基于物联网的现代农业生态园区数字化管理设计与研究*

张祖瑜 ，黄荣喜 ，张健新

（广西农业职业技术大学信息工程学院，广西 南宁 530007）

0 引言

在乡村振兴的大背景下，我国农业正处于由传统农业向现代农业转型的关键时期[1]。近年来，我国现代农业园区环境监测，除了使用地表式的有线、无线网络进行数据传输，有些现代农业示范园区还建立了基于卫星遥感技术的环境监测系统，实现对农业作业环境信息的实时数据采集，并取得了比较好的成效。此外，国内外在园区物联网的使用与数据获取研究方面，成效显著。本文以广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区为例进行分析，该园区尽管有现代农业展示园之美誉，但在数字化管理设计方面仍有待加强。在园区管理中，如何对现有的网络布置、数据采集、数字化平台管理等进行优化设计，综合利用获取的信息，打破信息孤岛，做到有效的数据存储与数据安全管理，是本文研究的重点。

1 八桂田园现代农业生态园区数字化管理框架设计

在框架设计上，主要采用物联网信息采集系统的数据存储与分析、数据决策等功能进行管理[2]。主要在种植指标、生产指标、管理指标上进行果蔬等生产信息化模型建设，确保系统设计的功能满足用户需求。

1.1 物联网信息采集管理

物联网信息采集系统是一种用于获取、传输和处理种植指标和环境相关数据的系统。该系统以无线网络技术为基础，借助各类传感器和设备，监测各种果蔬生长指标和环境参数的变化，并做好信息记录。通过对采集到的相关数据进行分析，做到在无线网络环境下进行数据高效传输共享，确保数据的及时应用[3]。在研究中，深入分析广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区目前的需求，其主要包括资源管理、环境监测、公共服务等方面，明确系统应具备的功能和特性，挑选适宜的物联网传感器和装备，以采集相关数据。八桂田园有100 000 m2的现代农业观光区、约60 000 m2的野菜瓜果采摘区和约53 336 m2的栽培区，数据采集的范围广泛，应主要做好气象观测、土壤状况、水体质量、大气污染水平、能源利用情况、交通流量等方面的信息采集工作。在整个园区进行分布式部署传感器，以确保全方位的数据采集，在网络部署方面，利用WIFI 网络中的VLAN 技术和GPRS 网络技术，通过无线传输进行云端存储，确保数据的传输与存储安全。物联网信息采集系统是生态园区数字化管理的核心组成之一，它的设计主要体现在数据、生态系统、资源利用以及特定的环境条件方面，以更好地保护生态平衡并提高生产效率为目标，具体的设计如图1所示。

1.2 数据存储与分析

在数据存储方面，生态园区的数据主要存储在云服务器上，以确保数据的可用性和安全性。云存储提供了数据获取的灵活性和可扩展性，可以根据需求调整存储容量[4]。同时，云计算为数据处理提供了弹性和可伸缩性，从而提高了数据处理的效率，并降低了本地存储的成本。在数据的处理上，对于一些具有较高敏感性的数据，可以采用专门的服务器或硬盘来进行存储，确保数据的安全。

在技术方面，对在原有基础上建立的相关装备配置，进行标准化体系设计扩容，便于处理收集的海量数据[5]。在数据处理上，利用Python 技术实现云端数据的抓取、融合和备份存储，同时使用PyQt技术实现园区环境数据的可视化和数据分析。并利用各种统计分析方法，如描述性统计、回归分析和时间序列分析等，从数据中提取有关生态园区运营的重要数据。对于需要实时进行数据监测的应用，采用Apache Kafka 和Apache Flink 进行流式数据处理，并采用数据分析和挖掘技术，以实时监测资源使用情况，识别潜在的优化机会，将分析得到的数据转化到现实行动中，确保数据能得到有效的应用[6]。课题组在研究中，做到了资源分配的优化、环境保护措施的制定、不同农作物在不同环境下种植系统的调整，对整个八桂田园现代农业生态园区公共服务的改进等也进行了相应的探索。

