貴州農業(yè)科學 收稿日期 基金項目 山東省省級現代農業(yè)產業(yè)園創(chuàng)建項目 青島藍莓生產物聯網監(jiān)測大數據分析與服務平臺 青島農業(yè)大學高層 次人才科研基金項目 基于群體智能的變異測試用例生成方法 作者簡介 殷登科 男 高級農藝師 從事作物高產栽培技術研究 通訊作者 許海洋 男 副教授 博士 從事智慧農業(yè) 云計算研究 基于物聯網的藍莓生產智能管控 云平臺構建及應用 殷登科 許海洋 尹建華 葛樹蓮 青島西海岸現代農業(yè)示范區(qū)管委會 山東 青島 青島農業(yè)大學 理學與信息科學學院 山東 青島 青島西海岸新區(qū)農業(yè)農村局 山東 青島 青島西海岸新區(qū)農業(yè)廣播電視學校 山東 青島 摘要 青島西海岸新區(qū)于 年開始栽培藍莓 在相關政策扶持下 藍莓產業(yè)進入高速發(fā)展階段 截至 年 面積達 隨著物聯網 云計算技術的發(fā)展 智慧農業(yè)已經成為農業(yè)發(fā)展的新方向 已建成 多種作物果蔬的云平臺 極大的推動了農業(yè)信息化進程 為實現藍莓的標準化和智慧化生產 從技術架構 數據采集與處理分析 通信傳輸 可視化管控 智能決策和精細化服務等方面介紹了基于物聯網的藍莓生產 智能管控云平臺構建及應用 關鍵詞 藍莓生產 云平臺 智能管控 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 引言 年 青島西海岸新區(qū)開始栽培藍 莓 開創(chuàng)了國內人工規(guī)?；耘嗨{莓的先 河 在相關政策扶持下 藍莓產業(yè)進入高速 發(fā)展階段 面積達 青島西海 岸省級農業(yè)高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū) 農高區(qū) 是國內最早進行藍莓規(guī)模化開發(fā)的地區(qū) 截 止 年 農高區(qū)藍莓種植面積達 已建成藍莓標準化生產基地 個 面積為 年 中央 號文 件指出 加強現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設 擴大對特色優(yōu)勢農產品覆蓋范圍 面向農業(yè) 全產業(yè)鏈配置科技資源 為貫徹落實中 央 號 文 件 的 要 求 農業(yè)農村部制定了 年農業(yè)農村部網絡安全和信息化工作 要點 指出 推進種植業(yè)信息化 加快推 進種植業(yè)信息資源整合 持續(xù)完善農情 災 情 病蟲情和土壤墑情以及農藥 肥料等生 產資料信息化監(jiān)測管理手段 黨的十九大 報告指出 加快推動互聯網 大數據和實體 經濟的深度融合 構建現代農業(yè)全產業(yè)鏈服 務體系 在鄉(xiāng)村振興和大數據戰(zhàn)略實施背 景下 農高區(qū)緊緊圍繞 高端 高質 高效 三 個目標 加速提升園區(qū)藍莓生產智慧化 規(guī) 模集群化 品牌高端化 打造 產品優(yōu)質安 全 農業(yè)資源利用高效 產地環(huán)境良好 產業(yè) 發(fā)展有機融合 的藍莓生產體系 產業(yè)體系 和經營體系 隨著物聯網 云計算技術的發(fā) 展 智慧農業(yè)已經成為農業(yè)發(fā)展的新方向 陳玥婧等 提出采用物聯網進行數據采集 構建了基于區(qū)塊鏈和物聯網的農產品質量 安全追溯系統(tǒng)框架 