基于物联网的蓝莓生产智能管控云平台构建及应用

殷登科， 许海洋， 尹建华， 葛树莲

(1.青岛西海岸现代农业示范区管委会，山东 青岛 266400； 2.青岛农业大学 理学与信息科学学院，山东 青岛 266109； 3.青岛西海岸新区农业农村局，山东 青岛 266400； 4.青岛西海岸新区农业广播电视学校，山东 青岛 266400)

0 引言

2000年，青岛西海岸新区开始栽培蓝莓，开创了国内人工规模化栽培蓝莓的先河，在相关政策扶持下，蓝莓产业进入高速发展阶段，面积达6 667 hm2[1]。青岛西海岸省级农业高新技术产业开发区(农高区)是国内最早进行蓝莓规模化开发的地区，截止2020年，农高区蓝莓种植面积达4 200 hm2，已建成蓝莓标准化生产基地6个，面积为1 467 hm2。2020年，中央1号文件指出“加强现代农业产业技术体系建设，扩大对特色优势农产品覆盖范围，面向农业全产业链配置科技资源”[2]。为贯彻落实中央1号文件的要求，农业农村部制定了《2020年农业农村部网络安全和信息化工作要点》[3]，指出“推进种植业信息化，加快推进种植业信息资源整合，持续完善农情、灾情、病虫情和土壤墒情以及农药、肥料等生产资料信息化监测管理手段”。党的十九大报告指出，加快推动互联网、大数据和实体经济的深度融合，构建现代农业全产业链服务体系。在乡村振兴和大数据战略实施背景下，农高区紧紧围绕“高端、高质、高效”三个目标，加速提升园区蓝莓生产智慧化、规模集群化、品牌高端化，打造“产品优质安全、农业资源利用高效、产地环境良好、产业发展有机融合”的蓝莓生产体系、产业体系和经营体系。随着物联网、云计算技术的发展，智慧农业已经成为农业发展的新方向。陈玥婧等[4]提出采用物联网进行数据采集，构建了基于区块链和物联网的农产品质量安全追溯系统框架，解决了农产品质量安全追溯问题。曾镜源等[5]构建基于物联网的果园现场监测系统，实现了对果园灌溉的实时监控。周健飞等[6]建立基于云计算的农机零部件网络协同设计系统，实现了农机数字化云平台，提高了数字化设计效率。针对传统农业物联网存在的问题，程宏杰等[7]构建农业物联网云，将物联网采集的数据保存在云端，由云平台负责数据的存储、分析、发布和共享，并以云服务的方式为广大用户提供数据。可见，我国农业云平台建设取得了初步成效，已建成多种作物果蔬的云平台，极大的推动了农业信息化进程。目前多数云平台仍然处于数据展示阶段，未充分发挥大数据在农业产业发展中的作用。现有云平台普遍存在以下共性问题[4-7]：1) 农业数据采集维度不全面，采集频次不科学，数据量积累有限；2) 农业关键核心数据缺失，数据质量、标准化程度不高；3) 数据处理力度有待加强，增值应用不够，缺乏深度特征挖掘；4) 农业云平台管理经验缺乏，重建设轻运营，数据共享开放不足。为实现蓝莓的标准化和智慧化生产，推动青岛西海岸新区蓝莓产业深度发展，在前人研究的基础上采用vue和webpack搭建前端开发框架，Spring MVC、Mybatis、Freemarker框架搭建后台系统，对蓝莓生产数据进行多维度采集并挖掘分析，构建基于物联网的蓝莓生产智能管控云平台。将新一代信息技术应用到蓝莓生产中，构建集“实时采集、标准化整合、深度挖掘、智能决策、全面共享”于一体的蓝莓生产智能管控体系，实现以智能化管控为手段、标准化数据为核心，促进高效生产为目的的蓝莓智慧生产。该系统的建成对推动西海岸蓝莓产业提质增效，实现农民增产增收具有重大现实意义。

1 蓝莓生产智能管控云平台构建思路

1.1 系统架构

云平台采用5层系统架构，分别为数据源层、智能网关层、分析处理层、服务层、业务应用层(图1)。数据源层通过传感器、监〗测器等智能硬件设备采集数据。智能网关层是感知网络接入、连接异构网络的通信系统，实现通讯和数据格式标准化。分析处理层包含分析工具(如Pig、Hive、Phoenix)、分析类库(如MLib、Spark、Mahout)，维护各种统计分析模型，并通过模型的反馈和校验，持续提高分析和预测模型的准确性。基于微服务的服务层，根据业务构建服务，通过轻量级的通信，实现自动化独立部署，达到独立自治、组合集成、持续部署。业务应用层根据农户和企业的需求分析，完成场景深化，研发满足用户需求的应用方案，如蓝莓生长需冷量分析、土壤肥力测定、蓝莓产量预测、蓝莓质量溯源等。