1.3 决策支持系统

广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区数字化管理决策支持系统的设计与研究，有助于管理者和决策者在生态园区管理中，根据相关数据的分析，做出更明智的决策，帮助管理者更好地了解生态系统的状态，并采取可持续的管理措施，提升对园区的管理水平。决策支持系统，可以整合来自多种数据源的信息，包括气象数据、生态监测数据、土壤质量、植被覆盖和水质数据等。在数据分析上，利用数据分析技术，如统计分析、机器学习和模拟建模等，来发现生态园区的发展趋势和模式[7]，其可以预测未来的生态变化、辨识生态系统的脆弱性、评估不同管理策略的效果。在系统的设计中，主要采用交互式可视化操作，帮助用户更轻松地理解数据，例如在地图、图表和仪表盘上体现相关的数据视图等。可视化操作能够生动地呈现数据，使决策者能够快速识别关键信息。此外，它还能够帮助评估决策对生态园区可持续性的影响，以确保采取的措施不会对生态系统造成不可逆转的负面影响，决策系统框架设计如图2所示。

图2 决策系统框架设计

2 数据分析和管理应用

2.1 数据驱动决策

通过采集相关数据，并进行分析，可以在广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区的运营和业务中发挥重要作用，其涵盖了供应链的最佳化、库存管理、产品改进以及市场营销策略等多个方面。在资源管理方面，依赖物联网技术来采集系统数据，监测植物的生长状况，记录相关的数据，这有助于制定可持续的资源管理计划。通过实时监测水质、水位和降水数据，能够更好地规划灌溉计划，以确保水资源的有效利用[8]。

数据驱动决策有助于更加高效地管理资源，减少浪费，并减少能源的使用，从而支持可持续资源管理。此外，生态园区还通过智能的能源管理、交通最佳化以及供应链优化来减少碳排放，达到节能减排的效果。

2.2 预测性维护

预测性维护是系统管理中不可或缺的一个环节，其运用数据分析、传感器技术以及机器学习等工具，以预测设备或系统的故障和维护需求，从而给管理者带来更高效和更可靠的设备维护功能，尽最大可能做好预防性工作。这一策略的成功依赖于大量数据的管理与分析，其数据通过物联网传感器进行采集，以监测设备状态和性能。在采集数据的过程中，通过复杂的分析和机器学习算法的处理，识别潜在的故障模式和趋势[9]。其算法能够提前预测设备可能出现的故障，以便提前采取必要的维护措施。预测性维护系统实时监测设备性能，一旦发现异常情况，即刻发出警报，有助于迅速采取应对措施，有利于设备安全运行，确保园区正常运转。

众所周知，物联网的应用范围广泛，可以监测环境中的各种数据，比如空气质量、水质和土壤质量等，特别是在农业和食品生产领域，物联网传感器发挥着突出作用。通过数据分析系统的辅助，八桂田园现代农业生态园区可以实现精准农业的目标，有效减少化学品的使用，减少水资源浪费，提高食品产量，为绿色农业的可持续发展提供保障。

2.3 可持续发展评估

可持续发展是现代农业的一个重要性标志。因此，课题组在研究中，尽可能做到小成本、大效益。

在能源消耗方面，根据设计，园区可以建立一个数据采集系统，该系统提供有关电力使用情况的详细信息，包括总用电量以及采取的节能措施及效果。通过专门的分析系统，能够提出更多降低能源消耗的建议，包括增加可再生能源的比例，例如太阳能和风能等。

在经济增长方面，分析广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区的农业和旅游业的盈利能力和利润增长情况，通过创新和技术发展，园区正在积极提高对新技术的应用水平，推动创新活动的大幅增长。此外，还致力于提高物联网设备的利用率和性能，解决园区网络的共享问题，以更好地满足工作人员的需求，同时实现信息管理平台的共享机制。

在数据安全和隐私方面，园区可以利用自有服务器来存储数据，以确保内部数据的安全和隐私保护。研究中，还可采用智能化和数字化的管理工具，以提高运营的效率和效果。

3 数据的安全处理

3.1 数据安全

广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区数字化管理系统在设计和运行过程中必须高度重视保障信息安全。由于园区不仅作为现代农业的展示园区，也属于旅游区，因此，数据安全的管理也非常重要。在收集的数据中，存在很多需要保密的数据，因此，强化数据安全是确保资源的可持续管理的必要措施。

为了确保生态园区的数据安全，要采取一系列措施，包括制定健全的网络安全策略、定期更新系统和应用程序、确保在生态数据传输和存储过程中采用适当的加密和保护措施，以防止未经授权的访问或数据泄露[10]。

