小规模智慧果园系统设计

王莲花，李 侃，山红梅

(1.陕西省现代农业科学研究院，陕西 西安710000； 2.西安邮电大学，陕西 西安710061)

0 引言

我国作为果树栽培大国，每年的水果产量及果树种植面积均位于世界前列。但是，我国小规模果园仍然存在如下问题：果园经营者经营观念滞后、跟不上时代潮流；果园经营者缺乏对科学技术和信息技术的了解，对新型技术的接收能力弱；果园基础设备不完善，机械化、现代化和智能化程度低；依然采用传统的经营模式和种植方式等。传统果园受土壤、环境及气候的影响较大，果农对土壤的含水量和肥力把控不准。小规模果园依旧采用大水漫灌的传统灌溉方式，不仅耗水量巨大，而且长期的大水漫灌会导致土壤出现盐渍化和贫瘠现象，也会加重病虫害。在施肥方面，由于果农缺乏对果树各个生长阶段所需营养的研究，无法科学合理地搭配肥料，也无法把控施肥量，这导致小规模果园施肥效果不明显，果园经济效益无法提高。如何从根本上解决果园经济效益低、果园产量和水果质量难以保证的问题，更新传统的经营模式，推动果园升级已成为果园经营者的迫切需求。智慧农业的兴起为我国小规模果园产业升级提供了契机，近年来，物联网技术、人工智能、大数据和5G等的高速发展为推动果园种植和经营方式提供了技术支持。其中，物联网技术和通信技术的结合可以让果园经营者足不出户地了解果园种植情况及果树生长情况，推动人工作业向机械化和智能化作业转变。因此，本文提出了一种小规模智慧果园系统，该系统能够实现远程温湿度监测、滴灌浇水、智能施肥、虫害监测和远程处理，以及智能补充光照及控制等功能，可以有效解决果农在种植果树时遇到的主要管理难题，改善果农的经营水平。

1 文献综述

智慧农业是指以物联网技术为基础的现代农业生产模式，是现代信息技术与第一产业深度融合的结果，也是现代农业发展的必然选择[1]。现阶段，学者对于智慧农业的研究主要集中在畜牧业应用、大棚蔬菜研究等，将智慧农业生产经营模式运用到小规模果园的研究较少，且大多集中在智慧果园中的监测系统、水肥一体化系统的研究。在水肥一体化方面，吴航[2]基于物联网技术设计的果园智能水肥一体化系统，通过传感器、ZigBee和4G等技术实现了对果园的实时监控和智能控制。骆东松等[3]为了解决农业中水资源和肥料浪费严重问题，开发了一种由农业信息采集、水肥调控、Web远程监控和数据信息中心组成的水肥一体化系统。在智能灌溉方面，欧志球[4]基于CC2538硬件平台和Contiki操作系统,混合COAP和MQTT协议提出一种智慧果园灌溉检测系统，试验测试表明，该系统网络连通性良好,且具有较好的能耗。在智能施肥方面，杜君[5]对ArcGIS进行二次开发，实现科学施肥。赵鹏飞[6]采用ArcGIS for Android技术，开发出小麦、玉米等的移动施肥推介系统。在监测系统方面，陈烁等[7]从前端、服务器端和数据库端3方面，设计识别虫害种类、数目的监测系统。李虎等[8]采用自动化远程控制、短距离传输和图像处理等技术，设计一套基于多源信息融合的粮仓虫害检测系统。上述专家学者对智慧果园的研究仅局限于某一个方面，本文所提出的小规模智慧果园系统可以对果园进行全面化控制和管理，小规模智慧果园系统可对果园内果树生长环境进行实时监控，保证果树在适宜的环境下生长，预防和监测病虫害，并为果农提供解决方案，实现智能水肥一体化、远程管理果园和预测果园产量等。

2 系统需求

2.1 数据需求

实现小规模智慧果园系统，主要是果园所在区域的行政区划分、河流和化肥指导单元等；果园所在位置的土壤类型、气候类型及未来降雨量等；果园所种植的果树对土壤的要求，各个生长环节所需营养水分等。

2.2 功能需求

小规模智慧果园系统根据无线传感器或者无人机等设备采集果园内果树的实时生长状况，可以通过视频、图片和表格等形式传输到移动终端上，果农可以实时观察果园内的杂草生长情况、病虫害情况、土壤含水量及营养成分、空气温湿度等，根据所接收的数据，进行远程精准管理，确保果树在最适宜的环境下生长，提高果园产量。同时，系统可实现智能灌溉和施肥一体化，根据传感器采集的果树数据，将数据传输到用户层，提醒用户选择灌溉模式和施肥方案，智能控制水肥适时适量的供给到每一颗果树。

