程 楊，唐維超，唐 謙，刁 源，周廣文，武 崢，游雙艷，陳 平，楊世勇，馬 強(qiáng)*

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 404000）

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，按照邏輯可以分為設(shè)備管理平臺(tái)（DMP）、連接管理平臺(tái)（CMP）、應(yīng)用使能平臺(tái)（AEP）和業(yè)務(wù)分析平臺(tái)（BAP）四大平臺(tái)類型?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”是充分利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的跨界融合，創(chuàng)新基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品、新模式與新業(yè)態(tài)［1］。以“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”為驅(qū)動(dòng)，有助于發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型［2］。國(guó)外的“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”主要面向農(nóng)業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用及管理的方向進(jìn)行創(chuàng)新，偏向于技術(shù)驅(qū)動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”主要集中在農(nóng)資與農(nóng)產(chǎn)品交易領(lǐng)域，特別是商業(yè)運(yùn)營(yíng)，偏向于運(yùn)營(yíng)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過多年實(shí)踐，我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”已形成農(nóng)產(chǎn)品電商、產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)、專業(yè)合作社服務(wù)商、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、土地流轉(zhuǎn)電商、農(nóng)資電商等多種運(yùn)營(yíng)模式，但國(guó)內(nèi)大多數(shù)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)既不能完整耦合產(chǎn)業(yè)鏈，又不能有效進(jìn)行一二三產(chǎn)業(yè)融合，針對(duì)技術(shù)支撐和精準(zhǔn)推廣的“產(chǎn)業(yè)化+技術(shù)型驅(qū)動(dòng)”平臺(tái)更是欠缺。

重慶市擁有適宜柑橘生長(zhǎng)的條件，是全國(guó)三大晚熟柑橘產(chǎn)區(qū)之一。柑橘產(chǎn)業(yè)位居重慶市特色水果產(chǎn)業(yè)之首，是重慶市助推精準(zhǔn)脫貧和實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支柱產(chǎn)業(yè)。至2020年柑橘實(shí)現(xiàn)十四年增，面積達(dá)到24.82 萬公頃，產(chǎn)量358.2 萬噸，面積和產(chǎn)量躍居全國(guó)第五、七位［3］。然而，重慶柑橘生產(chǎn)上以傳統(tǒng)種植模式居多，主要面臨以下3個(gè)方面的問題：1）全市柑橘種植面積雖多，但基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智慧柑橘種植技術(shù)應(yīng)用極少，管理水平較低。2）種植戶規(guī)模較小，生產(chǎn)技術(shù)較落后，大量使用傳統(tǒng)化肥農(nóng)藥，土地和果品污染問題加劇。3）柑橘種植設(shè)施落后，產(chǎn)量和品質(zhì)無法有效提升，產(chǎn)業(yè)鏈延伸困難。

為此，本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的柑橘智慧種植服務(wù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“本系統(tǒng)”），緊緊圍繞提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈的目標(biāo)，以流程化作物栽培為主線，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃，管理及病蟲害防治的云端農(nóng)場(chǎng)管理，打通數(shù)據(jù)流動(dòng)的通道，將數(shù)據(jù)服務(wù)延伸到田間地頭，解決用戶痛點(diǎn)問題及行業(yè)技術(shù)矛盾，著力于加強(qiáng)用戶體驗(yàn)及其工具屬性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的打通和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的改善，為柑橘種植大戶、專業(yè)合作社和企業(yè)提供智慧柑橘種植服務(wù)，實(shí)現(xiàn)柑橘種植經(jīng)濟(jì)效益提升，為重慶柑橘產(chǎn)業(yè)的提檔升級(jí)提供強(qiáng)有力的信息化技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

本系統(tǒng)以基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為技術(shù)手段，以柑橘種植及病蟲害防治流程標(biāo)準(zhǔn)化為核心思路，通過將柑橘品種作為標(biāo)靶，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的柑橘智慧種植服務(wù)系統(tǒng)，最終以生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)流形式，實(shí)現(xiàn)將柑橘生產(chǎn)各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)信息直接準(zhǔn)確地推送給用戶。

