程 楊，唐維超，唐 謙，刁 源，周廣文，武 崢，游雙艷，陳 平，楊世勇，馬 強*

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶 401329；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 404000）

物聯(lián)網(wǎng)云平臺是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，按照邏輯可以分為設(shè)備管理平臺（DMP）、連接管理平臺（CMP）、應(yīng)用使能平臺（AEP）和業(yè)務(wù)分析平臺（BAP）四大平臺類型?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”是充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的跨界融合，創(chuàng)新基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品、新模式與新業(yè)態(tài)［1］。以“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”為驅(qū)動，有助于發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、精細農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力，實現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型［2］。國外的“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”主要面向農(nóng)業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用及管理的方向進行創(chuàng)新，偏向于技術(shù)驅(qū)動。目前，國內(nèi)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”主要集中在農(nóng)資與農(nóng)產(chǎn)品交易領(lǐng)域，特別是商業(yè)運營，偏向于運營驅(qū)動。經(jīng)過多年實踐，我國“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”已形成農(nóng)產(chǎn)品電商、產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)、專業(yè)合作社服務(wù)商、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、土地流轉(zhuǎn)電商、農(nóng)資電商等多種運營模式，但國內(nèi)大多數(shù)智慧農(nóng)業(yè)平臺既不能完整耦合產(chǎn)業(yè)鏈，又不能有效進行一二三產(chǎn)業(yè)融合，針對技術(shù)支撐和精準推廣的“產(chǎn)業(yè)化+技術(shù)型驅(qū)動”平臺更是欠缺。

重慶市擁有適宜柑橘生長的條件，是全國三大晚熟柑橘產(chǎn)區(qū)之一。柑橘產(chǎn)業(yè)位居重慶市特色水果產(chǎn)業(yè)之首，是重慶市助推精準脫貧和實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支柱產(chǎn)業(yè)。至2020年柑橘實現(xiàn)十四年增，面積達到24.82 萬公頃，產(chǎn)量358.2 萬噸，面積和產(chǎn)量躍居全國第五、七位［3］。然而，重慶柑橘生產(chǎn)上以傳統(tǒng)種植模式居多，主要面臨以下3個方面的問題：1）全市柑橘種植面積雖多，但基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智慧柑橘種植技術(shù)應(yīng)用極少，管理水平較低。2）種植戶規(guī)模較小，生產(chǎn)技術(shù)較落后，大量使用傳統(tǒng)化肥農(nóng)藥，土地和果品污染問題加劇。3）柑橘種植設(shè)施落后，產(chǎn)量和品質(zhì)無法有效提升，產(chǎn)業(yè)鏈延伸困難。

為此，本文設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的柑橘智慧種植服務(wù)系統(tǒng)（以下簡稱“本系統(tǒng)”），緊緊圍繞提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈的目標，以流程化作物栽培為主線，結(jié)合生產(chǎn)計劃，管理及病蟲害防治的云端農(nóng)場管理，打通數(shù)據(jù)流動的通道，將數(shù)據(jù)服務(wù)延伸到田間地頭，解決用戶痛點問題及行業(yè)技術(shù)矛盾，著力于加強用戶體驗及其工具屬性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的打通和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的改善，為柑橘種植大戶、專業(yè)合作社和企業(yè)提供智慧柑橘種植服務(wù)，實現(xiàn)柑橘種植經(jīng)濟效益提升，為重慶柑橘產(chǎn)業(yè)的提檔升級提供強有力的信息化技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計方法

本系統(tǒng)以基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺為技術(shù)手段，以柑橘種植及病蟲害防治流程標準化為核心思路，通過將柑橘品種作為標靶，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的柑橘智慧種植服務(wù)系統(tǒng)，最終以生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)流形式，實現(xiàn)將柑橘生產(chǎn)各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)信息直接準確地推送給用戶。

