殷成武 郭然

摘要 在智慧林業(yè)背景下，全面了解香榧的生長習性是實現(xiàn)其種植精細化管理的基礎。香榧種植大數(shù)據(jù)平臺采用以STC12C5A60S2芯片為核心的控制箱，采集香榧種植氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)接入方式將數(shù)據(jù)轉發(fā)到云端大數(shù)據(jù)平臺進行統(tǒng)計分析，最終通過數(shù)據(jù)可視化大屏展示數(shù)據(jù)分析結果。香榧種植大數(shù)據(jù)平臺能夠實現(xiàn)香榧種植環(huán)境信息實時監(jiān)測，可節(jié)省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

關鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；香榧種植；實時監(jiān)測 ；智慧林業(yè)

中圖分類號 S727.33；F326.13 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）03-0099-04

物聯(lián)網(wǎng)技術推動生產(chǎn)生活和社會管理方式朝智能化、精細化和網(wǎng)絡化方向轉變。在林業(yè)種植中使用物聯(lián)網(wǎng)技術，推動智慧林業(yè)建設，有利于林業(yè)的精細化管理，提高林業(yè)資源管理效率。香榧為榧樹屬植物，是經(jīng)人工嫁接培育而成的優(yōu)良栽培種，集果用、樹用、美容和藥用等價值于一身，在安徽、江蘇和浙江等地種植較多。其生長對氣候和土壤要求較高，而粗放式管理易造成植株成活率低、產(chǎn)量增速較慢等問題。因此，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，采用標準化、精細化管理模式對香榧林業(yè)種植發(fā)展具有重要意義。

本研究通過使用傳感器對香榧林的種植氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接入的方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，設計大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)香榧種植環(huán)境信息實時監(jiān)控和可視化展示，推動香榧林業(yè)發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)需求

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下。（1）采集香榧林種植環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可采集包括光照度、某一段時間內的降水量、空氣溫濕度、氣壓、土壤溫濕度以及二氧化碳（CO）濃度等環(huán)境信息。（2）提供可視化數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過香榧種植大數(shù)據(jù)可視化平臺，對傳感器收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并以圖、表的形式展示出來，可為香榧種植產(chǎn)業(yè)投資者、決策者、經(jīng)營者及科研人員提供數(shù)據(jù)支持。（3）管理監(jiān)測設備。企業(yè)管理員、園區(qū)管理員等通過Web管理系統(tǒng)，可以對各個園區(qū)的樹木、監(jiān)測設備進行管理。

1.2 系統(tǒng)架構

基于以上功能，本系統(tǒng)將整體工作劃分為3個層次：感知層、平臺層和應用層，如圖1所示。該系統(tǒng)以平臺層為核心，感知層主要包含用來檢測光照、水分等影響香榧生長的環(huán)境因素的各類傳感器。平臺層負責數(shù)據(jù)存儲、處理和展示；根據(jù)需求設計核心算法完成數(shù)據(jù)融合、知識提?。煌瓿善脚_的角色管理、權限管理；搭載數(shù)值擬合校正服務。應用層負責與用戶的交互以及展示決策算法結果。香榧種植系統(tǒng)以含有STC12C5A60S2芯片的控制箱為核心，利用日照傳感器、百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器等進行實時采集。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳輸?shù)娇刂葡??？刂葡洳捎靡蕴W(wǎng)接入的方式，將采集卡接入互聯(lián)網(wǎng)，部署云平臺，最終數(shù)據(jù)會在香榧種植系統(tǒng)大數(shù)據(jù)展示平臺上以圖或表的形式進行展示，系統(tǒng)會及時對異常數(shù)據(jù)發(fā)出預警，實時監(jiān)控種植環(huán)境，實現(xiàn)精細化管理。

2 系統(tǒng)詳細設計

該系統(tǒng)的詳細設計包括硬件設計和大數(shù)據(jù)平臺設計。硬件設計包括控制箱結構設計、傳感器選型和數(shù)據(jù)通信協(xié)議設計，并基于林區(qū)的實際環(huán)境，對控制箱進行防潮與防爆的設計。大數(shù)據(jù)平臺設計包括數(shù)據(jù)處理、Web管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)展示平臺以及移動客戶端設計。

2.1 硬件設計

2.1.1 控制箱結構設計? 控制箱的主要任務是采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定的協(xié)議格式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。同時，控制箱也負責現(xiàn)場傳感器故障、用電故障以及數(shù)據(jù)通信故障的初步判定。基于以上功能并考慮控制箱的可靠性和耐用性，采用防水控制箱，抱箍設計，內部結構如圖2所示。