图 1 蓝莓生产智能管控云平台架构

1.2 技术架构

技术架构是建设蓝莓生产智能管控云平台的核心。云平台采用vue和webpack搭建前端开发框架，向用户提供环境监测、视频监控、环境预警等数据的实时动态展示，提供土壤有机质和酸碱度、农情变化趋势等分析和预测报告。采用Spring MVC、Mybatis、Freemarker框架搭建后台系统，主要提供数据存储、协同过滤、统计分析、全维度钻取等功能。云平台集成面向物联网数据采集、大数据计算框架搭建、智能分析处理等功能，实现蓝莓生长数据的可视化展示、分析预测，为决策支持和知识服务提供支持。同时，将数据集成、分析处理和业务应用相互分离，使得平台各层之间相互独立，各层具有良好的可扩展性，有利于数据分析处理的优化升级、业务应用的拓展集成，以及蓝莓产业链的整合协同。

1.3 数据采集

蓝莓生长数据是蓝莓生产智能管控云平台的基础，根据采集的数据内容与维度，建立蓝莓生长监测指标体系[8]。面向园区农户、农民合作社、农业农村主管部门等各类主体与用户群体，开展蓝莓生产管理数据需求情况调研，结合蓝莓产业发展特点，分析相关数据指标及软硬件性能需求，支撑蓝莓生产智能管控云平台的应用。通过架设各种类型的传感器和监测器，采集蓝莓生产过程中的数据信息，包括气象环境、生长视频、土壤墒情、种植信息、农事活动、采收信息、虫情灾害等。如，安装在监测点的远程自动墒情气象站可实时采集空气温湿度、光照强度、CO2浓度、15 cm土壤温湿度、30 cm土壤温湿度等数据。数据采集系统实现了数据的变时采集、远程传输和实时存储，将多种传感器、不同视角获取的异构数据进行融合，形成基于物联网的蓝莓生产数据，提高蓝莓生产信息采集的深度和广度。

1.4 数据分析处理

面对平台采集的海量数据，如何对多种来源的数据进行有效地整合分析，将数据分析处理技术应用到蓝莓生产领域，得到对于蓝莓生产实际有价值的信息，促进蓝莓产业突破性发展，是蓝莓生产智能管控云平台研发的目的。数据分析处理过程主要包括可视化分析、数据挖掘和预测性分析三个阶段[9]。可视化分析将枯燥的数据以图形化的形式显示，便于与数据直接进行交互，使用者易于接受、理解。通过可视化分析，使得农户和管理部门能够探究数据内部隐藏的规律，及时了解和掌握蓝莓生长和生产动向，为农户开展农事活动提供精准指导。关联分析、时间序列分析等挖掘算法是数据分析处理的核心，根据不同的数据类型和业务应用，选择与之相对应的数据挖掘算法，才能科学地呈现数据潜在的知识。通过掌握的数据和挖掘的知识，建立蓝莓各阶段生长模型，通过不断修正校验，为蓝莓生产智能管控提供预测性分析。

2 云平台系统的实现

2.1 数据采集模块

环境采集模块主要对蓝莓生长过程中的主要参数，如空气温湿度、光照强度、CO2浓度、15 cm土壤温湿度和30 cm土壤温湿度等数据进行采集；图像采集模块主要采集蓝莓生长环境的视频数据，为虫情病害的智能化诊断提供原始素材；气象与墒情监测模块负责对采集的环境数据进行监测，以便发现异常数据。

在实施过程中，根据用户的需求，选择具有代表性、种植规模较大、基础条件较好的蓝莓基地作为物联网系统的现场实施监测点。在农高区建立了3个蓝莓科技园区，每个园区选择10个监测点，总共30个监测点。安装部署设施环境传感器，并加装视频监测设备。在3个园区建立分控中心，在每个分控中心安装数据服务器，进行数据的标准化整合，并通过显示屏实时展示各产业园监测点的数据信息。此外，在需要提质增效的蓝莓生产基地，选择20个监测点，安装部署环境监测传感器和视频监测设备。

2.2 通信传输模块

通信传输模块保障多种类型的传感器，采用不同的传输方式进行数据的可靠传输。由于云平台的数据源层包含多种类型的传感器，而且数量众多、传输方式各异。如，有线传感器有RS232串口、RS485总线、以太网和有线模拟量等传输方式；无线传感器包括GPRS、RF433、Zigbee和Wifi等传输方式。因此，在进行通信传输设计时，充分考虑云平台数据的统一性原则、功能的扩展性原则与系统的可维护性原则。云平台采用具有边缘计算的网关，满足多种网络接入方式，确保数据采集传感器处于可靠和不间断的网络连接中。各种类型的传感器通过标准的数据解析协议，由智能网关统一解析，将标准化数据通过以太网上传至服务器。