1.1 基于AI建模的柑橘種植流程追蹤

AI（人工智能）建模是構(gòu)建基于各種算法的模型，目前AI算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法、模擬退火算法、群集智能蟻群算法和例子群算等。將成熟的柑橘種植方法與物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采集設(shè)備相結(jié)合，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與流程引導(dǎo)的方式呈現(xiàn)給種植者，形成數(shù)據(jù)互動(dòng)。種植者輸入柑橘品種和樹齡后，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采集數(shù)據(jù)，通過AI建模的方式，主動(dòng)向用戶提供種植流程。

1.2 基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)的柑橘常見病蟲害檢測(cè)

機(jī)器深度學(xué)習(xí)（DeepLearning，DL）是人工智能的最核心技術(shù)之一，它是利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決特征表達(dá)的一種學(xué)習(xí)過程。將常見柑橘病蟲害的圖譜及防治方法，與市面主流藥物品種加以結(jié)合，對(duì)接蟲情現(xiàn)場(chǎng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)，通過機(jī)器深度學(xué)習(xí)形成智能系統(tǒng)，給予種植者預(yù)防、防治方面的有效引導(dǎo)。

1.3 基于多種數(shù)據(jù)的柑橘種植工藝流程建模

根據(jù)柑橘種植工藝流程中不同渠道來源信息數(shù)據(jù)構(gòu)建AI模型，重點(diǎn)以柑橘種植數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)柑橘的不同生長(zhǎng)階段，融入環(huán)境管理、水肥管理、日常管理等農(nóng)技數(shù)據(jù)，形成完整的種植工藝數(shù)據(jù)建模。

1.4 基于面向柑橘技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用與服務(wù)架構(gòu)

以柑橘行業(yè)數(shù)據(jù)模型及知識(shí)庫為依托，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)推送等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在多用戶并發(fā)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)連接、運(yùn)算、響應(yīng)及推送問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)以柑橘種植技術(shù)指導(dǎo)為切入點(diǎn)，面向柑橘種植大戶、專業(yè)合作社和企業(yè)提供準(zhǔn)確的種植技術(shù)支撐、農(nóng)事咨詢、農(nóng)機(jī)農(nóng)藥數(shù)據(jù)互通、農(nóng)業(yè)貸款指導(dǎo)等服務(wù)，面向管理部門提供產(chǎn)區(qū)數(shù)據(jù)、種植大數(shù)據(jù)、農(nóng)資及農(nóng)副產(chǎn)品和農(nóng)村勞動(dòng)力供求缺口導(dǎo)向統(tǒng)計(jì)等服務(wù)，面向流通領(lǐng)域提供質(zhì)量溯源、質(zhì)量評(píng)價(jià)等服務(wù)，從而形成針對(duì)重慶地區(qū)柑橘產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的完整產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)服務(wù)體系，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的柑橘種植生產(chǎn)服務(wù)與質(zhì)量管理系統(tǒng)（見圖1）。

本系統(tǒng)開發(fā)目是以提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈為最終目標(biāo)，主要解決4 個(gè)問題：1）基于柑橘種植生長(zhǎng)模型，結(jié)合柑橘品種、樹齡和種植地理地貌信息、信息傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建柑橘發(fā)育階段的實(shí)時(shí)柑橘生產(chǎn)優(yōu)化模型，并完成具有針對(duì)性的柑橘種植計(jì)劃設(shè)定。2）基于人工智能模型和深度學(xué)習(xí)方法，結(jié)合柑橘病蟲害探測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計(jì)全自動(dòng)的病蟲害檢測(cè)、識(shí)別、輔助診斷系統(tǒng)。3）搭建柑橘種植周期的日常跟蹤式智慧服務(wù)平臺(tái)。4）搭建與柑橘種植技術(shù)相關(guān)的全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)平臺(tái)。

