龍 瑤, 張 均

(1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 貴陽 551400; 2.貴州省廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司, 貴陽 550081)

隨著科技逐步發(fā)展以及三農(nóng)問題的凸顯,科技運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求越發(fā)明顯。農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求,農(nóng)民對(duì)生產(chǎn)效益的重視,設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)中有升,設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為農(nóng)民增收致富的重要渠道,成為多數(shù)地區(qū)的富民產(chǎn)業(yè),在推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、解決農(nóng)民就業(yè)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收方面發(fā)揮重要作用。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來,我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展快速,設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已居世界首位,多數(shù)省份地區(qū)已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)集聚區(qū)與優(yōu)勢(shì)區(qū)[1]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比,設(shè)施農(nóng)業(yè)具有受氣候影響小、生產(chǎn)季節(jié)基本不受限制、生產(chǎn)效益高、技術(shù)裝備化、過程科學(xué)化、方式集約化、管理現(xiàn)代化等特點(diǎn),是一種高投入高產(chǎn)出、資金、技術(shù)、勞動(dòng)力密集型的產(chǎn)業(yè)。但在生產(chǎn)實(shí)際中所表現(xiàn)出設(shè)施生產(chǎn)機(jī)械化率在35%左右,設(shè)施番茄、黃瓜產(chǎn)量為10～30 kg/m2,番茄(黃瓜)用水量高達(dá)40～50 L/kg,有67%左右的園藝設(shè)施還處于設(shè)施和生產(chǎn)都沒有規(guī)范的狀態(tài),設(shè)施和生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化程度的占比不到1%等狀況,側(cè)面反映出設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然存在機(jī)械化水平低,產(chǎn)量低、資源利用率不高,標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)藝流程缺乏等問題[2-4],制約著設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和綜合生產(chǎn)能力的提升。

2 大數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)代通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的運(yùn)用

農(nóng)業(yè)信息化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要手段。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有體量大、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、復(fù)雜多變等特點(diǎn),大數(shù)據(jù)計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)有效的信息資源整合,能夠?qū)⒑Ａ啃畔⑦M(jìn)行采集、儲(chǔ)存和分析處理,拓展傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的局限性,方便農(nóng)業(yè)信息資源的共享和利用;大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠從龐大的數(shù)據(jù)體量中尋找和挖掘出有價(jià)值的數(shù)據(jù),精準(zhǔn)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遇到的問題。但目前農(nóng)業(yè)信息化在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上還存在環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)處于“只監(jiān)不控”的狀態(tài),缺少針對(duì)性控制策略,環(huán)境因子數(shù)據(jù)未能及時(shí)處理分析等問題[5]。

3 解決設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中存在問題的對(duì)策

3.1 構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建,聚焦探究傳統(tǒng)作物研究數(shù)據(jù)采集滯后殘缺、費(fèi)時(shí)費(fèi)力及環(huán)境檢測(cè)判斷不精準(zhǔn)等問題,對(duì)農(nóng)作物整個(gè)生長(zhǎng)周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和干預(yù)研究。通過傳感器技術(shù)應(yīng)用,部署相關(guān)檢測(cè)儀器設(shè)置閥值配合傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析和干預(yù)。通過比對(duì)分析同周期作物生長(zhǎng)差異,探索作物生長(zhǎng)的影響因子(圖1)。

圖1 系統(tǒng)圖

3.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于試驗(yàn)基地環(huán)境進(jìn)行搭建,通過在多個(gè)樣本環(huán)境部署前端傳感設(shè)備,設(shè)定采集規(guī)則,將探知的因子數(shù)據(jù)傳給服務(wù)端進(jìn)行存儲(chǔ),調(diào)用系統(tǒng)的分析模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理(圖2)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)上,主要針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)兩個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在樣本大棚構(gòu)建上,通過在傳統(tǒng)大棚的基礎(chǔ)上加裝電動(dòng)機(jī)械控制單元,根據(jù)探知數(shù)據(jù)的分析結(jié)果對(duì)棚內(nèi)的光照、溫度、水量、通風(fēng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制,從而對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行干預(yù)。

3.1.2詳細(xì)設(shè)計(jì)

主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)和作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)兩個(gè)主要子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。環(huán)境中的光溫水氣等因素會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育,對(duì)主要環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集,是制定科學(xué)的田間管理制度、適時(shí)科學(xué)進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和自動(dòng)化生產(chǎn)中,作物長(zhǎng)勢(shì)判斷,需要以對(duì)作物生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和在栽培管理中及時(shí)采取措施干預(yù)調(diào)整。

1) 環(huán)境監(jiān)測(cè)。主要是對(duì)設(shè)施內(nèi)環(huán)境的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、CO2濃度等指標(biāo)以及土壤環(huán)境中土壤含水量、土壤溫度、氮磷鉀含量、土壤電導(dǎo)率、土壤pH值等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

