果桑智能栽培管理信息系统的研制与应用

孙孝龙 吴德余 周卫阳 施建军

(1江苏联合职业技术学院盐城生物工程分院，江苏盐城 224051； 2江苏省蚕种所，江苏无锡 214151；3盐城思源网络科技有限公司，江苏盐城 224005)

以结果为主、叶果兼用的桑树统称为果桑，其果实称为桑果。桑果及其产品国内外市场需求大、价格高，且果桑的栽培条件低，露天、大棚、盆栽等条件均可种植，具有较大的市场开发和应用前景[1-2]。近年来，虽然桑树栽培技术研究取得了一定进展，但其仍未脱离露地栽培模式和技术体系，果桑设施栽培技术以及智能管理信息系统的研究一直未取得大的进展，严重制约着果桑的产量和经济效益。自2010年以来，我们采用农业信息化技术，在江苏沿海蚕桑生产区，对果桑设施栽培及信息管理开展了相应的试验研究[3]，研制了果桑智能栽培管理信息系统。该系统通过实时采集设施内温度、湿度，土壤温度、湿度，二氧化碳(CO2)浓度，光照强度，局部温度、湿度，有害气体含量等环境数据，并结合果桑智能栽培管理信息系统自动数据感知、深度数据分析、智能控制应用等处理，实现了对果桑栽培的智能化管理，全程优化监控果桑栽培环境，显著提高了果桑栽培管理水平和生产效益。现将该管理信息系统的设计与研制、功能与实现、应用与效果等介绍如下，以便用户更加全面地了解本系统。

1 果桑智能栽培管理信息系统研发的起因

果桑生长发育的环境因子主要包括土壤、温度、湿度、光照、大气等，在露天种植条件下，经常会遇到大风、暴雨、高温、霜冻、空气污染等不利环境条件，使果桑的生长发育遭受严重不良影响，导致桑果、桑叶减产甚至绝收。而采用农业信息化技术，运用智能栽培模式，通过各类设备智能调控环境条件，使果桑生长条件保持在适宜的水平，不仅省力省工，生产安全，而且还能使桑果反季节提前上市，并显著提高产质量。为此，我们从2010年开始进行果桑智能栽培管理信息系统的设计与研制。

2 果桑智能栽培管理信息系统的设计与研制

2.1 系统设计方案

通过分析果桑设施栽培控制目标及参数特点，依据自动化、实时性、智能化的原则，采用农业信息化技术，设计系统总体方案，实现设施对环境参数的自动感知、精准传输与智能处理。果桑智能栽培管理信息系统由数据感知采集、数据分析处理及智能控制应用3个体系构成(图1)。该管理信息系统中，果桑生产与管理的环境因子都可以成为系统设置的主体目标，并通过建立灵活、精准的农业信息网络，实现对果桑生产资源及生产条件的自动化控制，提升实时监控与调节的灵活性。果桑智能栽培管理信息系统是基于紫蜂(zigbee)技术，结合专业数据样本深度学习算法，通过提供一种基于通用分组无线服务技术(GPRS)网络的远程智能监控装置。果桑智能栽培管理信息系统采用无线GPRS传输通信协议、远程监控设备(RTU)和传感器检测技术等相结合设计而成，具有显著的系统优化、信息集约化处理、精准识别有效信息、快速传递实时数据、智能纠错控制等优势。在功能方面，果桑智能栽培管理信息系统拥有的人机交互界面、传感器辅助模块等，可为果桑生长环境相关因素的调控与管理发挥扩展性功能[4-6]。

2.2 数据感知采集模块

果桑智能栽培管理信息系统对设施内果桑栽培环境因子的感知，主要由数据感知采集模块来实现。数据感知采集由信息系统内部包含的摄像头、全球定位系统、无线传感器等组成，是信息管理系统的核心和基础模块。数据感知采集通过不同种类的传感器来感知设施内外的空气温度、湿度，土壤温度、湿度，光照强度，CO2浓度，空气质量等环境参数，实时提供数据信息，并进行初步处理后发送到计算机控制中心。数据感知采集模块能轻松定位、识别设施内的温度、湿度、土壤环境是否适宜果桑自身生长发育的需要，在精准定位和识别的基础上实现对设施内果桑的生长环境的全面感知，为果桑设施栽培的自动控制、智能决策提供科学依据。