3 系统设计

智慧果园系统主要是利用物联网、互联网、移动传感和数据库等技术，对果园中果树的生长情况进行监控和分析，实现农作物的科学管理，增加果园产量。基于物联网技术和通信网络，小规模果园总体架构主要由信息采集层、信息传输层、信息处理层及用户功能层4层架构设计组成。信息感知技术是小规模智慧果园的基础，是实现果园智慧化的重要信息来源，采用传感器技术对空气、土壤的温湿度信息进行采集。信息传输是智慧果园的纽带，也是智慧果园传输信息的通道，主要包括4G、Zigbee和Wifi等。信息处理是实现果园自动控制的基础，主要采用数据库分析、服务器处理和人工智能等技术。用户功能主要是负责指挥的中枢系统，可以根据信息采集层、信息传输层和信息处理层所处理的信息，实现资源整合、信息交换和共享，全面掌握果树的生长情况，实现远程温湿度检测、滴灌浇水、智能施肥和病虫害防护等功能。小规模智慧果园系统主要实现从果园中通过相关传感器技术采集信息，通过传输技术传输到服务器中，再由服务器反馈到App或网页终端，果农可通过App或网页终端实时了解到果园中的相关信息，然后对小规模果园进行操作。系统总体架构如图1所示。

图1 基于物联网技术的小规模智慧果园系统架构Fig.1 Small-scale intelligent orchard system architecture based on IoT

3.1 感知层

果园信息采集主要是对果园中空气温湿度、土壤温湿度、土壤肥力和二氧化碳等要素进行采集。

3.1.1空气温湿度传感器

本系统采用的温湿度传感器为DHT11型数字温湿度传感器，通过在果园中布置DHT11型数字温湿度传感器对果园中空气的温度、湿度实时采集，将采集后的温度、湿度数据传输到MySQL数据库中，经过服务器处理后，反馈到APP上，用户根据相关信息决策是否需要对果园进行相应的操作。DHT11较其他传感器，具有反应速度迅速、抗干扰能力强和性价比较高等优势。

3.1.2土壤温湿度

土壤温湿度是一个很重要的指标，可以反映出土壤状态，通过土壤温湿度传感器采集土壤温湿度后，将数据通过传输模块传输到服务器端，服务器通过传输到用户端，使用户更加全面地了解园区的相关信息。土壤温湿度传感器采用HSTL-102STRWS型传感器，可以长时间检测土壤的温湿度，具有防潮、防蛀等功能。该传感器采用5V电源电压，湿度检测范围是0～100%。当土壤湿度传感器检测到果树附近的土壤湿度低于设定值时，便会快速地将所测数据传输到APP中，果农可通过控制水泵将水以滴灌的方式浇灌到缺水区域，使种植区域土壤在合适的湿度范围内。

3.1.3土壤肥力

土壤肥力对果树的生长起着至关重要的作用，智能系统和人工操作的显著区别在于通过土壤肥力传感器测定土壤所含的营养成分后，可以精确地对果树进行施肥，所以土壤肥力传感器通过对土壤中肥力情况进行测定后，将数据传输到服务器，进一步对数据进行分析处理。土壤的酸碱度传感器采用HSTL-TRPH型传感器，土壤pH值检测范围是0～14，pH值分辨率是0.01，响应速度<5 s，采用12 V的供电电压，该传感器具有精度高、误差小、反应速度快且稳定的优点。

3.1.4二氧化碳

二氧化碳是果园中果树进行光合作用的主要原料，果园内二氧化碳的浓度会直接影响果树生长，所以二氧化碳的浓度必须保持在合理的范围内。智慧果园的二氧化碳传感器采用LM393芯片和二氧化碳气体探头，该传感器检测灵敏度高，响应速度快，使用寿命长，检测范围是0～10 000 mg/kg。

3.2 网络层

信息传输的正确性对用户最终决策的正确性起着很大的作用，本系统主要采用ZigBee、WiFi和4G进行信息传输。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，ZigBee是一种新兴的短距离、低速率和复杂率低的无线通信技术，其具有传输功率低和成本低等优势。Zigbee网络主要包括3个部分，即协调器、路由器和终端节点，Zigbee技术适合数据采集节点多，需要传输的数据量有限。它的工作频率是2.4 GHz，传输距离在0～75 m[9]。