解決了農產品質量安全 追溯問題 曾鏡源等 構建基于物聯網的 果園現場監(jiān)測系統(tǒng) 實現了對果園灌溉的實 時監(jiān)控 周健飛等 建立基于云計算的農 機零部件網絡協同設計系統(tǒng) 實現了農機數 字化云平臺 提高了數字化設計效率 針對 傳統(tǒng)農業(yè)物聯網存在的問題 程宏杰等 構 建農業(yè)物聯網云 將物聯網采集的數據保存 在云端 由云平臺負責數據的存儲 分析 發(fā) 布和共享 并以云服務的方式為廣大用戶提 供數據 可見 我國農業(yè)云平臺建設取得了 初步成效 已建成多種作物果蔬的云平臺 極大的推動了農業(yè)信息化進程 目前多數 云平臺仍然處于數據展示階段 未充分發(fā)揮 大數據在農業(yè)產業(yè)發(fā)展中的作用 現有云 平臺普遍存在以下共性問題 農業(yè)數 據采集維度不全面 采集頻次不科學 數據 量積累有限 農業(yè)關鍵核心數據缺失 數 據質量 標準化程度不高 數據處理力度 有待加強 增值應用不夠 缺乏深度特征挖 掘 農業(yè)云平臺管理經驗缺乏 重建設輕 運營 數據共享開放不足 為實現藍莓的標 準化和智慧化生產 推動青島西海岸新區(qū)藍 莓產業(yè)深度發(fā)展 在前人研究的基礎上采用 和 搭建前端開發(fā)框架 框 架 搭 建 后 臺 系統(tǒng) 對藍莓生產數據進行多維度采集并挖 掘分析 構建基于物聯網的藍莓生產智能管 控云平臺 將新一代信息技術應用到藍莓 生產中 構建集 實時采集 標準化整合 深 度挖掘 智能決策 全面共享 于一體的藍莓 生產智能管控體系 實現以智能化管控為手 段 標準化數據為核心 促進高效生產為目 的的藍莓智慧生產 該系統(tǒng)的建成對推動西 海岸藍莓產業(yè)提質增效 實現農民增產增收具 有重大現實意義 藍莓生產智能管控云平臺構建思路 系統(tǒng)架構 云平臺采用 層系統(tǒng)架構 分別為數據 源層 智能網關層 分析處理層 服務層 業(yè) 務應用層 圖 數據源層通過傳感器 監(jiān) 測器等智能硬件設備采集數據 智能網關 層是感知網絡接入 連接異構網絡的通信系 統(tǒng) 實現通訊和數據格式標準化 分析處理 層包含分析工具 如 分 析類庫 如 維護各種 統(tǒng)計分析模型 并通過模型的反饋和校驗 持續(xù)提高分析和預測模型的準確性 基于 微服務的服務層 根據業(yè)務構建服務 通過 輕量級的通信 實現自動化獨立部署 達到 獨立自治 組合集成 持續(xù)部署 業(yè)務應用 層根據農戶和企業(yè)的需求分析 完成場景深 化 研發(fā)滿足用戶需求的應用方案 如藍莓 生長需冷量分析 土壤肥力測定 藍莓產量 預測 藍莓質量溯源等 期 殷登科 等 基于物聯網的藍莓生產智能管控云平臺構建及應用 圖 藍莓生產智能管控云平臺架構 技術架構 技術架構是建設藍莓生產智能管控云平 臺的核心 云平臺采用 和 搭建 前端開發(fā)框架 向用戶提供環(huán)境監(jiān)測 視頻監(jiān) 控 環(huán)境預警等數據的實時動態(tài)展示 提供土 壤有機質和酸堿度 農情變化趨勢等分析和 預 測 報 告 采 用 框架搭建后臺系統(tǒng) 主要提供數 據存儲 協同過濾 統(tǒng)計分析 全維度鉆取等 功能 云平臺集成面向物聯網數據采集 大 數據計算框架搭建 智能分析處理等功能 實 現藍莓生長數據的可視化展示 分析預測 為 