果园生产数字化管理系统设计与实现.pdf

农技服务2023，40（8）：5257投稿网址http：/果园生产数字化管理系统设计与实现付绘澄,陈维榕,赵泽英,李莉婕,童倩倩,王虎（贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006）摘要推进果园生产管理数字化，有利于提高生产者的收益和果业竞争优势，促进水果产业高质量发展。为贵州山地果园生产管理数字化建设提供技术支撑，从果园生产管理的核心需求出发，针对传统果园生产管理中存在的果园管理粗放、生产管理人员流动性强、生产全过程信息采集困难等不足，综合应用物联网、云计算、大数据、移动互联等数字农业技术，设计与构建果园生产数字化管理系统。该系统通过农业物联网技术对果园生产管理全过程信息进行规范化采集，形成生产信息数据库，在此基础上建立集公共管理中心、生产数字化管理和IOT（物联网）管理于一体的管理平台，实现果园生产标准化管理和果品质量安全追溯，由此提高果园生产管理水平，提升果品产量和质量，同时降低生产成本。关键词果园；生产管理；数字化；智慧果园；数字农业随着物联网、云计算、大数据、移动互联等现代信息技术的发展，农业从单一的技术模式逐渐发展到集多种新技术、新成果与多模式技术的综合应用。农业科技飞速发展，农业已不仅取决于农业资源投入的多少，还取决于现代技术和信息的获取及运用程度。虽然近年我国水果产业发展迅猛，但目前我国果品生产的数字化发展整体仍处于初级阶段，果品生产端的数字化水平较低，果树种植与果园管理过程中数字化、信息化和智能化技术的应用与发达国家相比仍存在较大差距1，制约水果产业整体效益的进一步提升。数字农业是将信息作为农业生产要素，利用信息技术、物联网技术和数字化手段，实现农业生产过程中对农作物全生命周期信息数据的标准化、精准化及快速化获取，通过计算机技术进行可视化表达、数字化设计、信息化管理的现代农业2。精品水果是贵州省十二个农业特色优势产业之一，在果园生产管理方面进行数字化建设，通过应用数字化技术提升果园生产管理能力，可有效提升果品产量和质量，同时降低生产成本，提高资源利用率，切实提高生产效益，促进精品水果产业高质量发展。关于果园数字化管理，现有研究主要关注信息的传输和处理，针对分散农户生产行为及其需求的数字化管理研究较少3。因此，从果园生产管理的核心需求出发，针对当前贵州山地果园生产管理中需解决的主要问题，设计与构建果园生产数字化管理系统，实现果园生产管理数字化，为提高生产者收益和果业竞争优势提供技术支撑。1 1系统需求分析1 1.1 1果园生产管理需解决的主要问题1.1.1果园管理粗放果园管理涉及面广，包括建园管理、定植管理、栽培管理、生长管理、基地管理、采收管理、投入品管理、病虫害管理等。各环节都存在一定的复杂性，数据记录存在一定困难，难以逐一记录。同时，水肥、农药等投入品多依据种植经验进行投放，化肥和农药的投入量不当会破坏土壤结构和果园生态平衡，致使果树生产能力和果品品质下降。收稿日期 2023-01-05基金项目 贵州省科研机构创新能力建设专项资金项目“精品水果果园数字化管理创新平台建设”黔科合服企（2021）15号作者简介 付绘澄（1993），女，研究实习员，硕士，从事农业信息技术研究。E-mail：8期付绘澄等果园生产数字化管理系统设计与实现1.1.2生产管理人员流动性强根据实地调查，贵州省大部分果园都存在雇佣的临时员工，且其流动性强，难以开展系统性的生产数据和信息采集工作，以及数据的实时统计，易导致果园生产档案不完善。1.1.3生产全过程信息采集困难影响果品品质的因素较多，包括土壤、水肥、气象、病虫害、生长周期管理等，因而生产管理上需采集的数据类型多样，包括数值、文字、图片、视频等多种类型，需要规范性的数据采集方式和采集方法，以及统一的数据结构。1.1.4技 术 服 务 体 系 不 健 全在 苗 木、基地、投入品、农机具等生产资料的供应体系，以及栽培管理和病虫害防治等技术指导体系方面不健全，相关的信息化和数字化水平不高。1 1.2 2系统功能需求分析针对果园生产管理中需解决的主要问题，根据不同的用户需求，系统实现的功能主要有基地管理、工人管理、农业ERP管理、生产管理、溯源管理。各功能可根据用户需求进行个性化定制。1.2.1基地管理包括基地基本信息、地块管理、数字地图管理、档案管理等。1.2.2工人管理包括员工和临工管理、工时记录等。1.2.3农业ERP管理包括物资管理、仓库管理、供应商管理、客户管理、采购管理、销售管理、库存管理、物资领用管理、售后管理等。