果桑设施栽培管理信息系统的研制与应用

孙孝龙 吴德余 许安清 施建军

(1.江苏联合职业技术学院盐城生物工程分院 224051；2.盐城市亭湖区林业和蚕桑服务站 214002；3.盐城思源网络科技有限公司 224004)

桑树是多年生木本植物，桑科桑属，落叶乔木或灌木。桑树的果实称为桑果，以结果为主、叶果兼用的桑树统称为果桑。桑果产品国内外市场需求大、价格高、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。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，应用于果桑栽培过程中的设施栽培技术以及管理信息系统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，本研究采用农业信息化技术，在江苏沿海蚕桑实验区，对果桑大棚栽培开展相应试验[1～2]，研制出果桑设施栽培管理信息系统。该系统通过实时采集棚内温度、湿度，土壤温度、湿度，CO2浓度，光照强度，局部温度、湿度，有害气体等环境数据，同时对照果桑生长的标准参数，自动开启或关闭相关指定设备，借助与设备系统相匹配的土壤改良、品种筛选、气体调节、病虫害防治、栽培管理等技术，实现对果桑种植的智能化管理，为果桑种植提供自动化系统条件，全程优化控制种植环境因素，显著提高了果桑种植水平和生产效益。

1 果桑大棚栽培智能化管理的特点与优势

果桑生长发育的环境因子主要包括土壤条件以及温度、湿度、光照、气体等，在露天种植条件下，经常会遭受大风、暴雨、高温、霜冻、空气污染等不利环境条件，使果桑生长遭受严重影响，导致桑果、桑叶减产甚至绝收。而采用农业信息化技术，运用大棚设施栽培模式，环境条件通过各类设备智能调控，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，而且能显著提高果桑的产量和质量。通过智能化系统及技术，实现对果桑栽培中涉及的湿度、空气、土壤、光照等环境因素的智能化控制，适时监控与调节这些因素相关指标大小，保障果桑健康生长。

2 系统设计与研制

参与果桑栽培信息化管理的系统架构由网络传输、计算机处理及感知识别三个体系构成。在这个信息化管理系统中，农作物的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，实现农作物生产资源及条件的自动化控制，提升实时监控与调节的灵活性，现代农业要为农作物提供智能管理，信息化管理系统的形成与发展将在很大程度上推动农业现代化与智能化的发展。本研究通过分析果桑大棚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，实现大棚环境参数的自动感知、精准传输与智能处理。果桑设施栽培管理信息系统基于农业信息化技术平台，其基本组成框见图1，通过提供一种基于GPRS网络的智能大棚远程监控装置，采用无线GPRS传输通信协议、RTU远程监控设备和传感器检测技术等相结合的设计，在系统优化、信息集约化处理、精准识别有效信息、快速传递实时数据等方面具有显著的优势。在功能方面，系统拥有人机交互界面、传感器辅助，可为农作物生长环境相关因素的调控与管理发挥扩展性功能[3～4]。

图1 果桑设施栽培管理信息系统基本组成框图

2.1 自动感知

对大棚内果桑栽培环境因子的感知，主要由信息系统内部包含的摄像头、全球定位系统、无线传感器等发挥核心作用。有了以上设备技术，能轻松定位，识别大棚内温度、湿度、土壤环境是否适宜果桑自身生长条件。在精准定位和识别的基础上，信息系统的感知层对设施大棚内果桑的生长环境进行全面感知，为果桑设施栽培的自动控制、智能决策提供科学依据，它是信息管理系统的核心和基础模块。感知层通过不同种类的传感器来感知大棚内外空气温度、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，并进行初步处理发送到计算机控制中心。

2.2 精准传输

信息系统的数据传输既包括物联网感知层与互联网层面的数据传输，也包括感知层与应用层的信息传递，通过信息的多向传输，互联网为底层传递数据将更加精准有效。本系统网络传输层设计包括大棚场地局域网和远程广域网，这两种网络安全可靠并广泛互联，实现应用层和远程用户对数据的获取和决策命令的下达。大棚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。远程局域网采用互联网及GSM通讯相结合的技术，通过远程网络计算机和移动终端，管理用户可以实时获取大棚栽培环境的数据信息，具备传输范围广、鲁棒性好、精确度高等特性。

2.3 智能应用

数据处理应用，对获取的各类感知信息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。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，提供建立大棚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，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，不仅完成数据存储、添加、修改和查询，更实现了智能化处理；智能控制模块，采用模糊控制策略和变结构模糊控制方法对大棚环境因子及参数进行智能控制，能获得良好的数据精度。RTU设备将各种所需的环境参数集体收集起来，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(PC机或手机)。人机交互界面包括数据采集界面、实时监控界面、控制输出界面、参数设置界面、知识决策界面和数据管理界面等。

3 系统基本功能与关键技术

3.1 基本功能

果桑设施栽培管理信息系统为果桑生长智能化管理，系统主要有以下功能：首先，通过数据采集、监测与识别，精确感知大棚内果桑周围全天候的气候条件、温度变化、水分条件、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PC机和手机端的监控接口，对大棚内果桑的生长要素实施实时监控，对大棚内果桑生长所需稳定条件提供图像与视频数据，为合理调整大棚内果桑生长环境因素提供实时依据，并为大棚内果桑生长因素相关指标设定科学的限值，以及人工调节其指标大小。为大棚内果桑的信息系统添设远程监控线路，并设定一定管理员权限，在权限范围内才能查看、管理大棚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[5～6]。

