錢嘯,談孝鳳,江兆春,李學(xué)琳,彭順正

（1.羅甸縣郎當(dāng)種養(yǎng)殖專業(yè)合作社，貴州 羅甸 550100；2.北京金禾天成科技有限公司，北京 100000；3.貴州省植保植檢站，貴州 貴陽(yáng) 550006；4.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006）

掌握火龍果田間土壤養(yǎng)分變化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有助于揭示和明確火龍果生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分需求的規(guī)律。目前，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集作物田間養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化規(guī)律，分析研判作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分規(guī)律，對(duì)于提高作物精準(zhǔn)施肥及生產(chǎn)栽培具有重要意義。如楊秀增［1］基于物聯(lián)網(wǎng)搭建一套甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由田間節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心構(gòu)成。采集數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、光強(qiáng)、土壤濕度等參數(shù)，旨在研究環(huán)境參數(shù)與甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育的變化。張?zhí)遥?］綜合農(nóng)戶需求，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)、傳感器聯(lián)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警機(jī)制等模塊。劉智臣［3］提出一種農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)生產(chǎn)決策系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)采集生產(chǎn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，為企業(yè)生產(chǎn)者提供指導(dǎo)。這些系統(tǒng)均是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間環(huán)境參數(shù)變化，決策生產(chǎn)管理，旨在達(dá)到作物生產(chǎn)提質(zhì)增效。

目前，貴州主要從土壤肥力、地溫濕度變化模型、水肥配方、病蟲害預(yù)警等方面入手構(gòu)建火龍果果品提質(zhì)增效模型。但是，土壤肥力、地溫濕度等參數(shù)的采集均采用人工方法測(cè)定。根據(jù)火龍果作物生長(zhǎng)特性，果品提質(zhì)增效模型構(gòu)建所需研究的參數(shù)變化要求的時(shí)間周期跨度長(zhǎng)、測(cè)定的參數(shù)頻次多、試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致建模成本高昂。為壓縮建模成本，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集是最有效的方法。為構(gòu)建快速低廉的火龍果果品提質(zhì)增效模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的貴州山地火龍果園田間土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

火龍果園田間土壤養(yǎng)分采集系統(tǒng)（亦稱為火龍果提質(zhì)增效分析管理系統(tǒng)）分為硬件采集平臺(tái)和軟件分析平臺(tái)。硬件平臺(tái)部署在火龍果田間，負(fù)責(zé)采集田間土壤養(yǎng)分（包括土壤NPK、溫濕度等參數(shù)）數(shù)據(jù)；軟件分析平臺(tái)主要負(fù)責(zé)田間養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析等。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

為提高和優(yōu)化火龍果栽培提質(zhì)增效模型有效性及精準(zhǔn)度，需采集大量的土壤氮、磷、鉀、溫濕度等養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，并且實(shí)時(shí)掌握某個(gè)時(shí)間段內(nèi)各養(yǎng)分參數(shù)在火龍果栽培管理過程中實(shí)時(shí)變化規(guī)律。為此，根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)主要目標(biāo)是：

1）實(shí)時(shí)自動(dòng)采集火龍果園土壤氮、磷、鉀、溫濕度等參數(shù)。

2）系統(tǒng)采集周期為0.5 d采集1次，每天北京時(shí)間9：00及14：00準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)采集，并且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行90%以上，土壤養(yǎng)分參數(shù)檢測(cè)精度在99%以上。

3）系統(tǒng)能夠繪制連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化圖（包括折線圖和柱狀圖）。

4）系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查管理等。

1.2 系統(tǒng)硬件采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件采集平臺(tái)包括傳感器采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集傳輸控制設(shè)備、電源開關(guān)。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)部署 系統(tǒng)試驗(yàn)部署場(chǎng)地為貴州省羅甸縣郎當(dāng)合作社火龍果基地，處于高緯度、低海拔地區(qū)，園區(qū)地形分布為向陽(yáng)面陡坡，總面積約13.33 hm2。通過對(duì)園區(qū)地形勘測(cè)調(diào)查，綜合園區(qū)地形環(huán)境及坡度（勘測(cè)結(jié)果在40°以內(nèi)），綜合坡度及單位面積內(nèi)傳感器部署方案。具體部署如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)部署設(shè)置

1.2.2 采集平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件采集平臺(tái)機(jī)構(gòu)采用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器與云盒通訊互聯(lián)，通過配置云盒內(nèi)部串口訪問模式的遠(yuǎn)程訪問IP、端口號(hào)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)將采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上報(bào)到指定部署的軟件分析平臺(tái)服務(wù)器。采用銅芯4芯線連接云盒與土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器電源供應(yīng)及數(shù)字信號(hào)傳輸；采用抗電磁干擾的萬(wàn)能適配器為云盒供電。具體組織結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)

1.3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Spring MVC框架是目前Web應(yīng)用程序開發(fā)主流框架，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，易與其他平臺(tái)視圖框架無(wú)縫集成。開發(fā)流程簡(jiǎn)化，功能完備，是目前輕量級(jí)WEB應(yīng)用程序首選。

系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言開發(fā)，采用B/S架構(gòu)，采用Spring MVC框架開發(fā)設(shè)計(jì)，采用MySQL開發(fā)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。軟件分析平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)管理模塊、數(shù)據(jù)圖表繪制模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、設(shè)備管理模塊。系統(tǒng)功能框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