1.2.4生产管理包括品种管理、批次管理、监测管理、农事任务管理、农事记录等。1.2.5溯源管理包括企业信息、果品信息、果品环境数据、农事数据、果品检测报告等。2 2系统技术构架果园生产数字化管理系统综合应用农业物联网、云计算、大数据、遥感、人工智能等现代信息技术，可远程获取果园生长环境数据，包括空气温度、湿度、土壤水分、光照、风速、雨量、病虫害等方面的视频、图像、数字参数信息，然后由应用网关层传输至数据服务中心，利用数据分析和聚合技术，建立果园物联网生长环境与图像数据库、生产管理信息数据库、农业技术服务数据库等，在此基础上建立管理平台，实现水肥一体化灌溉控制、果品安全生产溯源、病虫害监测等（图1）。农业物联网技术是利用物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，利用农业物联网感知技术获取农业信息，通过农业物联网传输技术进行整合处理，再通过农业物联网智能加工技术和操作终端实现农业全生命周期的过程监控和科学决策。其中，通过感知层采集设备，对果园气象、土壤墒情、水肥一体、视频和图片等数据进行采集。经过数据整合，实现对果园生产环境的实时监测，结合大数据手段，挖掘果园生产环境数据、投入品数据、果品各阶段长势及历史发展数据，最终形成果品历史成长模型。感知层利用数据采集模块对果园生产的环境数据、长势数据、病虫害、知识库以及农事操作数据进行采集，相关数据通过物联网设备进行实时上传，数据的更新主要通过物联网设备采集、人工采集、第三方接口传输等方式实现。53农技服务llllllll图1 1果园生产数字化管理系统技术架构3 3系统功能通过建立果业数据采集标准和规范4，以产区基础地理信息数据库建设、遥感和气象数据库、果园物联网、水肥管理标准化等方面为切入点，建立果园生产数字化管理的标准和流程，据此设计果园生产数字化管理系统各项功能，主要包括公共管理中心、生产数字化管理和IOT（物联网）管理3个模块（图2）。其下设的子模块可根据用户需求进行个性化定制。图2 2果园生产数字化管理系统功能设计 548期付绘澄等果园生产数字化管理系统设计与实现3 3.1 1公共管理中心平台公共管理中心平台包括用户中心、工作台和系统管理3个功能模块。3.1.1用户中心包括部门管理、用户管理、角色管理等。部门管理可创建多级部门，创建部门需设置部门编码，可组织部门的管理和相关操作权限。部门分类：1，综合部；2，种植部；3，采购部；4，库存部；5，销售部；6，临时员工等。部门管理操作支持搜索、查看、编辑、删除、分级管理等。用户管理主要负责用户信息的增删改查。角色管理主要负责人员与部门关联管理，分配用户权限。3.1.2工作台该模块展示用户相关的工作处理概要信息，包括“我发起的”“待办事宜”“已办事宜”“抄送事宜”“流程委托”“流程监控”，展示用户的工作情况、工作进度及工作安排等信息。3.1.3系统管理包括系统配置、系统调度、系统缓存、系统日志、系统监控、数据管理等。3 3.2 2IOT管理平台IOT 管理平台包括物联网设备管理、运维管理、告警中心、规则引擎、通知管理 5 个模块。1）设备管理上，对于品牌及型号不同的设备，包括采集设备和控制设备，均视为某一类型的产品设备，产品设备核心包含消息协议、传输协议、存储策略、设备类型模块。添加新设备时，需设置设备ID、名称、产品分类、所属产品、设备说明、设备照片等。设备详情同步其所属的产品详情，具体包括设备信息、运行状态、物模型、设备功能、日志管理、设备诊断。2）运维管理是针对具体设备的管理，支持添加、编辑与维护设备、设备认证配置、产品标签内容维护等。3）告警中心可创建告警配置，需设置告警名称、告警类型（产品、设备、其他），告警级别（超紧急、紧急、严重、一般、提醒）、告警备注说明。场景联动是规则引擎中业务逻辑的可视化编程方式，可通过可视化的方式定义设备之间联动的规则。当触发条件指定的事件或属性变化事件发生时，系统通过判断执行条件是否已满足，决定是否执行规则中定义的执行动作，如满足执行条件，则执行定义的执行动作；反之则不执行。通知管理模块可通过平台向指定用户发邮件、微信、短信等通知，且告警消息通知的内容及发送方式可进行自定义配置。3 3.3 3生产数字化管理平台生产数字化管理平台包括基地管理、工人管理、农业ERP（企业资源规划）管理、生产管理、溯源管理5个功能模块。3.3.1基地管理包括基地基本信息、地块管理、数字地图、档案管理等。1）基地基本信息是基于基地全景GIS5或三维模型、果园当前种植规划、物联网设备、土壤养分等，通过地图直观展示整个果园的状况，包括果园位置、面积、主栽品种、种植时间、种植数量。