4G、WiFi在传输数据方面，具有传输速率高、通信方式多样、价格低、兼容性高和网络频谱高等优点，主要是将ZigBee收集到的信息传输到服务器，并将服务器的数据传输到终端。在ZigBee和4G信号转换之间，选用的是德州仪器公司的CC2530协调器搭载中兴的ME3760网关模块，通过ME3760网关把协调器传输过来的数据转成4G信号发送手机App端[10]。

3.3 应用层

3.3.1服务器功能设计

服务器层对智能控制和数据分析的多个场景进行分析，采用面向对象的思想对智能控制和数据分析功能进行合理的分层设计，以保证系统的安全性和可扩展性[8]。服务器主要有3个功能：数据分析、数据存储和报警。数据分析是将采集来的信息，如土壤水分信息、土壤肥力信息、空气温度信息、光照条件、病虫害和二氧化碳等，根据这些信息建立相关的数据表，并通过相关的分析算法将是否需要灌溉、是否需要施肥、是否需要调节果园气候环境、是否需要灭虫等反馈到APP，用户根据这些信息对果园进行管理。

3.3.2数据库

本系统数据库主要有两个表：用户基本信息表和传感器信息表。用户基本信息表中主要记录用户名、用户身份、园地面积、登录密码和登录权限等。传感器信息表主要保存各个传感器的信息、传感器类型和传感器中信息的采集时间等。本智能系统的数据库采用MySQL数据库管理系统，可以使用sql语句来对数据库中的数据进行增删改查。MySQL是一种关系模型的关系数据库管理系统，是当前中小型应用系统开发所使用的数据库管理系统，其具备优异的数据存储性能，能够将果园的土壤温湿度、空气温湿度、土壤肥力和用户信息等保存到数据库中，方便果农随时查看和调用[11]。

采用物联网技术、大数据分析和云计算等技术对接各类农业基础数据系统，实现信息交换和共享，上传到专家数据决策系统，通过移动终端、浏览器等形式提供给用户，实现果园的智慧生产、智慧浇灌、智慧施肥和智慧防虫除害等。

3.3.3终端设计

小规模智能果园系统的最后一步就是实现用户手机或者互联网网页APP管理，需要对系统的APP终端进行设计。采用APP可以很大程度降低用户操作的复杂性，也可以显著提高用户操作的便捷性，本系统的终端管理APP主要包括以下7大模块：用户管理模块、传感器数据采集模块、视频监控模块、查询模块、远程控制模块、预测分析模块和帮助模块。

图2 小规模智慧果园系统功能设计Fig.2 Functional design of small-scale smart orchard system

(1)用户管理模块。

用户必须注册登录后才能使用具体功能。每个用户可申请一个自己的个人账号，用户账号和密码保存到数据库表中，系统管理员对用户的使用权限和基本信息进行管理。

(2)传感器数据采集模块。

服务器端所传输的空气温湿度、土壤温湿度、土壤肥力情况，以及光照、二氧化碳含量等果园数据可实时显示在APP界面，用户可随时登录查看果园中植物的生长环境质量。

(3)视频监控模块。

传感器只是传输果园内果树的生长数据，仅仅依靠数据不能全面了解果树的生长状况，所以在果园内安装视频监控，或者采用无人机等对果树的生长环境进行监控来了解果树的生长状况、病虫害等，根据所录制的视频或者图片，可以传输给专家进行决策。

(4)查询模块。

施肥方面，系统可以根据土壤中磷、钾、氮等含量，结合果树特性，查询智能施肥方案。作物具有一定的生长规律，精准施肥可通过分析作物生长过程中所需的营养物质，合理地预测施肥量。通过对传感器收集到的土壤肥力信息，服务器端通过神经网络的施肥模型来预测出施肥量，通过运用多个神经网络的分析模型对肥力进行分析后，将施肥相关的信息传输到APP后，用户根据土壤肥力情况来决策是否需要施肥。