1.1 基于AI建模的柑橘種植流程追蹤

AI（人工智能）建模是構(gòu)建基于各種算法的模型，目前AI算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法、模擬退火算法、群集智能蟻群算法和例子群算等。將成熟的柑橘種植方法與物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場環(huán)境采集設(shè)備相結(jié)合，建設(shè)標準數(shù)據(jù)庫，以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與流程引導(dǎo)的方式呈現(xiàn)給種植者，形成數(shù)據(jù)互動。種植者輸入柑橘品種和樹齡后，系統(tǒng)會結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境采集數(shù)據(jù)，通過AI建模的方式，主動向用戶提供種植流程。

1.2 基于機器深度學習的柑橘常見病蟲害檢測

機器深度學習（DeepLearning，DL）是人工智能的最核心技術(shù)之一，它是利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決特征表達的一種學習過程。將常見柑橘病蟲害的圖譜及防治方法，與市面主流藥物品種加以結(jié)合，對接蟲情現(xiàn)場測報數(shù)據(jù)，通過機器深度學習形成智能系統(tǒng)，給予種植者預(yù)防、防治方面的有效引導(dǎo)。

1.3 基于多種數(shù)據(jù)的柑橘種植工藝流程建模

根據(jù)柑橘種植工藝流程中不同渠道來源信息數(shù)據(jù)構(gòu)建AI模型，重點以柑橘種植數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)柑橘的不同生長階段，融入環(huán)境管理、水肥管理、日常管理等農(nóng)技數(shù)據(jù)，形成完整的種植工藝數(shù)據(jù)建模。

1.4 基于面向柑橘技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)綜合運用與服務(wù)架構(gòu)

以柑橘行業(yè)數(shù)據(jù)模型及知識庫為依托，綜合運用數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)推送等技術(shù)，實現(xiàn)在多用戶并發(fā)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)連接、運算、響應(yīng)及推送問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計目標和結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

本系統(tǒng)以柑橘種植技術(shù)指導(dǎo)為切入點，面向柑橘種植大戶、專業(yè)合作社和企業(yè)提供準確的種植技術(shù)支撐、農(nóng)事咨詢、農(nóng)機農(nóng)藥數(shù)據(jù)互通、農(nóng)業(yè)貸款指導(dǎo)等服務(wù)，面向管理部門提供產(chǎn)區(qū)數(shù)據(jù)、種植大數(shù)據(jù)、農(nóng)資及農(nóng)副產(chǎn)品和農(nóng)村勞動力供求缺口導(dǎo)向統(tǒng)計等服務(wù)，面向流通領(lǐng)域提供質(zhì)量溯源、質(zhì)量評價等服務(wù)，從而形成針對重慶地區(qū)柑橘產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的完整產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)服務(wù)體系，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的柑橘種植生產(chǎn)服務(wù)與質(zhì)量管理系統(tǒng)（見圖1）。

本系統(tǒng)開發(fā)目是以提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈為最終目標，主要解決4 個問題：1）基于柑橘種植生長模型，結(jié)合柑橘品種、樹齡和種植地理地貌信息、信息傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建柑橘發(fā)育階段的實時柑橘生產(chǎn)優(yōu)化模型，并完成具有針對性的柑橘種植計劃設(shè)定。2）基于人工智能模型和深度學習方法，結(jié)合柑橘病蟲害探測物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計全自動的病蟲害檢測、識別、輔助診斷系統(tǒng)。3）搭建柑橘種植周期的日常跟蹤式智慧服務(wù)平臺。4）搭建與柑橘種植技術(shù)相關(guān)的全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)平臺。

