香榧种植大数据平台设计与实现

殷成武 郭然

摘要 在智慧林业背景下，全面了解香榧的生长习性是实现其种植精细化管理的基础。香榧种植大数据平台采用以STC12C5A60S2芯片為核心的控制箱，采集香榧种植气候和土壤等环境数据，并通过以太网接入方式将数据转发到云端大数据平台进行统计分析，最终通过数据可视化大屏展示数据分析结果。香榧种植大数据平台能够实现香榧种植环境信息实时监测，可节省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧种植效益。

关键词 物联网；香榧种植；实时监测 ；智慧林业

中图分类号 S727.33；F326.13 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）03-0099-04

物联网技术推动生产生活和社会管理方式朝智能化、精细化和网络化方向转变。在林业种植中使用物联网技术，推动智慧林业建设，有利于林业的精细化管理，提高林业资源管理效率。香榧为榧树属植物，是经人工嫁接培育而成的优良栽培种，集果用、树用、美容和药用等价值于一身，在安徽、江苏和浙江等地种植较多。其生长对气候和土壤要求较高，而粗放式管理易造成植株成活率低、产量增速较慢等问题。因此，结合物联网技术，采用标准化、精细化管理模式对香榧林业种植发展具有重要意义。

本研究通过使用传感器对香榧林的种植气候和土壤等环境数据进行监测，将数据通过以太网接入的方式接入到互联网，设计大数据平台，实现香榧种植环境信息实时监控和可视化展示，推动香榧林业发展。

1 系统总体设计

1.1 系统需求

系统实现的主要功能如下。（1）采集香榧林种植环境数据。该系统可采集包括光照度、某一段时间内的降水量、空气温湿度、气压、土壤温湿度以及二氧化碳（CO）浓度等环境信息。（2）提供可视化数据。该系统通过香榧种植大数据可视化平台，对传感器收集的数据进行统计分析，并以图、表的形式展示出来，可为香榧种植产业投资者、决策者、经营者及科研人员提供数据支持。（3）管理监测设备。企业管理员、园区管理员等通过Web管理系统，可以对各个园区的树木、监测设备进行管理。

1.2 系统架构

基于以上功能，本系统将整体工作划分为3个层次：感知层、平台层和应用层，如图1所示。该系统以平台层为核心，感知层主要包含用来检测光照、水分等影响香榧生长的环境因素的各类传感器。平台层负责数据存储、处理和展示；根据需求设计核心算法完成数据融合、知识提取；完成平台的角色管理、权限管理；搭载数值拟合校正服务。应用层负责与用户的交互以及展示决策算法结果。香榧种植系统以含有STC12C5A60S2芯片的控制箱为核心，利用日照传感器、百叶箱型温湿度照度CO一体传感器等进行实时采集。传感器采集到的数据通过RS-485总线传输到控制箱。控制箱采用以太网接入的方式，将采集卡接入互联网，部署云平台，最终数据会在香榧种植系统大数据展示平台上以图或表的形式进行展示，系统会及时对异常数据发出预警，实时监控种植环境，实现精细化管理。

2 系统详细设计

该系统的详细设计包括硬件设计和大数据平台设计。硬件设计包括控制箱结构设计、传感器选型和数据通信协议设计，并基于林区的实际环境，对控制箱进行防潮与防爆的设计。大数据平台设计包括数据处理、Web管理系统、大数据展示平台以及移动客户端设计。

2.1 硬件设计

2.1.1 控制箱结构设计  控制箱的主要任务是采集各类传感器的数据，并按照规定的协议格式将数据传输到云平台。同时，控制箱也负责现场传感器故障、用电故障以及数据通信故障的初步判定。基于以上功能并考虑控制箱的可靠性和耐用性，采用防水控制箱，抱箍设计，内部结构如图2所示。

控制箱内部自制电路板，主要负责信息的采集及传输。采用RS-485集线器，实时传输香榧种植基地的环境信息。

自制电路由STC12C5A60S2最小系统、RS-485芯片组成的稳压电路和Led（发光二极管）电路组成，并以端子模块连接虚拟控制中心（VCC）与稳压电路。STC12C5A60S2的单片机具有高性能处理能力，支持多种低功耗模式，可有效降低功耗，具备高精度的计时能力。