2.3 数据分析处理模块

果桑智能栽培管理信息系统数据传输通过设施场地局域网和远程广域网安全可靠的广泛互联互通，实现数据分析处理和智能控制应用的双向数据送达。设施场地局域网采用以太网的有线传输技术，具备联网距离长、容量大、稳定性高、抗干扰能力强等特点。远程广域网采用互联网及全球移动通信系统(GSM)相结合的技术，运用无线普通操作输入(GPIS)传输技术，使用移动或联通网对所采集的数据进行实时、稳定的传输，并送达计算机控制中心，应用专业数据样本深度学习算法，进行数据综合分析处理。作用于数据感知、数据分析和控制应用之间的数据传输，包括数据感知的设备有线或无线连接，与互联网、通信网进行数据融合的网关，以及可以将感知采集的数据传输到互联网用户应用等。通过远程网络计算机和移动终端，管理用户可以实时获取设施栽培环境的信息，具备传输范围广、鲁棒性好、精确度高等特性。

2.4 智能控制应用模块

数据处理应用，对获取的各类感知数据进行智能分析和综合处理，为自动控制和精准运行提供决策信息。果桑智能栽培管理信息系统控制中心的数据分析应用包括数据存储、数据处理、智能控制和人机交互4个基本模块。数据存储模块的作用是提供建立设施环境数据库和设备状态数据库，完成感知采集数据的基本处理。数据处理模块的作用是通过采用软件补偿、分布图法和取平均值法消除感知数据的误差影响，不仅完成了对数据的存储、添加、修改和查询，更实现了对数据的智能化处理。智能控制模块的作用是采用模糊控制策略和变结构模糊控制方法对设施环境因子及参数进行智能控制，能获得良好的数据精度，RTU将各种所需的环境参数集体收集起来，基于zigbee技术，并通过无线GPRS网络将数据信息实时传送和反馈给用户终端(计算机或手机)。人机交互模块，包括了数据采集模块、实时监控模块、控制输出模块、参数设置模块、知识决策模块和数据管理模块等，系统控制中心将进程状态、数据监测、调控指令等信息进行实时网络发送，并接收用户的反馈信息进行相关调整；管理员通过电脑界面或管理终端接收信息，进行相应的观察、监控、调整或咨询，并根据管理系统的具体情况，调整相关设置，维护系统运行，提高管理系统的稳定性、及时性和精准性；用户还可以通过网络浏览器或远程操作软件，访问管理系统，接受知识查询、专家咨询、视频学习、在线答疑等专业化信息服务。

3 果桑智能栽培管理信息系统的功能与关键技术

3.1 基本功能

果桑智能栽培管理信息系统主要为果桑生长智能化管理提供以下功能：首先，通过数据采集、监测与识别，精确感知设施内果桑周围全天候的生长实况、温度变化、光照条件、湿度条件、空气质量及CO2浓度等指标信息，通过感知层面的数据传递，最终为信息查询检索与信息调整提供数据库支撑。其次，由计算机和手机端的监控接口，对设施果桑的生长实施实时监控，提供果桑生长图像与视频数据，为合理调整果桑生长环境提供实时依据，并为果桑生长因素参数指标设定限值，实现自动参数调节和安全报警。另外，管理信息系统通过远程监控功能，并设定一定的管理权限，在权限范围内查看、管理设施内果桑的生产环境信息，做到全方位可视化，从而对不同的管理用户提供不同的服务，让生产更轻松，管理更精确、更高效[7-8]。

3.2 关键技术

经过数据感知及设备识别技术，可以快速、适时地将设施内果桑相关环境要素数据(包括设施内的温度、湿度、光线、空气质量等)通过RS-485或zigbee形式进行采集与传递。经过zigbee形式进行采集与传递的数据为无线版传输方式，具有部署灵活、扩展方便等优点；经过RS-485形式进行采集与传递的数据为有线版传输方式，采用电缆方式将数据传送到RS-485节点上，具有传输速率高、数据更稳定等优点。果桑智能栽培管理信息系统通过对收集到的数据进行分析与处理，为用户提供一目了然的信息报表，待这一报表生成后，感知采集的原始数据便可自发形成数据库，自发形成的数据库内的信息与数据均是管理信息系统经过挖掘、筛选和归纳处理后的数据。当用户检索或者查询有关信息时，如果原系统中不包括这样新形成的数据信息，系统便会给用户发送短信告知。果桑智能栽培管理信息系统通过计算机监控平台实现了对果桑栽培环境信息的智能管理，完成对环境条件的高效、安全、优质控制。计算机监控平台的主要功能包括环境因子的参数设置、数据采集、状态监测、数据传输、指令输出、数据管理、日志查询等。其中，参数设置完成环境因子阈值的设置以及调节目标值的设置，数据采集实现对感知数据的采集和存储，状态监测实时监控果桑生长进程以及辅助设备运行状态，数据传输完成感知信息和反馈信息与控制中心的双向传输，指令输出负责智能决策的下达和响应，数据处理实现对数据的采集、传输、存储、查询、更新，日志查询实现用户对果桑栽培环境以及果桑生长发育阶段的全程记录、查询、追溯[9-11]。

