基于物联网的猕猴桃质量安全控制系统的设计与实现

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　　摘要：将物联网、大数据等信息技术应用于猕猴桃（Actinidia chinensis）生产是产业发展的必然趋势，智慧生产模式与传统方式相比，具有节本、增效、精准、环保等优势。针对猕猴桃智慧生产模式设计了基于物联网的猕猴桃质量安全控制系统，对系统功能进行了详细分析，为实现猕猴桃智慧生产模式提供了新思路。
　　关键词：猕猴桃（Actinidia chinensis）;物联网;质量安全
　　中图分类号：S663.4;TP277         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）18-0123-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.025 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Design and implementation of kiwifruit quality and safety control
　　system based on internet of things
　　CAI Jie，YANG Li-xin，LIU Yan-fang
　　（Hubei Academy of Scientific and Technical Information，Wuhan  430071， China）
　　Abstract： The application of internet of things， big data and other information technologies in kiwifruit production was an inevitable trend of industrial development. Compared with the traditional mode， the intelligent production mode has many advantages such as cost saving， efficiency increasing， precision and environmental protection. the kiwifruit quality and safety control system based on the Internet of things was designed for the kiwifruit intelligent production mode， and the system functions were analyzed in detail， which provided a new idea for the realization of kiwifruit intelligent production mode.
　　Key words： kiwifruit（Actinidia chinensis）; internet of things; quality safety
　　湖北省是世界猕猴桃（Actinidia chinensis）商业栽培种的原产中心，猕猴桃资源收集、评价和种质创新等方面的研究水平处于全国领先[1]。湖北省猕猴桃种植面积占全国猕猴桃栽培面积近10%，是中国猕猴桃的主产区，但其品种结构、生产管理水平等相对于陕西、四川等猕猴桃产业大省仍存在一定差距[2，3]。随着猕猴桃产业技术发展和消费能力增加，猕猴桃产业发展日益壮大，但受制于农村劳动力稀缺、生产管理技术繁杂等因素，产业发展受到阻碍。智慧农业技术能很好地解决上述问题，实现猕猴桃生产的标准化、精准化、高效化，是猕猴桃产业发展的必然趋势。
　　1 国内外农业物联网技术研究现状
　　目前，农业物联网技术在世界各国建设发展如火如荼，部分农业发达国家的智慧农业水平处于世界领先，并在精准生产管理、节约人力物力资本、提高产能和质量方面成效显著。其中，美国、欧盟、日本等发达国家和地区在物联网发展过程中非常注重基础技术和标准建设，其物联网技术与产业发展走在世界前列。在物联网技术所涉及的感知层技术、网络层技术、应用层技术和共性支撑技术等4个关键技术层次的15个技术分支中，这些国家在物联网传感器领域的市场占有率达到63.0%，掌控着市场主导权。日本政府也非常重视农业物联网在农户中的推广应用，为解决农业劳动力不足和老龄化问题，投入巨大的资金扶持，使50%以上的农户选择使用物联网技术，其农业科技成果转化率高达75%以上[4-6]。
　　近年来，中国农业物联网技术的研究和应用也初见成效，在大田作物生产方面，已经发展了种植水稻、玉米、棉花、小麦、果树、菌类等大田作物的农业物联网系统管理模式，初步形成了包括场地环境信息快速获取、作物生长监控、农田变量施肥、精准灌溉、远程诊断、产量预测和智能装备等应用技术，构建了包括土壤墒情监测、病虫害防控与智能灌溉及育苗、种植、采收、仓储等全过程的物联网系统。在农产品质量管理方面，已形成了产地农产品信息实时采集和认证数据平台，开发了便携式质量全程跟踪与溯源终端产品，构建了农产品物流信息管理和电子交易信息管理平台。然而，中国物联网技术的研究和应用与发达国家仍然存在较大差距，尤其在数据传感传输、组网技术、系统集成融合技术等方面缺乏稳定性、精准度和统一的技术标准与指导规范，且存在各地区各行业标准不一致、标准与实际情况脱节等问题，这不仅影响了农业物联网效能的充分发挥，也导致了农业物联网建设资金的浪费[7，8]。
　　2 基于物联网的猕猴桃质量安全控制系统设计
　　該系统利用田间传感器及视频监控设备，实时获取猕猴桃生长数据上传至云平台，通过大数据决策模型结合专家经验，实现猕猴桃生产过程的动态化感知、最优化控制、智能化管理、系统化物流以及产品的可追溯，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标，这也是解决当前猕猴桃产业发展面临的瓶颈的主要出路。基于物联网的猕猴桃质量安全控制系统功能模块如图1所示。 　　2.1 基于物联网技术的生产过程信息融合