RS-485集线器是一种内部采用双核、无休设计的RS-485总线分割集线器。RS-485接口端采用光电隔离技术，防止雷击浪涌引入转换器及设备，内置光电隔离及1 500 W浪涌保护电路，能够提供2 500 V的隔离电压，同时可以有效防止雷击和共地干扰，供电采用外接开关电源供电。

2.1.2 传感器选型  数据采集主要集中在土壤和气候环境信息的采集。土壤的采集参数包括土壤pH值、土壤电导率和土壤温湿度，而气候环境的采集包括空气温湿度、大气压力、CO含量、降水量、日照时长、风速以及风向等。由于所有传感器部署地和采集终端之间的距离一般超过2 m，因此选用RS-485输出方式的传感器。不锈钢单翻斗式雨量计结构相对简单，通过测量自身翻动次数，可以确定某一时段内的降水量、降水强度和降水时间等。其在精准测量降水量的同时，具有较好的耐腐蚀性，可以在恶劣的气候条件下持久使用，适应性较强，可以用于农业、林业环境监测等领域。待传感器传回云端数据后，专家根据香榧树的生长情况以及光照、温度、气压和土壤矿物质含量来确定香榧树的最宜浇水时段和最佳浇水量，确保植物处于水分充足的环境中，减少植物的叶片、枝干出现干枯、凋零和衰老的情况。

在气候环境监测中，因百叶箱型温湿度照度CO一体传感器具有高灵敏度、高精度以及测量范围宽、传输距离远等特点，选择使用该一体传感器感知香榧所处环境中光的强度、环境温度、空气湿度以及CO浓度。

因气压变送器具有较高的可靠性，能够在长时间内提供稳定的性能，故选择使用气压变送器，监测所处环境的大气压力。选择使用不锈钢单翻斗式雨量计确定某一时段内的降水量、降水强度和降水时间等。

在土壤环境监测中，选择使用土壤温湿度+盐分+土壤电导率（EC值）传感器，监测所处环境土地的温湿度、电导率；选择使用pH值+电导率+温湿度传感器，监测所处环境土地的pH值。

2.1.3 数据通信协议设计  每个传感器都有对应地址，采用485通信协议可实现传感器与单片机之间的数据传输。由于485-RTU的协议包含主模式和从模式，均需要主机查询从机，不存在主动上报的方式，所以标准的485-RTU格式难以满足该系统的需要。因此，数据通信协议设计至关重要。

2.1.4 控制箱防潮设计与防爆设计  香榧树的林区处于林木众多、湿气相对较重的环境中。因此，需要从印制电路板（PCB板）制作、设备结构等多方面考虑，以满足设备防火、防潮的要求。针对防潮设计，使用环氧树脂灌封胶将PCB板关键部位包裹住，从而起到防水、防潮、防烟雾、防霉菌、抗震以及抗外力冲击等效果，灌封后能实现对电路板的全方位保护，极大提高电路板的使用寿命。该系统将监测土壤温湿度+盐分+EC值的传感器以环氧树脂密封胶灌封，使传感器可以直接埋入土壤中使用。设置电路过流、过压检测，发生短路、断路等情况时自动进入休眠状态，并提前预警。针对防爆设计，使用变压器、安全栅等防爆电气隔离环节，并采用符合防爆标准的硬件设备。该系统使用的百叶箱型温湿度照度CO一体传感器和pH值+电导率+温湿度传感器均符合防爆标准，可在有爆炸危险的环境中使用。

2.2 大数据平台设计

该系统的工作流程：首先，通过传感器采集气候和土壤等环境数据；其次，通过以太网接入云端大数据平台，云平台将收集到的数据进行数据的统计分析；最后，通过可视化大屏将统计分析的数据进行展示。针对以上工作流程对香榧种植大数据平台进行软件设计，主要包括对数据处理方式、Web管理系统、大数据展示平台以及移动客户端设计。

2.2.1 数据处理  针对大数据呈现的关联性、动态性和多源异构性等特点，对其进行标准化的融合处理。该系统从构建标准数据集的角度进行大数据多粒度融合，通过构建统一数据单元来支持多模态特征融合和多种类型、结构数据集的封装融合。首先，对采集的香榧相关数据进行数据集成和特征提取，抽取出数据中的不同特征，实现对数据相关的位置属性、时间空间关联属性和其他观测属性的特征描述。其次，通过元数据定义方法和JSON数据交换技术（JavaScript Object Notation，JS对象简谱），实现不同种类的统一数据单元定义，对每一类统一数据单元进行基本信息和各类属性定义和描述。最后，针对不同的挖掘计算服务模型，实现快速数据适配。