2）地块管理是基于基地全景 GIS 或三维模型，在地图上通过描点连线的方式实现绘制地块和关联地块，地块绘制信息包括边界宽度、背景颜色、轮廓边界颜色、透明度、类型、描述说明等。可在绘制地块的地图上，在对应地块上添加或关联IOT管理平台的智能设备。3）数字地图管理是基于卫星地图GIS或三维模型的形式，展示基地所有地块分布图，支持点击地块查看地块基本信息，点击地图上的设备标记查看设备数据（多设备数据弹框）。4）档案管理是按照一定的要求和格式记录果园生产情况、果品采收情况、农业物资情况、投入品情况、员工情况等，形成电子档案进行留存。3.3.2工人管理包括员工和临时工管理、工时记录。员工工时记录包括工时起始日期、工时时长、任务描述等。3.3.3农业ERP管理包括仓储物资管理、供应商管理、客户管理、采购管理、销售管理、库存管理、物资领用管理、售后管理等。农业物资管理流程如图3所示。55农技服务图3 3农业物资管理流程3.3.4生产管理包括品种管理、批次管理、监测管理、农事任务管理、农事记录等。1）批次管理主要是依据果园种植活动，通过关联地块绑定果品生产批次，地块被批次选中后成为不可用状态。2）农事生产管理基于批次实行。3）监测管理可实时查看生产基地的环境、水肥、农机、病虫害等状况，以及设备的开关状态、可用状态、异常信息等。4）农事任务管理是对农事任务类型、任务说明、投入品类及用量、任务状态、作业人员、任务完成情况等的记录。农事任务类型包括园区整地、栽植搭架、幼树养形、灌溉、除草、病虫草防治、套袋、疏果、采收、防倒伏、防寒防冻、防旱防涝等。5）农事记录用于记录关联批次农事过程中的实时画面和描述（作业内容、物候期、投入品使用情况等）。3.3.5溯源管理包括企业信息、果品信息、果品环境数据、农事数据、果品检测报告等。其中，农事数据包括：种植（苗木的品种）、土壤管理（整地开穴/中耕松土/深翻扩穴/除草/树盘覆盖）、施肥（促梢/催芽/稳果/壮果/采果/基肥）、施水（灌、排、浇、滴、喷）、整形修剪、药剂/施用（防治病虫害的名称）、异常（恶劣天气、灾害异常记录）、花果管理（授粉、控花、疏果、保花保果、果实套袋）、采收（人工剪果、机械采摘）、出货（销售出库）等。4 4系统实现综合考虑系统功能对稳定性、响应速度及实时性等多方面的要求，果园生产数字化管理系统以B/S模式系统架构，采用SpringBoot开源框架，基于Java 8、Spring Boot 2.x、WebFlux、Netty、Vert.x、Reactor 等技术开发，使用MyBatis进行关系型数据库连接，服务器操作系统采用 Windows Server 200864 位，地图功能服务基于 ArcGIS Server10.1 REST，数据库系统采用Micrsoft SQLServer 2008。系统使用全响应式编程开发建立具有企业级性能的管理系统，部分子模块的数据记录页面如图47所示。图4 4病虫害防治记录 568期付绘澄等果园生产数字化管理系统设计与实现图5 5农药采购记录图6 6农业劳动力投入数据图7 7农事操作记录5 5小结果园管理粗放、生产管理人员流动性强、生产全过程信息采集困难是贵州省山地果园生产管理中需解决的主要问题，制约果园生产效益及管理水平的提升。为此，综合运用农业物联网、大数据、人工智能等数字农业领域相关技术，建立果园生产数字化管理系统，一方面可对果园生产管理全过程进行实时监测，通过全面的信息获取与分析，实现生产智能化管理，有力改变盲目的经验型果园生产管理模式，促进果园生产的标准化高质量发展；另一方面，通过对果品生产、质量溯源、农资管理、质量监督等方面的全程监管，实现果品生产全要素监测、产业数据集中处理及分析优化，实现果品质量及其检测结果等的全程闭环追溯，改善果园管理服务体系，同时满足用户对果品生产及产业数据服务的需求。参考文献 1 严婉瑜，韩旭，尚永强，等.果业数字化发展趋势及其特征分析 J.中国果树，2023（1）：116-121.2 周清波，吴文斌，宋茜.数字农业研究现状和发展趋势分析 J.中国农业信息，2018，30（1）：1-9.3 谢玉瑶.猕猴桃生产信息化管理系统开发与应用 D.咸阳：西北农林科技大学，2022.4 周国民，樊景超，吴定峰，等.基于XML的果园环境数据采集和数据表示J.天津农业科学，2015，21（12）：76-79，83.5 王元胜，李瑜玲，吴华瑞，等.农业园区全景GIS数字化系统设计与应用 J.农业工程学报，2018，34（11）：143-149.（责任编辑：黄筑斌）57