火龙果基地物联网系统及数据管理

■李 垚 杨 彬 赵国钰

随着物联网、传感和通信技术快速发展，现代果园的在线与动态监测系统正逐步应用，果园的数字化、信息化管理正逐步形成。利用物联网开展果园精细生产和品质管理，已成为一个重要的发展方向。

合庆火龙果产业基地位于浦东新区合庆镇朝阳村，结合上海电信5G技术，利用传感技术、射频技术、信息处理技术、网络传输技术等，进行信息采集、处理和传输，建成了一套火龙果产业基地的物联网系统。实践证明，该系统可以稳定可靠运行。

一、果园物联网系统的作用

（一）水果生长状态环境信息的感知。在大面积、区域化的果园中，水果的生长状态受到多种环境因素的影响。该系统可以跟踪和收集水果生长相关的多种信息，如果园的土壤温湿度、土壤pH值、土壤电导率、空气温湿度、风速、风向、光照、CO2浓度以及图像信息等。

（二）果园害虫种类与数量信息的智能远程监测。该系统能连续监测到黏纸上的害虫数量，并利用图像处理和机器学习算法进行害虫识别，以便对果园害虫及时、精准防治。

（三）果园的冻害监测预警。在现有水果冻害指标基础上，结合专家经验，实现了水果冻害的精准预测与及时预警。

（四）自动控制。系统可以自动控制喷水、喷药，也可以自动调节控制果园光照、通风。

（五）数据管理。对采集的传感器数据进行处理，对数据建模、预测，构建专家系统。

二、果园物联网监测技术的研究现状

近年来，研究人员围绕着物联网关键技术开展了大量的研究工作，有力地推动了物联网技术在果园的应用。

（一）物联网信息感知技术。信息感知技术是物联网系统实现环境信息透彻感知的关键技术。柳平增等人通过设计精准农业信息感知系统，实现了农田土壤温湿度、土壤pH值、土壤电导率、空气温湿度、风速、风向、光照、CO2浓度等环境信息的精准感知。王文山等人以物联网技术为基础，设计了果园环境信息监测系统，系统选用MSP430系列处理器。

（二）物联网传输技术。物联网传输技术是物联网系统实现数据稳定安全传输的核心技术。目前主流的数据传输方式有 ZigBee、GPRS、WIFI、LoRa和北斗等。李旭等基于无线传感网络的果园环境信息监测系统实现了对多种环境信息数据的实时收集、传输和上位机信息处理控制的自动化，具有及时、高效、准确、运行成本低等特点。该系统可用于分析果树的长势以及环境变化对果树的影响，从而进行综合环境监控和调节，为研究果树生长及时提供精准的环境信息。

（三）信息处理技术。信息处理技术是物联网系统实现数据分析处理和数据服务的基础。周国民等针对果园环境采集数据的交换和共享规范缺乏的问题，采用可变数据采集指标项的设计方法，在分析果园环境数据特点的基础上，提出了一种果园环境采集数据表示格式。姜猛等人以物联网技术和大数据技术为基础，研发了苹果树病虫害决策支持系统，实现了对果树病虫害的科学诊断、预测，为果农提供了预警、防控服务。

三、合庆火龙果产业基地物联网系统与数据管理

合庆火龙果产业基地物联网系统由感知层、网络层、应用层三层结构组成。感知层位于物联网的最底层，包括M2M网关、M2M模组、摄像头、读码器、RFID、传感器、传感器网络等。网络层位于第二层，包括固定通信网络、移动通信网络、互联网及其他网络。应用层位于第三层，包括绿色农业、地图显示、温湿度监控、智能开关、远程监控等部分，将前面采集到的数据信号等各种信息通过接口转到PC机的客户界面终端上。

（一）信息传感

物联网系统采用了土壤传感器、水质检测设备、气象检测设备、摄像头等信息感知装置。

1.摄像头及其供电设备。本系统采用了18套海康智能球型摄像头。其特点：采用10倍小型高清晰度彩色摄像机；室内监控全角度、无盲点；具有大方、精巧、紧凑、强度高、便于安装布线等优点；水平360°转动，精密步进电机驱动，运行平稳，定位精确；旋转速度根据镜头变倍倍数自动调整、自动聚焦、自动白平衡。本系统的摄像头供电设备采用了风力发电、太阳能发电双供电模式，充分利用了海边易刮风的特性，保障了摄像头稳定供电。摄像头及供电设备的产品组件包括：12V200W风力发电机、18V150W太阳能晶体电池板、18W海康智能球型摄像头、12V150Ah可充电蓄电池、12W无线网桥接受端、系统控制器。

2.土壤传感器。本系统采用了两套土壤传感器，土壤传感器包含土壤温湿度传感器和数据采集器两部分。土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水探头构成,对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。数据采集器可检测土壤中的pH值、温湿度、氮磷钾含量。土壤传感器体积小、耗电量低、可24小时不间断采集数据。

3.水质检测设备。本系统采用了两套水质检测设备，全天侯监控果园水质情况。

4.气象检测设备。采用了一套气象检测设备，全天侯监控火龙果产业基地的气象情况。

（二）基于GIS技术的数据监测与控制

1.基于GIS技术的数据监测。本系统建立了火龙果产业基地的全景地图，通过全景地图，可方便灵活查看摄像头、土壤温湿度检测设备、水质检测设备、气象检测设备等物联网的信息。

2.摄像头智能控制。火龙果产业基地的每个大棚及展示厅均安装了海康摄像头，在智能设备控制界面，提供了灵活的摄像头操作页面，它包括大棚选择、方向键控制、焦距控制。

3.温室大棚开关智能控制。温室大棚开关智能控制在原有手动切换基础上，添加了一个自动控制键，采用5G传输远程控制信号。由于采用了物理逻辑开关控制，确保线路不会短路，并带有继电保护器，即使突发情况也能安全运行。在开关过程中，自动切换摄像头，可观看天窗和遮阳篷运动情况。

（三）数据管理

数据管理在物联网系统中占据着重要的位置，后台管理系统是一个面向角色权限的管理系统，不同权限的用户管理着不同的数据，确保数据信息安全。后台管理系统包含设备信息数据、物联网数据、大屏生产分析数据。管理页面包含权限管理、数据管理、信息管理、设备管理和大屏数据几块菜单。后台数据可查看或修改。

四、加强物联网系统及数据管理对策

（一）及时总结果园物联网系统在使用过程的经验，增加投入，加强果园技术人员的培训，做好推广应用。

（二）因果园野外环境条件相对恶劣，对其所使用物联网设备要求高稳定性，须提高物联网系统关键部件的可靠性、稳定性。

（三）加强果园物联网关键技术的研发，重视5G通信技术的应用，在物联网技术中融入机器学习。机器学习是智慧农业终极发展目标，将机器学习智能植入果园智能系统，让智能系统的领域知识动态地自更新、自寻优，可大大提高果园信息系统的智能化水准和大大改善农业信息化服务质量。