果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

孫孝龍 吳德余 周衛(wèi)陽 施建軍

(1江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)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(wǎng)絡(luò)科技有限公司，江蘇鹽城 224005)

以結(jié)果為主、葉果兼用的桑樹統(tǒng)稱為果桑，其果實稱為桑果。桑果及其產(chǎn)品國內(nèi)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(fā)和應(yīng)用前景[1-2]。近年來，雖然桑樹栽培技術(shù)研究取得了一定進(jìn)展，但其仍未脫離露地栽培模式和技術(shù)體系，果桑設(shè)施栽培技術(shù)以及智能管理信息系統(tǒng)的研究一直未取得大的進(jìn)展，嚴(yán)重制約著果桑的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。自2010年以來，我們采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，在江蘇沿海蠶桑生產(chǎn)區(qū)，對果桑設(shè)施栽培及信息管理開展了相應(yīng)的試驗研究[3]，研制了果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集設(shè)施內(nèi)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(huán)境數(shù)據(jù)，并結(jié)合果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)感知、深度數(shù)據(jù)分析、智能控制應(yīng)用等處理，實現(xiàn)了對果桑栽培的智能化管理，全程優(yōu)化監(jiān)控果桑栽培環(huán)境，顯著提高了果桑栽培管理水平和生產(chǎn)效益?，F(xiàn)將該管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與研制、功能與實現(xiàn)、應(yīng)用與效果等介紹如下，以便用戶更加全面地了解本系統(tǒng)。

1 果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)研發(fā)的起因

果桑生長發(fā)育的環(huán)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(jīng)常會遇到大風(fēng)、暴雨、高溫、霜凍、空氣污染等不利環(huán)境條件，使果桑的生長發(fā)育遭受嚴(yán)重不良影響，導(dǎo)致桑果、桑葉減產(chǎn)甚至絕收。而采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，運用智能栽培模式，通過各類設(shè)備智能調(diào)控環(huán)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(chǎn)安全，而且還能使桑果反季節(jié)提前上市，并顯著提高產(chǎn)質(zhì)量。為此，我們從2010年開始進(jìn)行果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與研制。

2 果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與研制

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

通過分析果桑設(shè)施栽培控制目標(biāo)及參數(shù)特點，依據(jù)自動化、實時性、智能化的原則，采用農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，設(shè)計系統(tǒng)總體方案，實現(xiàn)設(shè)施對環(huán)境參數(shù)的自動感知、精準(zhǔn)傳輸與智能處理。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知采集、數(shù)據(jù)分析處理及智能控制應(yīng)用3個體系構(gòu)成(圖1)。該管理信息系統(tǒng)中，果桑生產(chǎn)與管理的環(huán)境因子都可以成為系統(tǒng)設(shè)置的主體目標(biāo)，并通過建立靈活、精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對果桑生產(chǎn)資源及生產(chǎn)條件的自動化控制，提升實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)的靈活性。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)是基于紫蜂(zigbee)技術(shù)，結(jié)合專業(yè)數(shù)據(jù)樣本深度學(xué)習(xí)算法，通過提供一種基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控裝置。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)采用無線GPRS傳輸通信協(xié)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備(RTU)和傳感器檢測技術(shù)等相結(jié)合設(shè)計而成，具有顯著的系統(tǒng)優(yōu)化、信息集約化處理、精準(zhǔn)識別有效信息、快速傳遞實時數(shù)據(jù)、智能糾錯控制等優(yōu)勢。在功能方面，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)擁有的人機交互界面、傳感器輔助模塊等，可為果桑生長環(huán)境相關(guān)因素的調(diào)控與管理發(fā)揮擴展性功能[4-6]。

2.2 數(shù)據(jù)感知采集模塊

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

2.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通過設(shè)施場地局域網(wǎng)和遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)安全可靠的廣泛互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和智能控制應(yīng)用的雙向數(shù)據(jù)送達(dá)。設(shè)施場地局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)的有線傳輸技術(shù)，具備聯(lián)網(wǎng)距離長、容量大、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點。遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)采用互聯(lián)網(wǎng)及全球移動通信系統(tǒng)(GSM)相結(jié)合的技術(shù)，運用無線普通操作輸入(GPIS)傳輸技術(shù)，使用移動或聯(lián)通網(wǎng)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時、穩(wěn)定的傳輸，并送達(dá)計算機控制中心，應(yīng)用專業(yè)數(shù)據(jù)樣本深度學(xué)習(xí)算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析處理。作用于數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析和控制應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括數(shù)據(jù)感知的設(shè)備有線或無線連接，與互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的網(wǎng)關(guān)，以及可以將感知采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)用戶應(yīng)用等。通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)計算機和移動終端，管理用戶可以實時獲取設(shè)施栽培環(huán)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(yīng)用模塊