決策支持和知識服務提供支持 同時 將數 據集成 分析處理和業(yè)務應用相互分離 使得 平臺各層之間相互獨立 各層具有良好的可 擴展性 有利于數據分析處理的優(yōu)化升級 業(yè) 務應用的拓展集成 以及藍莓產業(yè)鏈的整合 協同 數據采集 藍莓生長數據是藍莓生產智能管控云平 臺的基礎 根據采集的數據內容與維度 建立 藍莓生長監(jiān)測指標體系 面向園區(qū)農戶 農民合作社 農業(yè)農村主管部門等各類主體 與用戶群體 開展藍莓生產管理數據需求情 況調研 結合藍莓產業(yè)發(fā)展特點 分析相關數 據指標及軟硬件性能需求 支撐藍莓生產智 能管控云平臺的應用 通過架設各種類型的 傳感器和監(jiān)測器 采集藍莓生產過程中的數 據信息 包括氣象環(huán)境 生長視頻 土壤墑情 種植信息 農事活動 采收信息 蟲情災害等 如 安裝在監(jiān)測點的遠程自動墑情氣象站可 實時采集空氣溫濕度 光照強度 濃度 土壤溫濕度 土壤溫濕度等數 據 數據采集系統(tǒng)實現了數據的變時采集 遠程傳輸和實時存儲 將多種傳感器 不同視 角獲取的異構數據進行融合 形成基于物聯 網的藍莓生產數據 提高藍莓生產信息采集 的深度和廣度 數據分析處理 面對平臺采集的海量數據 如何對多種 來源的數據進行有效地整合分析 將數據分 析處理技術應用到藍莓生產領域 得到對于 藍莓生產實際有價值的信息 促進藍莓產業(yè) 突破性發(fā)展 是藍莓生產智能管控云平臺研 發(fā)的目的 數據分析處理過程主要包括可視 化分析 數據挖掘和預測性分析三個階段 可視化分析將枯燥的數據以圖形化的形式顯 示 便于與數據直接進行交互 使用者易于接 受 理解 通過可視化分析 使得農戶和管理 部門能夠探究數據內部隱藏的規(guī)律 及時了 貴 州 農 業(yè) 科 學 解和掌握藍莓生長和生產動向 為農戶開展 農事活動提供精準指導 關聯分析 時間序 列分析等挖掘算法是數據分析處理的核心 根據不同的數據類型和業(yè)務應用 選擇與之 相對應的數據挖掘算法 才能科學地呈現數 據潛在的知識 通過掌握的數據和挖掘的知 識 建立藍莓各階段生長模型 通過不斷修正 校驗 為藍莓生產智能管控提供預測性分析 云平臺系統(tǒng)的實現 數據采集模塊 環(huán)境采集模塊主要對藍莓生長過程中的 主要參數 如空氣溫濕度 光照強度 濃 度 土壤溫濕度和 土壤溫濕度 等數據進行采集 圖像采集模塊主要采集藍 莓生長環(huán)境的視頻數據 為蟲情病害的智能 化診斷提供原始素材 氣象與墑情監(jiān)測模塊 負責對采集的環(huán)境數據進行監(jiān)測 以便發(fā)現 異常數據 在實施過程中 根據用戶的需求 選擇具 有代表性 種植規(guī)模較大 基礎條件較好的藍 莓基地作為物聯網系統(tǒng)的現場實施監(jiān)測點 在農高區(qū)建立了 個藍莓科技園區(qū) 每個園 區(qū)選擇 個監(jiān)測點 總共 個監(jiān)測點 安 裝部署設施環(huán)境傳感器 并加裝視頻監(jiān)測設 備 在 個園區(qū)建立分控中心 在每個分控 中心安裝數據服務器 進行數據的標準化整 合 并通過顯示屏實時展示各產業(yè)園監(jiān)測點 的數據信息 此外 在需要提質增效的藍莓 生產基地 選擇 個監(jiān)測點 安裝部署環(huán)境 監(jiān)測傳感器和視頻監(jiān)測設備 通信傳輸模塊 通信傳輸模塊保障多種類型的傳感器 