2.2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的種植生產(chǎn)服務(wù)與質(zhì)量管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)以信息化手段為依托，遵循國際、國內(nèi)現(xiàn)有標準體系，利用信息化技術(shù)，以SaaS 模式打造支撐智慧柑橘種植服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過在云平臺部署“生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)”“蟲情預(yù)警防控系統(tǒng)”“農(nóng)技指導(dǎo)系統(tǒng)”等，實現(xiàn)育種、栽培、養(yǎng)護的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過物聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)統(tǒng)計分析及生長模式的定向分析、建設(shè)完善的生長模型，為企業(yè)提供生產(chǎn)指導(dǎo)支撐，實現(xiàn)種植的數(shù)字化、標準化、科學化、智能化的生產(chǎn)管理。緊緊圍繞開發(fā)本系統(tǒng)最終目標進行架構(gòu)搭建，將系統(tǒng)設(shè)計成柑橘種植智能決策模塊、病蟲害防控模塊和技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助模塊等3個相互獨立的結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

除圍繞提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈的最終目標外，本系統(tǒng)還緊密聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理、土壤墑情探測、氣候監(jiān)測、蟲情防控預(yù)警、作物光譜分析等系統(tǒng)功能需求，構(gòu)建柑橘種植智能決策、病蟲害防控和技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助等相互獨立的模塊。

3.1 柑橘種植智能決策模塊

基于柑橘種植生長模型對柑橘生長規(guī)律和產(chǎn)量的定向及動態(tài)分析，結(jié)合生理階段模型、光合生產(chǎn)模型、呼吸作用模型、干物質(zhì)積累模型，以及現(xiàn)有的設(shè)施栽培技術(shù)和農(nóng)技農(nóng)藝技術(shù)，制訂基于專家系統(tǒng)評判的柑橘日常管理和環(huán)境管理種植計劃，從而提高柑橘種植管理水平。

通過跟蹤調(diào)研實地種植區(qū)域，搜集整理現(xiàn)代栽培技術(shù)，建立柑橘種植階段數(shù)據(jù)庫、種植工藝標準庫、病蟲害特征庫。結(jié)合環(huán)境因子、作物因子、病蟲害規(guī)則、生長模型參數(shù)，通過針對環(huán)境實時數(shù)據(jù)的分析，基于前期形成的柑橘生長模擬模型（見圖2），生成實時用戶反饋數(shù)據(jù)，指導(dǎo)用戶生產(chǎn)工作。

通過建立物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)指導(dǎo)、病蟲害監(jiān)控預(yù)警、可視化監(jiān)控、衛(wèi)星遙感光譜分析等技術(shù)手段，實時采集種植基地內(nèi)環(huán)境及氣象數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、土壤水分、土壤溫度、光照強度、風速、風向、雨量等，結(jié)合AI算法評估，生成生產(chǎn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫及種植數(shù)據(jù)支撐體系（見圖3），輔助管理人員更好地實施生產(chǎn)控制。

3.2 病蟲害防控模塊

基于人工智能模型和深度學習方法，結(jié)合柑橘種植病蟲害探測物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計全自動的病蟲害檢測、識別、輔助診斷，制訂基于專家系統(tǒng)評判的柑橘病蟲害防治措施，從而優(yōu)化柑橘生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

病蟲害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的引入，可以為作物生長提供不間斷的監(jiān)測和預(yù)測，有效減少病蟲害帶來的損失，該系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅在于自動收集和存儲病蟲害的數(shù)據(jù)，還可以實時將信息數(shù)據(jù)上傳到控制平臺，進行智能分析，管理人員可以遠程識別田間的病蟲害，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，及時做好防控措施，盡快減少生產(chǎn)損失。

圖2 柑橘生長模擬模型

圖3 生產(chǎn)智能決策算法

基于計算機視覺和智能識別原理，針對柑橘不同發(fā)育階段的病蟲害特點，在可見光范圍內(nèi)，結(jié)合病斑區(qū)域的顏色、紋理、形狀等特征，利用不同環(huán)境、發(fā)病時期、品種壓力下病害癥狀的多樣性和特異性，搭建基于深度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主動學習指導(dǎo)下的柑橘作物病蟲害檢測、識別、輔助診斷平臺。