　　①接入管理。猕猴桃种植园区规模庞大，需要铺设多个网关提供数据接入。网关数据报送到云端或云端数据传输到网关时，必须给予授权，杜绝非法网关接入影响系统安全和数据一致性。网关接入该系统时，必须携带网关id和token。
　　②设备管理。提供设备创建、设备访问，实现数据采集和数据服务（实时数据、历史数据）。
　　③环境监控设备。空气温湿度、土壤温湿度、光照、降水、风速、土壤墒情、植物长势及养分监测。
　　④控制设备。水肥药一体化智能施肥机、植物灯系统、智能控制器
　　⑤视频监控。在猕猴桃种植园区安装枪机、球机等高清监控摄像机，实现对箱体、植株、现场的实时监控。具有权限的用户、专家可通过手机或PC等控制终端远程查看、云台控制、录像、回放、抓拍等（图2）。
　　同时，设备数据、视频监控数据也是该系统中溯源记录的一部分，可以在大屏幕上展示各基地物联网设备采集上传的基地视频监控数据、植物长势、气象数据以及土壤数据。物联网数据每次采集数据量小、频次高，故Lora网关收集后采用专用的物联网MQTT协议报送到云端。传感器、PLC采用手拉手方式连接。视频组网则采用支持POE供电及ONVIF协议的高清摄像头，通过RTP/RTSP流传送，可使用在4G或WIFI环境（图3）。
　　2.2 基于大数据技术的猕猴桃智能生产管理
　　通过Hadoop集群存储海量生长过程中数据，并对数据进行清洗和分析，同时采用Apache Spark作为大数据处理计算引擎，通过机器学习进行数据决策。分析一定周期的采集数据、视频数据、工作日志，判断生长趋势、品质趋势，并提供决策模型，如水肥一体系统、植物灯系统的启动策略，并下发到边缘控制模塊，在适合一定规则下自动或手动启用控制系统。
　　①水肥药决策分析。叠加设备采集的环境数据和植物长势信息，预测并分析猕猴桃种植区水肥药需求，据此设置系统报警策略、控制策略，并实时调整控制策略，实现反馈控制。
　　②病虫害分析。指定周期的视频记录及叠加设备采集的环境数据，预测并分析病虫害及趋势，并据此设置系统报警策略、控制策略。
　　③品质分析。影响猕猴桃的品质主要是根、茎、叶、花、果，系统可自动统计一段时间采集的数据，分析如叶片厚度密度、光照度、土壤养分等，预测并评估品质系数，从而制定控制策略。
　　④控制决策。根据病虫害及品质分析结果，结合设备属性，制定自动控制及手动控制策略。其中，自动控制条件包括某设备的某个属性数据连续n次偏离预定值，则启动水肥药一体系统或植物灯光系统时间。自动控制策略将自动同步到园区边缘计算系统，可无需人工值守，自动操作。
　　⑤报警设置。设定设备某属性偏离一定预定值时，给予报警。报警方式包括监控室灯光、手机短信。该系统同时持久化保存该报警信息。
　　2.3 基于标签和二维码技术的质量安全溯源
　　以实现高效猕猴桃生态农业示范园质量安全为目标，以“标准化生产、标识化追溯”为突破口，以二维条码为载体，构建猕猴桃质量安全追溯系统。通过在生产基地应用便携式农事信息采集系统，实现生产履历信息的快速采集与实时上传;通过在生产企业应用有机猕猴桃安全生产管理系统，实现有机生产的产前提示、产中预警和产后检测;通过在配送中心应用农产品物流配送管理系统，实现车辆监控和物流调度，通过将供应链各环节数据汇集到园区管理部门，构建追溯平台数据库，实现上网、二维条码扫描、短信和触摸屏等方式的追溯，从而保障猕猴桃的产品质量（图4）。
　　3 系统硬件
　　系统硬件设备部分主要包括无线传输基站建设、传感节点布置、水肥一体化设备、病虫害预测防控设备、视频监控设备等（表1）。
　　4 实例应用
　　在武汉市周边选取2处猕猴桃基地开展试验示范，示范面积667 m2。应用前后在节本节水节肥、产量品质提升方面效果明显，有效解决了企业人力成本不足，增加种植户收入（表2）。
　　5 小结
　　通过猕猴桃生产过程质量安全控制关键技术研发，整合、集成现有的相关软硬件设备，提高猕猴桃生产种植的智能性、精准性，起到节水节肥、提高产量的作用，同时搭建物联网云平台，让企业无门槛、低成本接入，大幅降低农业企业的管理运营成本（包括宽带接入、服务器配置、数据处理、广告宣传、人工服务、专家诊断、智能远程控制等）。在示范基地建成取得良好效果后，技术成果和生产规范可以扩展应用到其他类似种植品种中。
　　该系统使用方便、功能强，且设计先进、合理，具有很强的适用性，可随时适应形势和信息网络发展步伐，随时升级及增加功能，因此系统产品的经济寿命相当长。全面推广应用后，预计可全面提升相关系统软件的性能、提高农业综合效益、增加农民收入、推进农业转型升级，为湖北省猕猴桃产业精准作业体系的形成打下坚实的基础。
　　参考文献：
　　[1] 赵春江，李 瑾，冯 献，等.“互联网+”现代农业国内外应用现状与发展趋势[J].中国工程科学，2018，20（2）：50-56.
　　[2] 赵春江，杨信廷，李 斌，等.中国农业信息技术发展回顾及展望[J].中国农业文摘-农业工程，2018，30（4）：3-7.
　　[3] 李 佳，？李瑞正，丁黎明.基于物联网架构的智慧农业及发展建议[J]. 农业工程，2019，9（10）：56-58.
　　[4] 葛文杰，？赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J]. 农业机械学报，2014，45（7）：222-230，277.
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　　[6] 杨秋菊，韩 乐.农业物联网中多传感器数据智能融合方法研究[J]. 现代电子技术，2019，42（20）：29-32.
　　[7] 闫 菲. 基于RFID的猕猴桃产品质量安全追溯系统的研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2015.
　　[8] 张江南，王 海. 基于数据中心的农业物联网系统的设计[J].计算机技术与发展，2019，29（9）：179-182.
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