采用不同的傳輸方式進行數據的可靠傳輸 由于云平臺的數據源層包含多種類型的傳感 器 而且數量眾多 傳輸方式各異 如 有線 傳感器有 串口 總線 以太網 和有線模擬量等傳輸方式 無線傳感器包括 和 等傳輸方式 因此 在進行通信傳輸設計時 充分考慮云平 臺數據的統(tǒng)一性原則 功能的擴展性原則與 系統(tǒng)的可維護性原則 云平臺采用具有邊緣 計算的網關 滿足多種網絡接入方式 確保數 據采集傳感器處于可靠和不間斷的網絡連接 中 各種類型的傳感器通過標準的數據解析 協議 由智能網關統(tǒng)一解析 將標準化數據通 過以太網上傳至服務器 在藍莓種植基地的室內外環(huán)境中 考慮 到惡劣環(huán)境對設備的影響和后續(xù)維護的便捷 性 通過設置無線網橋和網橋基站實現通信 傳輸功能 在溫室及大田監(jiān)測點分別安裝無 線網橋 在分控機房外安裝網橋基站 通過無 線傳輸設備可以實現各溫室設備參數 傳感 器所采集的信息及視頻采集信息上傳 并通 過網絡傳輸到總控中心機房平臺 智能控制模塊 智能語音驅鳥設備 蟲情監(jiān)測器 植保 機 水肥一體化和藍莓追溯平臺等硬件設備 主要滿足藍莓種植 生產的需求 其既可以提 供檢測數據 又可以輔助藍莓生產 部署在 物聯網云平臺的計算資源 對傳感器數據進 行異常數據剔除 缺失數據補償 非線性校正 等數據預處理方法 實現采集數據的前端檢 測與處理 通過對傳感器數據進行邏輯校 驗 保證數據的完整性 合法性 提高采集數 據的準確性 而對于不同采集來源的數據 通過云平臺進行匯集 實現海量異構數據的 集成 并支持數據資源的開放和共享 通過對藍莓生產中的實際問題進行分析 和研究 考慮到既滿足用戶作業(yè)任務的執(zhí)行 效率 又要提高計算資源的使用效率 在現有 云計算資源調度算法 的基礎上 設計并實 現了基于負載預測的虛擬資源調度策略 滿 足實際不同生產場景的多任務資源調度 云平臺的應用服務 可視化管控 藍莓生產智能管控云平臺數據維度多 數據量大 服務應用范圍廣 以智能信息處 理 決 策 模 型 和 等大數據關鍵技術為支撐 云平臺關注氣候 環(huán)境 視頻 預警 監(jiān)測和控制等 類數據集 期 殷登科 等 基于物聯網的藍莓生產智能管控云平臺構建及應用 采集和存儲環(huán)境數據 萬多條 視頻數據 發(fā)布監(jiān)測預警信息 多條 建立了 分控 總控 分布式存儲的藍莓生產智能管 控數據中心 為平臺的應用分析提供了有效 基礎數據 圖 圖 藍莓生產智能管控云平臺 智能決策 云平臺建立多維分析引擎模塊 篩選能 力強 對環(huán)境數據 積溫變化 需冷量要求 光 照時長和土壤墑情進行分析 建立基于多源 異構數據的藍莓生產決策分析模型 基于數 據挖掘的藍莓種植環(huán)境預測預警模型和藍莓 產品品質評估模型 構建藍莓種植栽培 藍莓 需冷量監(jiān)測和藍莓生長環(huán)境預警等多種類型 的專家知識庫 需冷量是藍莓提質增效的一 個重要技術指標 需冷量不足會影響藍莓的 生長發(fā)育 造成藍莓花期延長 坐果率低的現 象 為提高藍莓生產效率 需要精確計算不 同品種的藍莓需冷量 使其盡早進入下一個 生長發(fā)育階段 云平臺通過監(jiān)測藍莓歷年生 長環(huán)境數據和樹勢形態(tài) 挖掘不同品種的藍 莓需冷量 圖 建立需冷量模型 促進藍莓 整體解除休眠和萌動發(fā)芽 實現藍莓生產數 