控制箱內部自制電路板，主要負責信息的采集及傳輸。采用RS-485集線器，實時傳輸香榧種植基地的環(huán)境信息。

自制電路由STC12C5A60S2最小系統(tǒng)、RS-485芯片組成的穩(wěn)壓電路和Led（發(fā)光二極管）電路組成，并以端子模塊連接虛擬控制中心（VCC）與穩(wěn)壓電路。STC12C5A60S2的單片機具有高性能處理能力，支持多種低功耗模式，可有效降低功耗，具備高精度的計時能力。

RS-485集線器是一種內部采用雙核、無休設計的RS-485總線分割集線器。RS-485接口端采用光電隔離技術，防止雷擊浪涌引入轉換器及設備，內置光電隔離及1 500 W浪涌保護電路，能夠提供2 500 V的隔離電壓，同時可以有效防止雷擊和共地干擾，供電采用外接開關電源供電。

2.1.2 傳感器選型? 數(shù)據(jù)采集主要集中在土壤和氣候環(huán)境信息的采集。土壤的采集參數(shù)包括土壤pH值、土壤電導率和土壤溫濕度，而氣候環(huán)境的采集包括空氣溫濕度、大氣壓力、CO含量、降水量、日照時長、風速以及風向等。由于所有傳感器部署地和采集終端之間的距離一般超過2 m，因此選用RS-485輸出方式的傳感器。不銹鋼單翻斗式雨量計結構相對簡單，通過測量自身翻動次數(shù)，可以確定某一時段內的降水量、降水強度和降水時間等。其在精準測量降水量的同時，具有較好的耐腐蝕性，可以在惡劣的氣候條件下持久使用，適應性較強，可以用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)環(huán)境監(jiān)測等領域。待傳感器傳回云端數(shù)據(jù)后，專家根據(jù)香榧樹的生長情況以及光照、溫度、氣壓和土壤礦物質含量來確定香榧樹的最宜澆水時段和最佳澆水量，確保植物處于水分充足的環(huán)境中，減少植物的葉片、枝干出現(xiàn)干枯、凋零和衰老的情況。

在氣候環(huán)境監(jiān)測中，因百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器具有高靈敏度、高精度以及測量范圍寬、傳輸距離遠等特點，選擇使用該一體傳感器感知香榧所處環(huán)境中光的強度、環(huán)境溫度、空氣濕度以及CO濃度。

因氣壓變送器具有較高的可靠性，能夠在長時間內提供穩(wěn)定的性能，故選擇使用氣壓變送器，監(jiān)測所處環(huán)境的大氣壓力。選擇使用不銹鋼單翻斗式雨量計確定某一時段內的降水量、降水強度和降水時間等。

在土壤環(huán)境監(jiān)測中，選擇使用土壤溫濕度+鹽分+土壤電導率（EC值）傳感器，監(jiān)測所處環(huán)境土地的溫濕度、電導率；選擇使用pH值+電導率+溫濕度傳感器，監(jiān)測所處環(huán)境土地的pH值。

2.1.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設計? 每個傳感器都有對應地址，采用485通信協(xié)議可實現(xiàn)傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于485-RTU的協(xié)議包含主模式和從模式，均需要主機查詢從機，不存在主動上報的方式，所以標準的485-RTU格式難以滿足該系統(tǒng)的需要。因此，數(shù)據(jù)通信協(xié)議設計至關重要。

2.1.4 控制箱防潮設計與防爆設計? 香榧樹的林區(qū)處于林木眾多、濕氣相對較重的環(huán)境中。因此，需要從印制電路板（PCB板）制作、設備結構等多方面考慮，以滿足設備防火、防潮的要求。針對防潮設計，使用環(huán)氧樹脂灌封膠將PCB板關鍵部位包裹住，從而起到防水、防潮、防煙霧、防霉菌、抗震以及抗外力沖擊等效果，灌封后能實現(xiàn)對電路板的全方位保護，極大提高電路板的使用壽命。該系統(tǒng)將監(jiān)測土壤溫濕度+鹽分+EC值的傳感器以環(huán)氧樹脂密封膠灌封，使傳感器可以直接埋入土壤中使用。設置電路過流、過壓檢測，發(fā)生短路、斷路等情況時自動進入休眠狀態(tài)，并提前預警。針對防爆設計，使用變壓器、安全柵等防爆電氣隔離環(huán)節(jié)，并采用符合防爆標準的硬件設備。該系統(tǒng)使用的百葉箱型溫濕度照度CO一體傳感器和pH值+電導率+溫濕度傳感器均符合防爆標準，可在有爆炸危險的環(huán)境中使用。

2.2 大數(shù)據(jù)平臺設計

該系統(tǒng)的工作流程：首先，通過傳感器采集氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)；其次，通過以太網(wǎng)接入云端大數(shù)據(jù)平臺，云平臺將收集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析；最后，通過可視化大屏將統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)進行展示。針對以上工作流程對香榧種植大數(shù)據(jù)平臺進行軟件設計，主要包括對數(shù)據(jù)處理方式、Web管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)展示平臺以及移動客戶端設計。