3.2 安全措施

在数据获取访问中，实施严格的身份验证和访问控制机制，确保只有经过授权的用户才能访问系统数据。部署防火墙和入侵检测系统，以防止网络攻击和未经授权的访问。使用强密码，并启用多因素身份验证（例如手机验证码、指纹识别）以增强账户安全性。同时确保操作系统、应用程序和安全软件都是最新版本，及时修复旧版本中发现的漏洞。使用网络防火墙来监控网络流量，阻止未经授权的访问，并检测和防止恶意活动。安装可靠的反病毒和反恶意软件程序，定期扫描系统，确保园区的设备没有受到病毒或恶意软件的感染。定期备份重要数据，并确保备份存储在安全且不容易受损的地方，以防数据丢失。建立定期的数据备份和灾难恢复计划，以应对数据丢失或系统故障的情况。

3.3 安全管理

园区系统应及时做好系统升级工作，做好安全补丁，弥补系统漏洞，减少潜在的安全风险。定期为系统管理员和用户提供安全培训，教育其如何识别和应对潜在的安全威胁。在收集和存储生态数据的同时，确保个人身份信息和敏感信息被适当地匿名化或删除，以保护个人信息安全。与此同时，加强隐私评估和隐私意识培训，进行定期的隐私风险评估，以识别潜在的隐私风险并采取适当的措施来减轻这些风险。通过隐私意识培训以增强他们对隐私保护的认识，确保他们遵守隐私政策。

4 未来研究方向及问题与挑战

4.1 智能化决策支持系统

在新的发展趋势下，自适应的决策支持系统将作为下一个研究方向，其能够利用物联网数据和人工智能技术为生态园区管理者提供更准确的决策支持，实现更高效的运营。采用人工智能和自动化技术，能实现更智能、自适应的生态园区管理，在自动化的资源调度、环境监测与控制等方面有其独特的优势。研究开发综合性的生态系统健康评估模型，能够全面评估生态园区的健康状况，并提出相应的改进措施。在探讨不同生态园区之间的数据共享和协作机制上，应建立更大范围的生态系统，实现资源优化与效率提升。项目在未来将会研究如何进一步优化能源和资源的利用，包括整合可再生能源、优化储能系统等，以实现更高程度的可持续性。研究如何加强物联网系统的数据隐私保护和安全防护，以防止潜在的安全威胁和隐私侵犯等。

4.2 问题与挑战

1）八桂田园现代农业生态园区面积广、区域多，有室内和室外的作物种植。在实现综合布线中，其主要采用有线的方式来实现，成本较高，因而其数字化管理平台的研究设计势在必行。我国的现代农业生产技术和物联网技术仍在不断发展，课题组也将重点研究无线网络的数据传输。

2）在数字化管理方面，也将面临着大量数据的传输和存储，这也增加了网络攻击的潜在威胁。黑客、病毒以及其他网络安全问题可能导致数据泄露、系统中断和潜在的财务风险。因为需要处理来自传感器、监测设备和用户的大量数据，如何有效地收集、存储、分析和利用这些数据也是一个挑战[11]。

3）不同蔬果的生长对于环境的需求不同，这需要系统分析和智能调控协同。同时，维护数字化基础设施，如服务器、传感器、网络和软件系统等，需要不断的投资和专业化管理，以确保系统的稳定性和可靠性，这也需要一定的维护成本。

4）物联网系统生成的数据可能会受到干扰或误报，因此，如何确保数据的准确性和可靠性也是一个非常重要的问题。课题组将致力于应对这些挑战，以确保生态园区的数字化管理能够顺利实施。不同厂商的物联网设备可能使用不同的通信协议和技术，如何实现跨平台的兼容性也是一个挑战。如果依赖物联网设备来进行能源管理，那么设备本身的能源供应和管理也将成为一个关键问题。园区的果蔬小气候环境差异大，缺少气候数据差异性分析系统。这些问题，都需要后续讨论研究，也将作为未来研究的一个方向。

5 结语

本文探讨了物联网技术在广西农业职业技术大学八桂田园现代农业生态园区数字化管理中的应用，通过研究相关文献和将来的发展趋势，在数字化管理系统原设计的基础上，进行改进提升。并探讨未来研究的方向和面临的挑战，将研究重点放在以下相关领域：物联网信息采集系统、智能化决策支持系统、人工智能与自动化技术、生态系统健康评估、跨园区合作与互联网连接、可持续能源与资源管理、社会参与与教育、数据隐私与安全等。同时，着力解决数据质量、跨平台兼容性、能源供应、数据保护、成本与投资回报、环境变化和灾害应对等一系列关键问题，相关研究将有助于实现更加智能和可持续发展的现代农业生态园区管理。