在蓝莓种植基地的室内外环境中，考虑到恶劣环境对设备的影响和后续维护的便捷性，通过设置无线网桥和网桥基站实现通信传输功能。在温室及大田监测点分别安装无线网桥，在分控机房外安装网桥基站，通过无线传输设备可以实现各温室设备参数、传感器所采集的信息及视频采集信息上传，并通过网络传输到总控中心机房平台。

2.3 智能控制模块

智能语音驱鸟设备、虫情监测器、植保机、水肥一体化和蓝莓追溯平台等硬件设备主要满足蓝莓种植、生产的需求，其既可以提供检测数据，又可以辅助蓝莓生产。部署在物联网云平台的计算资源，对传感器数据进行异常数据剔除、缺失数据补偿、非线性校正等数据预处理方法，实现采集数据的前端检测与处理。通过对传感器数据进行逻辑校验，保证数据的完整性、合法性，提高采集数据的准确性。而对于不同采集来源的数据，通过云平台进行汇集，实现海量异构数据的集成，并支持数据资源的开放和共享。

通过对蓝莓生产中的实际问题进行分析和研究，考虑到既满足用户作业任务的执行效率，又要提高计算资源的使用效率，在现有云计算资源调度算法[10]的基础上，设计并实现了基于负载预测的虚拟资源调度策略，满足实际不同生产场景的多任务资源调度。

3 云平台的应用服务

3.1 可视化管控

蓝莓生产智能管控云平台数据维度多，数据量大，服务应用范围广。以智能信息处理、决策模型、MapReduce、Spark和Storm等大数据关键技术为支撑，云平台关注气候、环境、视频、预警、监测和控制等6类数据集，采集和存储环境数据22万多条、视频数据50 TB，发布监测预警信息700多条，建立了“分控+总控”分布式存储的蓝莓生产智能管控数据中心，为平台的应用分析提供了有效基础数据(图2)。

图 2 蓝莓生产智能管控云平台

3.2 智能决策

云平台建立多维分析引擎模块，筛选能力强，对环境数据、积温变化、需冷量要求、光照时长和土壤墒情进行分析。建立基于多源异构数据的蓝莓生产决策分析模型、基于数据挖掘的蓝莓种植环境预测预警模型和蓝莓产品品质评估模型，构建蓝莓种植栽培、蓝莓需冷量监测和蓝莓生长环境预警等多种类型的专家知识库。需冷量是蓝莓提质增效的一个重要技术指标，需冷量不足会影响蓝莓的生长发育，造成蓝莓花期延长、坐果率低的现象。为提高蓝莓生产效率，需要精确计算不同品种的蓝莓需冷量，使其尽早进入下一个生长发育阶段。云平台通过监测蓝莓历年生长环境数据和树势形态，挖掘不同品种的蓝莓需冷量(图3)，建立需冷量模型，促进蓝莓整体解除休眠和萌动发芽，实现蓝莓生产数据智能分析处理关键技术的创新，科学地指导蓝莓种植生产。

图3 智能管控云平台监测蓝莓的需冷量

3.3 精细化服务

面向种植户、合作社、科研院所、政府管理部门等不同群体，云平台运用发布订阅、智能推荐、精准推送、智能检索等技术，提供个性化、专业化、定制化实时信息服务，构建符合青岛地区特点的蓝莓生产智能管控云平台，为提高蓝莓产量和优化品质提供科学依据。

3.4 助力农户增效

通过蓝莓生产智能管控云平台，对蓝莓生产信息进行监测、收集，挖掘、分析蓝莓生长相关联的数据，实时观测环境数据动态变化，形成报告或图表，使农户可以直观的掌握蓝莓生长动态，为进行农事活动提供参考数据，提高农户科学生产的技术本领。

3.5 推进农业升级

蓝莓生产智能管控云平台建立覆盖蓝莓种植全过程、企业加工的生产环境及产品运输销售环节全程可追溯体系。该平台采集的蓝莓生产数据为区域农业重大灾害、病虫害防治提供现场资料，为农业主管部门提供实时全面的决策依据，提高政府常规农业指导的科学性和服务效率，从而促进农业生产管理和农业结构调整。

4 结语

蓝莓生产智能管控云平台以如何将新一代信息技术应用到农村实体产业中为出发点，以物联网、云计算、大数据和移动互联等新一代信息技术为基础，构建包括多维度数据实时采集、可靠传输、异构集成和深度挖掘分析的蓝莓生产智能管控云平台，集成面向物联网数据采集、大数据计算框架搭建、智能分析处理等功能。实现蓝莓生长数据的可视化展示和分析预测，为决策支持和知识服务提供支持，满足不同生产场景的需求。形成蓝莓生产、管理、服务智慧化技术创新体系，从而加强新一代信息技术与农户生产的有机结合，全面促进蓝莓产业的提质增效和转型升级。同时，在构建蓝莓生产智能管控云平台实践中，探索出一系列成功经验，为打造乡村产业振兴齐鲁样板提供了可借鉴模式。