3.2 关键技术

经过传感层及设备识别技术，可以快速、适时将大棚内果桑相关环境要素数据通过RS485或ZigBee形式进行采集与传递，包括大棚内果桑的温度、水分、空气质量等。经过ZigBee发送模块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；有线版采用电缆方式将数据传送到RS485节点上，有线版传输速率高、数据更稳定。数据分析与处理技术根据收集到的信息与数据，为用户提供一目了然的信息报表，待这一报表生成后，采集的原始感知数据可自发形成数据库，数据库内的信息与数据均是经过挖掘、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，系统中不包括这样的数据信息，系统便会给用户发送短信告知。在监控技术领域，由于信息系统采用的是精度和分辨率较高的摄像设备，因此，这些适时显示、记录的图像参数能通过无线、4G进行远程观看，轻松实现对果桑栽培的远程监控。

4 适应系统的种植技术

4.1 品种筛选

信息系统通过信息识别、筛选与查询功能，可轻松比对和鉴定优质的果桑品种；同时，借助筛选出来的果桑品种信息，可对现有的果桑品种进行改良，以进一步选出果桑的优良品种，防止基因诱变，提升果桑品种质量，增强果桑幼苗的耐寒抗病能力，优化果桑种植的环境。

4.2 栽植管理

要提高果桑的产量，增加经济效益，必须要以强化果桑种植管理质量为前提。在种植过程中，预先挖好果桑种植沟渠，精确到每一株，为果桑的向阳生长设计合适的栽植位置，搭建矮化的定植环境，便于提升每一株果桑的结果量和产叶量。要提升单位面积果桑的生产量，需要使桑叶叶面积指数控制在7～10之间，促进叶、果的协调生长，提高桑果的品质和产量，并及时疏花定果，提高桑果品质。因智能化栽培投资大，可通过间作套种来提高大棚前期效益。

4.3 参数调整

为果桑提供适宜的温度环境，要为果桑解除休眠模式，通过反保温技术，为果桑提供冬季最低生长温度，达到果桑对温度的环境要求。关于棚内温度参数(上下浮动不超过0.5℃)，在花期前后阶段以及气温升高的季节，为果桑控制好昼夜温差，保障夜间最低温度为8℃，白天最高温度24℃，从而使桑树提早开花，并提高坐果率。在果实发育后期，保持最适温度在25℃，最高不超过30℃。关于棚内湿度参数(上下浮动不超过1%)，在大棚升温后为85%，开花期为60%，谢花后至果实膨大期为85%，果实着色期为80%。要特别注意，坐果期，防止湿度过大，要及时通风排湿加温。

4.4 土壤改良

借助土壤导热速度低于水的原理，为果桑的土壤进行高温闷棚的土壤改良处理。尤其是果桑土壤在出现盐化与板结的情况下，为土壤温度达到果桑生长需求，不仅要为其施肥，还要做好及时防病虫害措施。为了提升果桑土壤养分，要采用秸秆生物反应堆施肥技术为其土壤进行施肥，保障果桑生长所需二氧化碳、有机养料、无机养料、热量、抗病原微生物孢子的充足，为果桑生长提供富足的光合条件。

4.5 气体调节

棚内CO2浓度参数，晴天宜控制在1000～1500ppm，阴天以500～1000ppm为宜。可以利用有机肥分解释放CO2、人工施用CO2以及作物呼吸作用释放的CO2，为果桑棚内气体质量的优化提供有利条件，在果桑大棚的顶部进行开口，提供通风渠道，大气中的二氧化碳含量应为棚内的1/8～1/4之间。此外，要为果桑实时监测和防备有害气体，若棚内CO、SO2等有害气体含量超标，启动系统预警模式，及时采取措施进行防控和治理。

4.6 病虫害防治

为做好果桑的季节性病虫防治工作，可喷施3～5度石硫合剂进行预防。使用阿维菌素或烟雾法治理对果桑生长发育有严重影响的虱类、蚧类、蚜虫、蝽类害虫。因棚内的温、湿度比较适宜病菌侵染危害，要及时减少病菌存在量，选用低毒、低残留无公害药。

5 系统的不足与对策

5.1 不足之处

鉴于当前农业信息化发展水平尚处于探索阶段，各种用于农业信息化的设备及设施口径不一，功能与标准多样，特别是设备的防水、防雾、防酸等性能不高，质量也难以得到有效保障。因此，难以实现农业信息化系统中传感设备的统一化研发，这给农作物数据信息的监控、识别、收集、传输带来障碍。同时，由于地域条件受限，一些农业信息化设备涉及的通讯及电力环境不稳定，这也影响到信息化系统的稳定运行。另外，农业信息化的低成本和高通用性暂时还不能完全满足设施种植类行业的需求。

5.2 研究对策

根据系统在研制过程中遇到的问题以及农业信息化技术面临的新挑战，系统研究将重点放在以下两个方面：首先是强化系统的标准性与普遍适应性，为系统开发统一标准的接口，方便多个用户体验和使用。其次是挖掘农业大数据，提高数据预处理质量。利用大数据算法，对已有的数据进行过滤，提高服务针对性[7～9]。