹病蟲害的科學診斷、預測，為果農提供了預警、防控服務。

三、合慶火龍果產業基地物聯網系統與數據管理

合慶火龍果產業基地物聯網系統由感知層、網絡層、應用層三層結構組成。感知層位于物聯網的最底層，包括M2M網關、M2M模組、攝像頭、讀碼器、RFID、傳感器、傳感器網絡等。網絡層位于第二層，包括固定通信網絡、移動通信網絡、互聯網及其他網絡。應用層位于第三層，包括綠色農業、地圖顯示、溫濕度監控、智能開關、遠程監控等部分，將前面采集到的數據信號等各種信息通過接口轉到PC機的客戶界面終端上。

（一）信息傳感

物聯網系統采用了土壤傳感器、水質檢測設備、氣象檢測設備、攝像頭等信息感知裝置。

1.攝像頭及其供電設備。本系統采用了18套?？抵悄芮蛐蛿z像頭。其特點：采用10倍小型高清晰度彩色攝像機；室內監控全角度、無盲點；具有大方、精巧、緊湊、強度高、便于安裝布線等優點；水平360°轉動，精密步進電機驅動，運行平穩，定位精確；旋轉速度根據鏡頭變倍倍數自動調整、自動聚焦、自動白平衡。本系統的攝像頭供電設備采用了風力發電、太陽能發電雙供電模式，充分利用了海邊易刮風的特性，保障了攝像頭穩定供電。攝像頭及供電設備的產品組件包括：12V200W風力發電機、18V150W太陽能晶體電池板、18W海康智能球型攝像頭、12V150Ah可充電蓄電池、12W無線網橋接受端、系統控制器。

2.土壤傳感器。本系統采用了兩套土壤傳感器，土壤傳感器包含土壤溫濕度傳感器和數據采集器兩部分。土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構成,對表層和深層土壤進行墑情的定點監測和在線測量。數據采集器可檢測土壤中的pH值、溫濕度、氮磷鉀含量。土壤傳感器體積小、耗電量低、可24小時不間斷采集數據。

3.水質檢測設備。本系統采用了兩套水質檢測設備，全天侯監控果園水質情況。

4.氣象檢測設備。采用了一套氣象檢測設備，全天侯監控火龍果產業基地的氣象情況。

（二）基于GIS技術的數據監測與控制

1.基于GIS技術的數據監測。本系統建立了火龍果產業基地的全景地圖，通過全景地圖，可方便靈活查看攝像頭、土壤溫濕度檢測設備、水質檢測設備、氣象檢測設備等物聯網的信息。

2.攝像頭智能控制。火龍果產業基地的每個大棚及展示廳均安裝了海康攝像頭，在智能設備控制界面，提供了靈活的攝像頭操作頁面，它包括大棚選擇、方向鍵控制、焦距控制。

3.溫室大棚開關智能控制。溫室大棚開關智能控制在原有手動切換基礎上，添加了一個自動控制鍵，采用5G傳輸遠程控制信號。由于采用了物理邏輯開關控制，確保線路不會短路，并帶有繼電保護器，即使突發情況也能安全運行。在開關過程中，自動切換攝像頭，可觀看天窗和遮陽篷運動情況。

（三）數據管理

數據管理在物聯網系統中占據著重要的位置，后臺管理系統是一個面向角色權限的管理系統，不同權限的用戶管理著不同的數據，確保數據信息安全。后臺管理系統包含設備信息數據、物聯網數據、大屏生產分析數據。管理頁面包含權限管理、數據管理、信息管理、設備管理和大屏數據幾塊菜單。后臺數據可查看或修改。

四、加強物聯網系統及數據管理對策

（一）及時總結果園物聯網系統在使用過程的經驗，增加投入，加強果園技術人員的培訓，做好推廣應用。

（二）因果園野外環境條件相對惡劣，對其所使用物聯網設備要求高穩定性，須提高物聯網系統關鍵部件的可靠性、穩定性。

（三）加強果園物聯網關鍵技術的研發，重視5G通信技術的應用，在物聯網技術中融入機器學習。機器學習是智慧農業終極發展目標，將機器學習智能植入果園智能系統，讓智能系統的領域知識動態地自更新、自尋優，可大大提高果園信息系統的智能化水準和大大改善農業信息化服務質量。