3.3 技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助模塊

基于搭建柑橘種植周期日常跟蹤式智慧服務(wù)和柑橘種植技術(shù)相關(guān)全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)，結(jié)合柑橘種植產(chǎn)業(yè)化服務(wù)需求，構(gòu)建基于柑橘全產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)體系，從而延伸柑橘種植產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。該模塊下設(shè)5 個分模塊（見圖4）。1）農(nóng)產(chǎn)品溯源板塊：實現(xiàn)種植基地生產(chǎn)信息（播種、施肥、施藥、除草、采摘等）的實時數(shù)據(jù)采集及實時視頻采集，為信息化管理和源頭追溯提供實時數(shù)據(jù)化、可視化的支撐；2）農(nóng)技學習板塊：由權(quán)威專家以視頻方式就技術(shù)和政策指導(dǎo)實況展示；3）農(nóng)資產(chǎn)品板塊：通過AI分析，將近期生產(chǎn)需求與周邊相關(guān)農(nóng)資店鋪實際庫存進行對比，針對相關(guān)農(nóng)資產(chǎn)品如化肥、農(nóng)藥、小型機械和相關(guān)廠家進行實時推送；4）農(nóng)業(yè)貸款板塊：含農(nóng)業(yè)貸款產(chǎn)品種類及優(yōu)勢推送、周邊農(nóng)業(yè)合作社分布、成功案例咨詢等；5）產(chǎn)品銷售板塊：實時發(fā)布企業(yè)自身相關(guān)采購信息。

4 結(jié)語

目前，我國農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，面臨著農(nóng)村勞動力缺失、傳統(tǒng)生產(chǎn)方式效率低下、標準化生產(chǎn)程度低等突出問題，亟需設(shè)計構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范管理服務(wù)平臺，以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化監(jiān)控與精細化管理水平，從而達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效的目標［4］。2016年中央一號文件明確提出要大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)，推動農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈改造升級［5］。經(jīng)過多年實踐應(yīng)用，我國“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”已經(jīng)形成了農(nóng)產(chǎn)品電商、產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)、專業(yè)合作社服務(wù)商、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、土地流轉(zhuǎn)電商、農(nóng)資電商等多種運作模式。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一個充分運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺，是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”重要實踐模式，可以對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進行數(shù)字化監(jiān)控管理，能有效降低產(chǎn)品成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，打造一個共創(chuàng)、共享、共贏“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”良性發(fā)展的生態(tài)圈。

本系統(tǒng)作為面向設(shè)施農(nóng)業(yè)柑橘種植的系統(tǒng)，把標準種植數(shù)據(jù)模型進行引入，同時詳細設(shè)計了有關(guān)種植的數(shù)據(jù)類型與影響因子，從物聯(lián)網(wǎng)獲取實時環(huán)境數(shù)據(jù)加以建模輔助。從軟件技術(shù)創(chuàng)新的角度講，設(shè)計涵蓋了設(shè)施類型、品種、工藝、計劃、天氣及價格的設(shè)施生產(chǎn)綜合數(shù)據(jù)模型，并研究了如何獲取有效種植數(shù)據(jù)的工具及方法。從農(nóng)業(yè)角度講，使用了一系列標準化及模型化思想，將松散的農(nóng)業(yè)資料有機結(jié)合，形成終端用戶個性化的指導(dǎo)資料。從信息系統(tǒng)的角度講，建立了強大的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，具備從數(shù)據(jù)獲取，流通到應(yīng)用的完整框架。

圖4 柑橘種植產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈架構(gòu)

同時，本系統(tǒng)相關(guān)功能仍需不斷完善，特別是在進行全智能AI分析的基礎(chǔ)上，如何與柑橘水肥一體化系統(tǒng)進行無縫對接并實現(xiàn)自動調(diào)控等方面還未完全實現(xiàn)。未來需要進一步提高系統(tǒng)的智能化程度，以更好地服務(wù)于柑橘生產(chǎn)。