2.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的種植生產(chǎn)服務(wù)與質(zhì)量管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)以信息化手段為依托，遵循國(guó)際、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系，利用信息化技術(shù)，以SaaS 模式打造支撐智慧柑橘種植服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，通過在云平臺(tái)部署“生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)”“蟲情預(yù)警防控系統(tǒng)”“農(nóng)技指導(dǎo)系統(tǒng)”等，實(shí)現(xiàn)育種、栽培、養(yǎng)護(hù)的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析及生長(zhǎng)模式的定向分析、建設(shè)完善的生長(zhǎng)模型，為企業(yè)提供生產(chǎn)指導(dǎo)支撐，實(shí)現(xiàn)種植的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、智能化的生產(chǎn)管理。緊緊圍繞開發(fā)本系統(tǒng)最終目標(biāo)進(jìn)行架構(gòu)搭建，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成柑橘種植智能決策模塊、病蟲害防控模塊和技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助模塊等3個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

除圍繞提高柑橘種植管理水平、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈的最終目標(biāo)外，本系統(tǒng)還緊密聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理、土壤墑情探測(cè)、氣候監(jiān)測(cè)、蟲情防控預(yù)警、作物光譜分析等系統(tǒng)功能需求，構(gòu)建柑橘種植智能決策、病蟲害防控和技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助等相互獨(dú)立的模塊。

3.1 柑橘種植智能決策模塊

基于柑橘種植生長(zhǎng)模型對(duì)柑橘生長(zhǎng)規(guī)律和產(chǎn)量的定向及動(dòng)態(tài)分析，結(jié)合生理階段模型、光合生產(chǎn)模型、呼吸作用模型、干物質(zhì)積累模型，以及現(xiàn)有的設(shè)施栽培技術(shù)和農(nóng)技農(nóng)藝技術(shù)，制訂基于專家系統(tǒng)評(píng)判的柑橘日常管理和環(huán)境管理種植計(jì)劃，從而提高柑橘種植管理水平。

通過跟蹤調(diào)研實(shí)地種植區(qū)域，搜集整理現(xiàn)代栽培技術(shù)，建立柑橘種植階段數(shù)據(jù)庫、種植工藝標(biāo)準(zhǔn)庫、病蟲害特征庫。結(jié)合環(huán)境因子、作物因子、病蟲害規(guī)則、生長(zhǎng)模型參數(shù)，通過針對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，基于前期形成的柑橘生長(zhǎng)模擬模型（見圖2），生成實(shí)時(shí)用戶反饋數(shù)據(jù)，指導(dǎo)用戶生產(chǎn)工作。

通過建立物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)指導(dǎo)、病蟲害監(jiān)控預(yù)警、可視化監(jiān)控、衛(wèi)星遙感光譜分析等技術(shù)手段，實(shí)時(shí)采集種植基地內(nèi)環(huán)境及氣象數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、土壤水分、土壤溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等，結(jié)合AI算法評(píng)估，生成生產(chǎn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫及種植數(shù)據(jù)支撐體系（見圖3），輔助管理人員更好地實(shí)施生產(chǎn)控制。

3.2 病蟲害防控模塊

基于人工智能模型和深度學(xué)習(xí)方法，結(jié)合柑橘種植病蟲害探測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計(jì)全自動(dòng)的病蟲害檢測(cè)、識(shí)別、輔助診斷，制訂基于專家系統(tǒng)評(píng)判的柑橘病蟲害防治措施，從而優(yōu)化柑橘生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

病蟲害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的引入，可以為作物生長(zhǎng)提供不間斷的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，有效減少病蟲害帶來的損失，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不僅在于自動(dòng)收集和存儲(chǔ)病蟲害的數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)將信息數(shù)據(jù)上傳到控制平臺(tái)，進(jìn)行智能分析，管理人員可以遠(yuǎn)程識(shí)別田間的病蟲害，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)做好防控措施，盡快減少生產(chǎn)損失。

圖2 柑橘生長(zhǎng)模擬模型

圖3 生產(chǎn)智能決策算法

基于計(jì)算機(jī)視覺和智能識(shí)別原理，針對(duì)柑橘不同發(fā)育階段的病蟲害特點(diǎn)，在可見光范圍內(nèi)，結(jié)合病斑區(qū)域的顏色、紋理、形狀等特征，利用不同環(huán)境、發(fā)病時(shí)期、品種壓力下病害癥狀的多樣性和特異性，搭建基于深度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主動(dòng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)下的柑橘作物病蟲害檢測(cè)、識(shí)別、輔助診斷平臺(tái)。