數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，對獲取的各類感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和綜合處理，為自動控制和精準(zhǔn)運行提供決策信息。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)控制中心的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、智能控制和人機交互4個基本模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊的作用是提供建立設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)庫和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，完成感知采集數(shù)據(jù)的基本處理。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的誤差影響，不僅完成了對數(shù)據(jù)的存儲、添加、修改和查詢，更實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)模糊控制方法對設(shè)施環(huán)境因子及參數(shù)進(jìn)行智能控制，能獲得良好的數(shù)據(jù)精度，RTU將各種所需的環(huán)境參數(shù)集體收集起來，基于zigbee技術(shù)，并通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊、實時監(jiān)控模塊、控制輸出模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、知識決策模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等，系統(tǒng)控制中心將進(jìn)程狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)測、調(diào)控指令等信息進(jìn)行實時網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，并接收用戶的反饋信息進(jìn)行相關(guān)調(diào)整；管理員通過電腦界面或管理終端接收信息，進(jìn)行相應(yīng)的觀察、監(jiān)控、調(diào)整或咨詢，并根據(jù)管理系統(tǒng)的具體情況，調(diào)整相關(guān)設(shè)置，維護(hù)系統(tǒng)運行，提高管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、及時性和精準(zhǔn)性；用戶還可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或遠(yuǎn)程操作軟件，訪問管理系統(tǒng)，接受知識查詢、專家咨詢、視頻學(xué)習(xí)、在線答疑等專業(yè)化信息服務(wù)。

3 果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)的功能與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基本功能

果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)主要為果桑生長智能化管理提供以下功能：首先，通過數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與識別，精確感知設(shè)施內(nèi)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(zhì)量及CO2濃度等指標(biāo)信息，通過感知層面的數(shù)據(jù)傳遞，最終為信息查詢檢索與信息調(diào)整提供數(shù)據(jù)庫支撐。其次，由計算機和手機端的監(jiān)控接口，對設(shè)施果桑的生長實施實時監(jiān)控，提供果桑生長圖像與視頻數(shù)據(jù)，為合理調(diào)整果桑生長環(huán)境提供實時依據(jù)，并為果桑生長因素參數(shù)指標(biāo)設(shè)定限值，實現(xiàn)自動參數(shù)調(diào)節(jié)和安全報警。另外，管理信息系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并設(shè)定一定的管理權(quán)限，在權(quán)限范圍內(nèi)查看、管理設(shè)施內(nèi)果桑的生產(chǎn)環(huán)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(wù)，讓生產(chǎn)更輕松，管理更精確、更高效[7-8]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過數(shù)據(jù)感知及設(shè)備識別技術(shù)，可以快速、適時地將設(shè)施內(nèi)果桑相關(guān)環(huán)境要素數(shù)據(jù)(包括設(shè)施內(nèi)的溫度、濕度、光線、空氣質(zhì)量等)通過RS-485或zigbee形式進(jìn)行采集與傳遞。經(jīng)過zigbee形式進(jìn)行采集與傳遞的數(shù)據(jù)為無線版?zhèn)鬏敺绞?，具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點；經(jīng)過RS-485形式進(jìn)行采集與傳遞的數(shù)據(jù)為有線版?zhèn)鬏敺绞?，采用電纜方式將數(shù)據(jù)傳送到RS-485節(jié)點上，具有傳輸速率高、數(shù)據(jù)更穩(wěn)定等優(yōu)點。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)便可自發(fā)形成數(shù)據(jù)庫，自發(fā)形成的數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息與數(shù)據(jù)均是管理信息系統(tǒng)經(jīng)過挖掘、篩選和歸納處理后的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶檢索或者查詢有關(guān)信息時，如果原系統(tǒng)中不包括這樣新形成的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)便會給用戶發(fā)送短信告知。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)通過計算機監(jiān)控平臺實現(xiàn)了對果桑栽培環(huán)境信息的智能管理，完成對環(huán)境條件的高效、安全、優(yōu)質(zhì)控制。計算機監(jiān)控平臺的主要功能包括環(huán)境因子的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、指令輸出、數(shù)據(jù)管理、日志查詢等。其中，參數(shù)設(shè)置完成環(huán)境因子閾值的設(shè)置以及調(diào)節(jié)目標(biāo)值的設(shè)置，數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的采集和存儲，狀態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)控果桑生長進(jìn)程以及輔助設(shè)備運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)智能決策的下達(dá)和響應(yīng)，數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、查詢、更新，日志查詢實現(xiàn)用戶對果桑栽培環(huán)境以及果桑生長發(fā)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(tǒng)應(yīng)用的效果

本系統(tǒng)在江蘇省蠶種所果桑試驗基地、江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鹽城生物工程分院果桑智能栽培基地進(jìn)行了綜合實驗和推廣應(yīng)用，在果桑栽培環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)響應(yīng)等方面均取得了顯著的成效。

4.1 數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)