浇灌方面，系统可根据果园中水源的分布状况、果树种类、土壤湿度，以及在果园中布好的抽水所用管道层的厚度，计划浇灌时间和浇灌量，并在水源附近设立抽水机。

果树病虫害方面，系统可根据监控采集的害虫图片、果树生长阶段、果树种类及果树内外部状况，判断害虫类型，系统给果农推荐灭虫方法和农药等。

(5)远程控制模块。

系统可根据传感器、数据库等信息，控制布置在果园内的水阀、通风设备、温湿度调节设备及灯具，如通过信息传输层将监测到的数据传输至服务器，同时推送至用户处，使得用户可以利用手机APP对环境的具体情况进行监测并做出适当调整，从而实现远程温湿度监测的功能。通过安置在土地中的土壤干湿度传感器实时采集土壤干湿数据，当土地干度达到土壤阈值最小值时，系统会通过通讯系统推送到用户处，用户可以通过APP决定是否需要开启设备自动浇灌。当通过传感器测的土壤干湿度达到阈值最大值时，系统会再次发送推送，提醒用户关闭抽水机。

(6)预测分析模块。

果农可直接在APP上查看系统所预测的近期降雨量、风力大小、太阳光照强度及温度等，果农可提前做好防范措施。同时系统采用ARMA模型的时间序列法，对果园产量进行预测分析。

(7)帮助模块。

帮助模块主要是为了在使用这款APP时遇到困难的果园经营者，这个模块会对系统功能进行详细介绍，告诉果农如何使用APP。

4 系统测试

此款小规模果园智慧系统测试应用于陕西省咸阳市礼泉县的汉唐智慧果园，礼泉县的土壤以褐土为主，年降水量在534 mm左右，礼泉果园种植以苹果、葡萄为主。系统软硬件调试成功后，用户可登录汉唐小规模果园智慧APP系统，如图3所示，登录界面会显示用户登陆账号和密码，果农输入账号密码即可进入系统。

图3 汉唐智慧果园用户登录界面Fig.3 User login interface of HANTANG smart orchard

进入APP主界面后，系统分为4大模块，分别是首页、生产作业、报警预警和个人中心。首页中系统会显示礼泉园区的数据监测情况，如图4所示。为了让果园工作者更好地、更直接地了解果园的种植情况，APP中也可实时观看果园的监测视频，如图5所示。另外，传感器会将数据输送到APP中，果园工作者也可随时了解土壤pH值，葡萄土壤温度、葡萄土壤水分、葡萄土壤盐分、苹果土壤温度、苹果葡萄土壤水分、苹果葡萄土壤盐分、空气温湿度、二氧化碳浓度、光照度、风向、当前降雨量及累计降雨量、电磁阀和水泵的工作状态等数据，详细数据如图6所示。

图4 礼泉园区数据监测情况Fig.4 Data monitoring in Liquan smart orchard

图5 数据监测视频Fig.5 Data monitoring video

图6 监测数据Fig.6 Data monitoring

在APP中，果园工作者可直接查询农事记录、灌溉施肥管理、设备管理和植保方案，在农事记录中，工作者可了解果园的田间记录(图7)、病虫防治(图8)及田间施肥记录；在灌溉施肥管理中，可查询任务执行状况、周期计划设置及施肥灌溉等(图9～10)。根据反馈的数据，果园工作者可根据实际情况，发送任务指令，灌溉时间与施肥时间均可远程控制。若果园的土壤水分或肥力不适合果树生长时，APP中将会出现报警预警，提示果园工作者，如图11～12所示。

图7 田间记录Fig.7 Orchard records

图8 病虫害防治Fig.8 Pest control

图9 施肥灌溉设置Fig.9 Settings of fertilization and irrigation

图10 灌溉执行Fig.10 Irrigation execution

图11 报警预警信息Fig.11 Alarm warning information

图12 预警报警设置Fig.12 Alarm setting

此外，果园工作者可通过APP查看由专家提供的植保方案，解决果园现存的实际问题，也可对接找农场网B2B销售平台，帮助果农销售果品。通过调研，礼泉县的小规模果园经营者使用该系统后，综合效益提高了126.62%，其中，经济效益增长146.82%。

5 结束语

本文针对我国小规模果园采用物联网传感器和现代通信技术设计了经济方便快捷的智慧果园APP管理系统，系统经测试应用，客户端界面简洁，操作方便，可实时采集果园温湿度、滴灌浇水、智能施肥和虫害监测等信息并传输到用户手机终端，从而实现远程智能管理和实时数据监测，帮助果农解决灌溉、施肥和病虫害等难题，大量节约水资源，合理使用肥料保持土壤肥力，减少污染，从而实现可持续发展。此外，系统设计扩展性良好，顺畅对接找农场B2B销售平台，帮助果农销售果品，大大提高果园的生产效率和经济效益。