據智能分析處理關鍵技術的創(chuàng)新 科學地指 導藍莓種植生產 圖 智能管控云平臺監(jiān)測藍莓的需冷量 貴 州 農 業(yè) 科 學 精細化服務 面向種植戶 合作社 科研院所 政府管 理部門等不同群體 云平臺運用發(fā)布訂閱 智 能推薦 精準推送 智能檢索等技術 提供個 性化 專業(yè)化 定制化實時信息服務 構建符 合青島地區(qū)特點的藍莓生產智能管控云平 臺 為提高藍莓產量和優(yōu)化品質提供科學依 據 助力農戶增效 通過藍莓生產智能管控云平臺 對藍莓 生產信息進行監(jiān)測 收集 挖掘 分析藍莓生 長相關聯的數據 實時觀測環(huán)境數據動態(tài)變 化 形成報告或圖表 使農戶可以直觀的掌握 藍莓生長動態(tài) 為進行農事活動提供參考數 據 提高農戶科學生產的技術本領 推進農業(yè)升級 藍莓生產智能管控云平臺建立覆蓋藍莓 種植全過程 企業(yè)加工的生產環(huán)境及產品運 輸銷售環(huán)節(jié)全程可追溯體系 該平臺采集的 藍莓生產數據為區(qū)域農業(yè)重大災害 病蟲害 防治提供現場資料 為農業(yè)主管部門提供實 時全面的決策依據 提高政府常規(guī)農業(yè)指導 的科學性和服務效率 從而促進農業(yè)生產管 理和農業(yè)結構調整 結語 藍莓生產智能管控云平臺以如何將新一 代信息技術應用到農村實體產業(yè)中為出發(fā) 點 以物聯網 云計算 大數據和移動互聯等 新一代信息技術為基礎 構建包括多維度數 據實時采集 可靠傳輸 異構集成和深度挖掘 分析的藍莓生產智能管控云平臺 集成面向 物聯網數據采集 大數據計算框架搭建 智能 分析處理等功能 實現藍莓生長數據的可視 化展示和分析預測 為決策支持和知識服務 提供支持 滿足不同生產場景的需求 形成 藍莓生產 管理 服務智慧化技術創(chuàng)新體系 從而加強新一代信息技術與農戶生產的有機 結合 全面促進藍莓產業(yè)的提質增效和轉型 升級 同時 在構建藍莓生產智能管控云平 臺實踐中 探索出一系列成功經驗 為打造鄉(xiāng) 村產業(yè)振興齊魯樣板提供了可借鑒模式 參考文獻 劉愛玲 王玉美 李國成 等 青島西海岸新區(qū)藍莓產 業(yè)現狀及發(fā)展建議 中國農技推廣 中共中央辦公廳 中共中央 國務院關于抓好 三農 領域重點工作確保如期實現全面小康的意見 農業(yè)農村部辦公廳 年農業(yè)農村部網絡安全和 信息化工作要點 陳玥婧 周愛蓮 謝能付 等 基于區(qū)塊鏈和物聯網的 農產品質量安全追溯系統(tǒng) 農 業(yè) 大 數 據 學 報 曾鏡源 洪添勝 楊 洲 等 果園灌溉物聯網實時監(jiān) 控系統(tǒng)的研制與試驗 華南農業(yè)大學學報 期 殷登科 等 基于物聯網的藍莓生產智能管控云平臺構建及應用 周健飛 劉 娜 基于大數據和軟件仿真的農機數字 化設計 云 平 臺 構 建 農 機 化 研 究 程 宏 杰 朱 震 宇 陳 澤 農業(yè)物聯云的設計與實 現 江蘇農業(yè)科學 王 川 董曉霞 鄭建華 等 基于移動互聯的農業(yè)農 村信息速調平臺 構建與應用 農業(yè)大 數據學報 陸林峰 管孝鋒 黃海龍 等 基于農業(yè)物聯網的應用平 臺構建 浙江農業(yè)科學 王 萍 付曉聰 許海洋 云計算中基于負載預測的虛 擬資源調度策略 青島農業(yè)大學學報 自然科學 版 責任編輯 黃安林 貴 州 農 業(yè) 科 學