4 果桑智能栽培管理信息系统应用的效果

本系统在江苏省蚕种所果桑试验基地、江苏联合职业技术学院盐城生物工程分院果桑智能栽培基地进行了综合实验和推广应用，在果桑栽培环境的数据采集、监控管理、参数调整、系统响应等方面均取得了显著的成效。

4.1 数据采集精准

果桑智能栽培管理信息系统对温度、湿度、光线、空气质量等果桑栽培环境因子数据实时采集、传输，并通过专业数据样本学习，对数据进行信息识别、筛选、存储，可轻松比对标准环境参数，实时通过监控平台(现场或远程)提供用户需要的管理信息，或发出超值报警信息。应用调查结果表明，在果桑生长常温常湿环境(温度25～30 ℃，相对湿度70%～85%)下，果桑智能栽培管理信息系统数据采集的准确率可达99.89%，比传统人工采集提高了10.99个百分点；光照强度、流动风速、空气质量数据等的采集以及存储的准确率均达到了100%，应用效果远远超出人工作业的直观感知以及人工记录保存数据的方式。果桑智能栽培管理信息系统应用大大提高了果桑栽培及设施环境的精准化管理水平。

4.2 监控管理智能

果桑智能栽培管理信息系统计算机控制中心利用神经网络深度学习算法对数据样本不断学习训练，将采集来的数据存放在控制器的内存，经过模糊控制分析及处理，实现对数据的传输、存储、查询、更新。应用实验结果表明，果桑智能栽培管理信息系统通过现场无人值守、远程登录查看以及日志查询等实现了对栽培环境以及果桑生长发育阶段的全程记录、查询、追溯，能完全满足果桑设施环境的实时监控和实时调控。与一般人工生产管理相比，用工节省了81.60%，综合生产效率提高了63.85%，除自然灾害、电力影响等特殊不可抗拒因素外，基本上实现了果桑设施栽培的远程智能化管理。

4.3 参数设置科学

果桑栽培环境因子标准参数的确定和设置是果桑智能栽培管理信息系统应用安全性、准确性、稳定性的关键。实验结果表明，针对果桑营养生长期(发芽长叶)的温、湿度环境，果桑智能栽培管理信息系统控制室内的温度、相对湿度参数上下浮动不超过0.50 ℃、0.25%，使果桑在生殖生长期(开花结果)的高温阶段的温度、相对湿度上下浮动不超过0.25 ℃、0.12%。特别是对高温、多湿环境，要及时通风、换气、排湿。把CO、SO2等有害气体含量设置为临界点“发现预警”模式，若设施内某种有害物质含量超标，系统就会启动预警模式，及时采取通风换气等措施进行防控，或提醒管理人员通过人工干预进行综合治理。在果桑智能栽培管理信息系统运行测试和推广应用中，果桑智能栽培管理信息系统能够实现对果桑设施栽培环境的实时监控、实时调控以及智能调整，大大增加了参数标准设置的科学性、精准性、及时性。

4.4 系统响应快速

在果桑设施栽培环境管理上，用户最担心的是现场实际环境因素发生了变化，而果桑智能栽培管理信息系统显示正常或反应迟缓，给生产带来无法弥补的损失。实验结果表明，果桑智能栽培管理信息系统不仅可以达到全方位人工值守的效果，而且通过果桑智能栽培管理信息系统深度学习模糊算法对设施环境的实时监控及智能调整，大大提高了准确度和信任度，省力、省工，极大地提高了管理效益。同时，果桑智能栽培管理信息系统通过参数偏差自我纠错和现场生产状态视频监控对比，具备提前预警和异常警戒的功能，达到了响应快速、调控可靠的管理要求，增加了果桑智能栽培管理信息系统的安全性和稳定性。

5 结束语

鉴于当前用于农业信息化的各种设备及设施口径不一，功能与标准多样，特别是针对大棚设施环境设备的防水、防雾、防氧化、防毒气等性能还不高，且普遍存在低成本和高通用的特性，难以实现智能管理信息系统中传感设备的统一化研发，这给果桑设施环境数据信息的监控、识别、收集、传输带来了一定的障碍，完全满足果桑栽培环境的智能管理还需进一步探索。果桑智能栽培管理信息系统将进一步强化行业标准性与普遍适应性，研发统一标准的接口，以方便多个用户体验使用；同时，推进果桑栽培数据库建设，促进大数据挖掘，进一步提高数据样本学习、模糊处理质量，利用大数据算法，对已有的数据进行过滤，进一步提高服务的针对性、精准度。