2.2.1 數(shù)據(jù)處理? 針對大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的關聯(lián)性、動態(tài)性和多源異構性等特點，對其進行標準化的融合處理。該系統(tǒng)從構建標準數(shù)據(jù)集的角度進行大數(shù)據(jù)多粒度融合，通過構建統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元來支持多模態(tài)特征融合和多種類型、結構數(shù)據(jù)集的封裝融合。首先，對采集的香榧相關數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)集成和特征提取，抽取出數(shù)據(jù)中的不同特征，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)相關的位置屬性、時間空間關聯(lián)屬性和其他觀測屬性的特征描述。其次，通過元數(shù)據(jù)定義方法和JSON數(shù)據(jù)交換技術（JavaScript Object Notation，JS對象簡譜），實現(xiàn)不同種類的統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元定義，對每一類統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元進行基本信息和各類屬性定義和描述。最后，針對不同的挖掘計算服務模型，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)適配。

在香榧種植大數(shù)據(jù)處理總體架構和數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一數(shù)據(jù)單元基礎上，進行了香榧種植大數(shù)據(jù)計算的微服務設計。針對香榧種植大數(shù)據(jù)處理的特點，將服務層中的微服務分為3類，數(shù)據(jù)微服務簇負責從UDU標準數(shù)據(jù)集中進行數(shù)據(jù)獲取、同步和更新等操作；計算微服務簇從多模式計算框架和多類計算模型2個維度進行挖掘分析服務的統(tǒng)籌設計；流程微服務簇負責數(shù)據(jù)微服務、計算微服務的協(xié)同處理，同時對系統(tǒng)組件的配置管理和調度進行支持[6]。

2.2.2 Web管理系統(tǒng)設計? 物聯(lián)網(wǎng)平臺選擇基于Spring Cloud的微服務架構開發(fā)模式，采用Nacos服務端注冊中心和配置中心為微服務的動態(tài)發(fā)現(xiàn)和服務管理提供支持，網(wǎng)關使用Gateway技術，采用Sentinel作為熔斷機制，Zipkin進行鏈路追蹤，日志采用ELK方式（Elasticsearch、Logstash和Kibana，日志鏈路分析架構技術總棧），監(jiān)控中心使用SpringBootAdmin。這種基于微服務架構的模式有利于資源重復利用，提高開發(fā)效率。

2.2.3 大數(shù)據(jù)展示平臺設計? 香榧種植大數(shù)據(jù)展示平臺采用AntDesign框架進行開發(fā)，在數(shù)據(jù)分析中引入Echarts組件作為圖表可視化工具。平臺分為環(huán)境監(jiān)測模塊、預警信息模塊和園區(qū)數(shù)據(jù)展示模塊。

園區(qū)數(shù)據(jù)展示模塊展示香榧種植園區(qū)數(shù)量以及園區(qū)內監(jiān)測設備數(shù)量。環(huán)境監(jiān)測模塊展示通過傳感器監(jiān)測的日照、降水量、氣象和土壤信息。預警信息模塊以折線圖的方式展示總預警次數(shù)、已處理預警與誤報預警數(shù)量之間的關系，方便香榧種植產(chǎn)業(yè)科研人員進行數(shù)據(jù)關聯(lián)和對比。

大數(shù)據(jù)可視化平臺建立了“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”的管理機制，有助于實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的科學決策，可為香榧種植產(chǎn)業(yè)投資者、決策者、經(jīng)營者及科研人員提供服務。

2.2.4 移動客戶端設計? 移動端主要分為工作中心、預警中心、巡查記錄和個人中心4個模塊。工作中心模塊以直方圖的形式展示系統(tǒng)內環(huán)境參數(shù)的總預警數(shù)與已處理預警、待處理預警、誤報預警數(shù)量之間的關系，在預警中心模塊可填寫預警詳情報告單，對產(chǎn)生的預警進行處理。

3 結語

為解決香榧造林成活率低等問題，構建香榧種植大數(shù)據(jù)平臺，并在香榧種植基地進行實地測試，結果表明，該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測香榧種植土壤和氣候等環(huán)境信息，有利于進一步了解香榧的生長習性，提高香榧造林成活率。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與展示的基本功能，還利用人工智能分析數(shù)據(jù)，把香榧種植的土壤參數(shù)、氣候環(huán)境參數(shù)以及人為干預的行為與香榧果木的生長以及掛果率整體關聯(lián)起來，可指導香榧林的科學管理，節(jié)省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧種植效益。

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（責編：王 菁）

作者簡介 殷成武（1981—），男，安徽舒城人，系統(tǒng)規(guī)劃與管理師，從事林業(yè)信息化建設和森林資源監(jiān)測工作。

收稿日期 2023-12-01