其中，土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理模塊功能主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)添加、修改、編輯、查詢和存儲(chǔ)功能，采用視圖、函數(shù)、存儲(chǔ)過程、事務(wù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，主要數(shù)據(jù)表包括用戶管理表user、NPK養(yǎng)分參數(shù)表NPK、土壤溫濕度表humiture、站點(diǎn)信息表等。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集控制模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，基于定時(shí)器和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。土壤養(yǎng)分圖表分析模塊實(shí)現(xiàn)繪制連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的各個(gè)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)變化曲線或柱狀圖，旨在快速掌握火龍果不同生長(zhǎng)階段對(duì)養(yǎng)分需求的變化規(guī)律，主要基于時(shí)間段位、站點(diǎn)、設(shè)備編號(hào)、查詢參數(shù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)作為組合查詢條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析。傳感器設(shè)備管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)指定站點(diǎn)信息、云盒名稱及其編號(hào)、型號(hào)等查詢，以備對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控；站點(diǎn)管理信息管理模塊旨在實(shí)現(xiàn)云盒設(shè)備信息追溯，管理信息包括云盒設(shè)備編號(hào)、類型、所述基地、安裝地址、IP及端口號(hào)等信息。

1.4 軟件分析平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通訊機(jī)制

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與軟件平臺(tái)通訊機(jī)制為進(jìn)入云盒參數(shù)配置界面，配置通訊模式為串口透?jìng)髂Ｊ剑⑴渲冒惭b部署軟件分析平臺(tái)的服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址及端口。保存配置重啟云盒，而后軟件分析平臺(tái)可通過定時(shí)器控制發(fā)送指定的數(shù)據(jù)采集指令給云盒，云盒執(zhí)行對(duì)其接入的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并上報(bào)反饋給軟件分析平臺(tái)。

2 系統(tǒng)功能演示

1）系統(tǒng)登陸。通過給定URL地址，在瀏覽器中輸入地址，進(jìn)入登錄界面，輸入用戶名及密碼，即可登陸（圖3）。

圖3 系統(tǒng)登陸界面

2）系統(tǒng)首頁(yè)展示。用戶登錄成功后，進(jìn)入首頁(yè)界面，界面包括系統(tǒng)設(shè)置、定時(shí)任務(wù)、個(gè)人中心、站點(diǎn)分布、基地站點(diǎn)、采集設(shè)備、溫濕度及NPK數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)容，選擇界面中的任意一個(gè)功能按鈕即可進(jìn)行操作（圖4）。

圖4 系統(tǒng)首頁(yè)

3）站點(diǎn)分布管理。點(diǎn)擊站點(diǎn)中心，輸入需查詢的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，進(jìn)入站點(diǎn)管理界面。從圖5中可知，可查詢到云盒的端口、IP地址、設(shè)備系列號(hào)、生產(chǎn)廠家、安裝地址、基地等信息，為用戶提供詳細(xì)資料。

圖5 站點(diǎn)管理

4）設(shè)備管理功能。點(diǎn)擊“采集設(shè)備”選項(xiàng)，進(jìn)入設(shè)備管理界面，選擇站點(diǎn)名稱、云盒設(shè)備名稱、云盒編號(hào)、設(shè)備型號(hào)、GIS定位坐標(biāo)信息等，然后點(diǎn)擊查詢即可獲取對(duì)應(yīng)信息（圖6）。

圖6 設(shè)備管理界面

5）土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)管理功能。在首頁(yè)進(jìn)入“溫濕度及NPK數(shù)據(jù)”菜單，選擇時(shí)間期間段、站點(diǎn)、云盒設(shè)備編號(hào)、查詢的數(shù)據(jù)參數(shù)指標(biāo)（包括N、P、K、溫濕度等）、數(shù)據(jù)采集通道數(shù)等信息。在界面中還可對(duì)信息進(jìn)行增刪、編輯、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作（圖7）。

圖7 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理

6）土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)圖表分析。首頁(yè)進(jìn)入“設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析”菜單界面，在下拉列表中輸入時(shí)間，站點(diǎn)，設(shè)備編號(hào)，數(shù)據(jù)，通道信息，選擇查詢功能按鈕即可進(jìn)行操作，選擇查詢按鈕后，即可查看相應(yīng)的土地溫度分析圖表信息，其中界面包括站點(diǎn)，設(shè)備，設(shè)備編號(hào)，數(shù)據(jù)類型，時(shí)間，采集通道，數(shù)據(jù)內(nèi)容（圖8）。

圖8 土壤溫度實(shí)時(shí)變化曲線界面

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為計(jì)算系統(tǒng)傳感器測(cè)定精度，采用手持氮磷鉀溫濕度檢測(cè)儀測(cè)定火龍果試驗(yàn)樣本主根基部20 cm為半徑的圓形區(qū)域相關(guān)養(yǎng)分參數(shù)（作為基準(zhǔn)參數(shù)），并與傳感器測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，以計(jì)算參數(shù)檢測(cè)精度。統(tǒng)計(jì)2021年4月1日至2021年12月31日期間系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)精度等指標(biāo)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行274 d，其中穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間為268 d，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為98.17%，系統(tǒng)測(cè)定氮、磷、鉀、溫度和濕度的精度分別達(dá)99.87%、99.89%、99.67%、99.95%和99.85%。系統(tǒng)性能完全滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求，該系統(tǒng)完全可以用于后續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)火龍果提質(zhì)增效模型。

4 小結(jié)

構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的火龍果田間土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)參考相關(guān)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，并針對(duì)節(jié)點(diǎn)部署方法、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)通訊機(jī)制、以及功能試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)各部分功能完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足實(shí)際應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)貴州山地火龍果提質(zhì)增效模型快速、低成本、高效率、高精度等優(yōu)化提供了理論技術(shù)基礎(chǔ)。