果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)對溫度、濕度、光線、空氣質(zhì)量等果桑栽培環(huán)境因子數(shù)據(jù)實時采集、傳輸，并通過專業(yè)數(shù)據(jù)樣本學(xué)習(xí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行信息識別、篩選、存儲，可輕松比對標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)，實時通過監(jiān)控平臺(現(xiàn)場或遠(yuǎn)程)提供用戶需要的管理信息，或發(fā)出超值報警信息。應(yīng)用調(diào)查結(jié)果表明，在果桑生長常溫常濕環(huán)境(溫度25～30 ℃，相對濕度70%～85%)下，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率可達(dá)99.89%，比傳統(tǒng)人工采集提高了10.99個百分點；光照強度、流動風(fēng)速、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)等的采集以及存儲的準(zhǔn)確率均達(dá)到了100%，應(yīng)用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人工作業(yè)的直觀感知以及人工記錄保存數(shù)據(jù)的方式。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)應(yīng)用大大提高了果桑栽培及設(shè)施環(huán)境的精準(zhǔn)化管理水平。

4.2 監(jiān)控管理智能

果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)計算機控制中心利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)樣本不斷學(xué)習(xí)訓(xùn)練，將采集來的數(shù)據(jù)存放在控制器的內(nèi)存，經(jīng)過模糊控制分析及處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、查詢、更新。應(yīng)用實驗結(jié)果表明，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)通過現(xiàn)場無人值守、遠(yuǎn)程登錄查看以及日志查詢等實現(xiàn)了對栽培環(huán)境以及果桑生長發(fā)育階段的全程記錄、查詢、追溯，能完全滿足果桑設(shè)施環(huán)境的實時監(jiān)控和實時調(diào)控。與一般人工生產(chǎn)管理相比，用工節(jié)省了81.60%，綜合生產(chǎn)效率提高了63.85%，除自然災(zāi)害、電力影響等特殊不可抗拒因素外，基本上實現(xiàn)了果桑設(shè)施栽培的遠(yuǎn)程智能化管理。

4.3 參數(shù)設(shè)置科學(xué)

果桑栽培環(huán)境因子標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的確定和設(shè)置是果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)應(yīng)用安全性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵。實驗結(jié)果表明，針對果桑營養(yǎng)生長期(發(fā)芽長葉)的溫、濕度環(huán)境，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)控制室內(nèi)的溫度、相對濕度參數(shù)上下浮動不超過0.50 ℃、0.25%，使果桑在生殖生長期(開花結(jié)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(huán)境，要及時通風(fēng)、換氣、排濕。把CO、SO2等有害氣體含量設(shè)置為臨界點“發(fā)現(xiàn)預(yù)警”模式，若設(shè)施內(nèi)某種有害物質(zhì)含量超標(biāo)，系統(tǒng)就會啟動預(yù)警模式，及時采取通風(fēng)換氣等措施進(jìn)行防控，或提醒管理人員通過人工干預(yù)進(jìn)行綜合治理。在果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)運行測試和推廣應(yīng)用中，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對果桑設(shè)施栽培環(huán)境的實時監(jiān)控、實時調(diào)控以及智能調(diào)整，大大增加了參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的科學(xué)性、精準(zhǔn)性、及時性。

4.4 系統(tǒng)響應(yīng)快速

在果桑設(shè)施栽培環(huán)境管理上，用戶最擔(dān)心的是現(xiàn)場實際環(huán)境因素發(fā)生了變化，而果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)顯示正常或反應(yīng)遲緩，給生產(chǎn)帶來無法彌補的損失。實驗結(jié)果表明，果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)不僅可以達(dá)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(tǒng)深度學(xué)習(xí)模糊算法對設(shè)施環(huán)境的實時監(jiān)控及智能調(diào)整，大大提高了準(zhǔn)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(tǒng)通過參數(shù)偏差自我糾錯和現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)視頻監(jiān)控對比，具備提前預(yù)警和異常警戒的功能，達(dá)到了響應(yīng)快速、調(diào)控可靠的管理要求，增加了果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

鑒于當(dāng)前用于農(nóng)業(yè)信息化的各種設(shè)備及設(shè)施口徑不一，功能與標(biāo)準(zhǔn)多樣，特別是針對大棚設(shè)施環(huán)境設(shè)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(xiàn)智能管理信息系統(tǒng)中傳感設(shè)備的統(tǒng)一化研發(fā)，這給果桑設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控、識別、收集、傳輸帶來了一定的障礙，完全滿足果桑栽培環(huán)境的智能管理還需進(jìn)一步探索。果桑智能栽培管理信息系統(tǒng)將進(jìn)一步強化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性與普遍適應(yīng)性，研發(fā)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口，以方便多個用戶體驗使用；同時，推進(jìn)果桑栽培數(shù)據(jù)庫建設(shè)，促進(jìn)大數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)樣本學(xué)習(xí)、模糊處理質(zhì)量，利用大數(shù)據(jù)算法，對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，進(jìn)一步提高服務(wù)的針對性、精準(zhǔn)度。