在香榧种植大数据处理总体架构和数据融合统一数据单元基础上，进行了香榧种植大数据计算的微服务设计。针对香榧种植大数据处理的特点，将服务层中的微服务分为3类，数据微服务簇负责从UDU标准数据集中进行数据获取、同步和更新等操作；计算微服务簇从多模式计算框架和多类计算模型2个维度进行挖掘分析服务的统筹设计；流程微服务簇负责数据微服务、计算微服务的协同处理，同时对系统组件的配置管理和调度进行支持[6]。

2.2.2 Web管理系统设计  物联网平台选择基于Spring Cloud的微服务架构开发模式，采用Nacos服务端注册中心和配置中心为微服务的动态发现和服务管理提供支持，网关使用Gateway技术，采用Sentinel作为熔断机制，Zipkin进行链路追踪，日志采用ELK方式（Elasticsearch、Logstash和Kibana，日志链路分析架构技术总栈），监控中心使用SpringBootAdmin。这种基于微服务架构的模式有利于资源重复利用，提高开发效率。

2.2.3 大数据展示平台设计  香榧种植大数据展示平台采用AntDesign框架进行开发，在数据分析中引入Echarts组件作为图表可视化工具。平台分为环境监测模块、预警信息模块和园区数据展示模块。

园区数据展示模块展示香榧种植园区数量以及园区内监测设备数量。环境监测模块展示通过传感器监测的日照、降水量、气象和土壤信息。预警信息模块以折线图的方式展示总预警次数、已处理预警与误报预警数量之间的关系，方便香榧种植产业科研人员进行数据关联和对比。

大数据可视化平台建立了“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的管理机制，有助于实现基于数据的科学决策，可为香榧种植产业投资者、决策者、经营者及科研人员提供服务。

2.2.4 移动客户端设计  移动端主要分为工作中心、预警中心、巡查记录和个人中心4个模块。工作中心模块以直方图的形式展示系统内环境参数的总预警数与已处理预警、待处理预警、误报预警数量之间的关系，在预警中心模块可填写预警详情报告单，对产生的预警进行处理。

3 结语

为解决香榧造林成活率低等问题，构建香榧种植大数据平台，并在香榧种植基地进行实地测试，结果表明，该系统能够实时监测香榧种植土壤和气候等环境信息，有利于进一步了解香榧的生长习性，提高香榧造林成活率。该系统不仅实现了数据采集与展示的基本功能，还利用人工智能分析数据，把香榧种植的土壤参数、气候环境参数以及人为干预的行为与香榧果木的生长以及挂果率整体关联起来，可指导香榧林的科学管理，节省人力成本，提升工作效率，有效提升香榧种植效益。

参考文献

[1] 张红兵，黄石生，周漪清. 自动转换收发状态的RS-485信号分配器的设计[J]. 电测与仪表，2005，42（3）：51-54.

[2] 吴苏鹏，龚亚飞，陈厚羽. 商船开展蔬菜种植的思考[J]. 广东蚕业，2021，55（2）：29-31.

[3] 王霞，任天猛. 户外电子设备防水密封结构设计[J]. 机电元件，2022，42（6）：12-13，32.

[4] 王建春，张雪飞，刘绍伟，等. 基于多点数据采集远程温湿度监控系统的研究及应用[J]. 山西农业科学，2015，43（3）：333-336.

[5] 杜圣东，杨燕，滕飞. 交通大数据：一种基于微服務的敏捷处理架构设计[J]. 大数据，2017，3（3）：53-67.

[6] 肖乾虎. 基于ZigBee/GPRS的作物生长环境因子远程监测系统研究[D]. 海口：海南大学，2014.

[7] 孙志刚. 实施大数据战略行动 加快推进国家大数据（贵州）综合试验区建设[J]. 时事报告（党委中心组学习），2016（4）：132-146.

[8] 代佳欣，许阳. 技术依赖、财政支持与府际竞争：政府数据开放绩效的“推拉模型” 研究[J]. 河海大学学报（哲学社会科学版），2022，24（5）：74-84，129.

[9] 刘国歌，李明月. 数字技术赋能应急财政资金绩效提升[J]. 科技智囊，2022（12）：48-55.

（责编：王 菁）

作者简介 殷成武（1981—），男，安徽舒城人，系统规划与管理师，从事林业信息化建设和森林资源监测工作。

收稿日期 2023-12-01