3.3 技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)輔助模塊

基于搭建柑橘種植周期日常跟蹤式智慧服務(wù)和柑橘種植技術(shù)相關(guān)全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)，結(jié)合柑橘種植產(chǎn)業(yè)化服務(wù)需求，構(gòu)建基于柑橘全產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)體系，從而延伸柑橘種植產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。該模塊下設(shè)5 個(gè)分模塊（見圖4）。1）農(nóng)產(chǎn)品溯源板塊：實(shí)現(xiàn)種植基地生產(chǎn)信息（播種、施肥、施藥、除草、采摘等）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)視頻采集，為信息化管理和源頭追溯提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)化、可視化的支撐；2）農(nóng)技學(xué)習(xí)板塊：由權(quán)威專家以視頻方式就技術(shù)和政策指導(dǎo)實(shí)況展示；3）農(nóng)資產(chǎn)品板塊：通過AI分析，將近期生產(chǎn)需求與周邊相關(guān)農(nóng)資店鋪實(shí)際庫存進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)相關(guān)農(nóng)資產(chǎn)品如化肥、農(nóng)藥、小型機(jī)械和相關(guān)廠家進(jìn)行實(shí)時(shí)推送；4）農(nóng)業(yè)貸款板塊：含農(nóng)業(yè)貸款產(chǎn)品種類及優(yōu)勢(shì)推送、周邊農(nóng)業(yè)合作社分布、成功案例咨詢等；5）產(chǎn)品銷售板塊：實(shí)時(shí)發(fā)布企業(yè)自身相關(guān)采購(gòu)信息。

4 結(jié)語

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，面臨著農(nóng)村勞動(dòng)力缺失、傳統(tǒng)生產(chǎn)方式效率低下、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)程度低等突出問題，亟需設(shè)計(jì)構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范管理服務(wù)平臺(tái)，以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化監(jiān)控與精細(xì)化管理水平，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效的目標(biāo)［4］。2016年中央一號(hào)文件明確提出要大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈改造升級(jí)［5］。經(jīng)過多年實(shí)踐應(yīng)用，我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”已經(jīng)形成了農(nóng)產(chǎn)品電商、產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)、專業(yè)合作社服務(wù)商、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、土地流轉(zhuǎn)電商、農(nóng)資電商等多種運(yùn)作模式。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是一個(gè)充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”重要實(shí)踐模式，可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控管理，能有效降低產(chǎn)品成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，打造一個(gè)共創(chuàng)、共享、共贏“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”良性發(fā)展的生態(tài)圈。

本系統(tǒng)作為面向設(shè)施農(nóng)業(yè)柑橘種植的系統(tǒng)，把標(biāo)準(zhǔn)種植數(shù)據(jù)模型進(jìn)行引入，同時(shí)詳細(xì)設(shè)計(jì)了有關(guān)種植的數(shù)據(jù)類型與影響因子，從物聯(lián)網(wǎng)獲取實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)加以建模輔助。從軟件技術(shù)創(chuàng)新的角度講，設(shè)計(jì)涵蓋了設(shè)施類型、品種、工藝、計(jì)劃、天氣及價(jià)格的設(shè)施生產(chǎn)綜合數(shù)據(jù)模型，并研究了如何獲取有效種植數(shù)據(jù)的工具及方法。從農(nóng)業(yè)角度講，使用了一系列標(biāo)準(zhǔn)化及模型化思想，將松散的農(nóng)業(yè)資料有機(jī)結(jié)合，形成終端用戶個(gè)性化的指導(dǎo)資料。從信息系統(tǒng)的角度講，建立了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，具備從數(shù)據(jù)獲取，流通到應(yīng)用的完整框架。

圖4 柑橘種植產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈架構(gòu)

同時(shí)，本系統(tǒng)相關(guān)功能仍需不斷完善，特別是在進(jìn)行全智能AI分析的基礎(chǔ)上，如何與柑橘水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行無縫對(duì)接并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控等方面還未完全實(shí)現(xiàn)。未來需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化程度，以更好地服務(wù)于柑橘生產(chǎn)。