光照強(qiáng)度和溫濕度監(jiān)測(cè)可以采用光照強(qiáng)度、溫濕度等相對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行實(shí)現(xiàn),光照度傳感器可以監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的光照強(qiáng)度信息,溫濕度傳感器可以采集內(nèi)環(huán)境溫濕度變化指標(biāo),并通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳送到計(jì)算機(jī)控制中心,設(shè)施管理人員可以通過傳感器測(cè)量數(shù)據(jù),來確定是否需要增加或減少光照度、溫濕度等指標(biāo)參數(shù),使光照強(qiáng)度、溫濕度達(dá)到作物的最佳生長(zhǎng)配置,提高作物光合作用的速率,提高作物的產(chǎn)量。

在設(shè)施農(nóng)業(yè)中,可利用CO2在線檢測(cè)儀檢測(cè)空氣中的CO2含量,并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以便及時(shí)知曉和掌握CO2氣體濃度變化,確保環(huán)境CO2濃度滿足作物不同生長(zhǎng)時(shí)期的需求。CO2作為必要物質(zhì),是植物進(jìn)行光合作用的主要原料,是參與暗反應(yīng)的重要物質(zhì),會(huì)直接影響到植物正常生長(zhǎng)發(fā)育以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的累積。設(shè)施由于通風(fēng)問題,可能會(huì)造成CO2濃度過低以及光合作用減弱的情況發(fā)生,導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。因此,需要在設(shè)施內(nèi)設(shè)立CO2濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn),確保CO2濃度在一定的水平,一旦低于此水平,可以采取人工干預(yù)的手段,開啟CO2發(fā)生器。

在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)方面,在每一塊樣本區(qū)內(nèi),垂直挖大約20 cm深的坑,將土壤綜合傳感器探針?biāo)讲迦肟觾?nèi)參照周圍土況用樣本土填埋壓實(shí)。土壤綜合傳感器可以監(jiān)測(cè)土壤水分、溫度、電導(dǎo)率、酸堿度、氮磷鉀含量等多項(xiàng)參數(shù),通過設(shè)置電位器閥值,當(dāng)檢測(cè)指標(biāo)參數(shù)低于設(shè)定值時(shí),輸出高電平,高于設(shè)定值時(shí),輸出低電平,從而將信號(hào)傳導(dǎo)回平臺(tái)。

2) 作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。采用布置安裝農(nóng)情監(jiān)測(cè)相機(jī),在近景上監(jiān)控作物莖稈、葉片微變化、果樹葉片、果實(shí)微變化,結(jié)合生長(zhǎng)模型判斷生長(zhǎng)階段及病蟲害情況,智能化水肥供給,預(yù)測(cè)成熟期及產(chǎn)量。拍攝葉片特征及葉片上害蟲特征,人工智能識(shí)別病害類型、蟲害類型、發(fā)生程度,智能推薦防治藥物和方法。采集果實(shí)莖稈采摘區(qū)域近景圖像,對(duì)采摘點(diǎn)進(jìn)行定位,及時(shí)掌握果實(shí)成熟情況,適時(shí)采摘。同時(shí),還可采用遠(yuǎn)距離清晰拍攝,全面監(jiān)控作物生長(zhǎng)環(huán)境。

3.2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

軟件服務(wù)采用“本地+云端”的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)建,本地業(yè)務(wù)流程在監(jiān)測(cè)感知設(shè)施構(gòu)建的基礎(chǔ)上,基于STM 32芯片對(duì)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行設(shè)計(jì),將傳感設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過與預(yù)設(shè)閾值的比較與本地聲光預(yù)警模塊、設(shè)施控制模塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。同時(shí),將本地傳感設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚存儲(chǔ),通過在本地設(shè)計(jì)部署經(jīng)量化數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)在本地即可監(jiān)測(cè)和管理設(shè)備。

在云端數(shù)據(jù)中心,通過租用第三方云計(jì)算中心服務(wù)能力,以VPN的方式打通與本地?cái)?shù)據(jù)中心的連接,從而實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)源的無縫對(duì)接。借助云端多數(shù)據(jù)源靈活的支持能力,數(shù)據(jù)庫支持MySQL、SQLServer、Oracle、Excel/Csv等數(shù)據(jù)表以拖拉拽式交互操作方式靈活對(duì)接(圖3)。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

通過調(diào)用云端云開發(fā)功能模塊,安裝擴(kuò)展能力組件調(diào)用云上的商業(yè)智能分析BI資源,完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、用戶管理、系統(tǒng)管理整體可視化菜單的開發(fā)構(gòu)建從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)探查、報(bào)表制作等一系列數(shù)據(jù)可視化操作。

4 小 結(jié)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要目標(biāo)在于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物生長(zhǎng)的不確定性會(huì)影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量,因此作物整個(gè)生育周期對(duì)于環(huán)境指標(biāo)和生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要,也是采取必要農(nóng)業(yè)管理措施的主要參考。本文根據(jù)實(shí)際需要,通過采用大數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合參與到設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和自動(dòng)化,及時(shí)掌握植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子情況,根據(jù)不同作物生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn),在事前事中事后及時(shí)干預(yù),制定有效的栽培方案,及時(shí)調(diào)整栽培手段,收獲后及時(shí)改良栽培環(huán)境,以利于適時(shí)安排下一茬種植。同時(shí),終端由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理,方便操作,減少了過多的人力成本,增加了設(shè)施農(nóng)業(yè)管理的系統(tǒng)化和整體性。