基于物联网技术的设施蔬菜形态建成模型应用平台研究

敫　健，张　娜，2，刘文钊（.北京农学院，北京　昌平　02206；2.北京农村远程信息服务工程技术研究中心，北京　昌平　02206）



基于物联网技术的设施蔬菜形态建成模型应用平台研究

敫健1，张娜1，2，刘文钊1
（1.北京农学院，北京昌平102206；2.北京农村远程信息服务工程技术研究中心，北京昌平102206）

摘要：为了使当今大多数设施蔬菜所面临的农业种植网络基础设施建设比较落后、不能科学的利用先进的技术手段来辅助农业的管理及种植的局面有所改变，根据设施蔬菜种植管理需求特点，设计基于物联网的设施蔬菜形态建成模型应用平台.信息化技术在农业中应用是农业的主流发展趋势，应用平台研究为物联网及农业信息化的应用提供了更有意义的选择，农技人员也可以根据传感器获取的作物信息进行作物成熟度及环境因子的查看.

关键词：物联网；成熟度预测；农业信息化平台

随着物联网技术在现代化农业中的应用，设施大棚内高度智能化的管理、实时环境数据的精确获取以及高效的农业自动化已经在农业应用中逐渐普及开来.由于计算机技术在农业中的发展缓慢所致，农技人员在种植过程中，不能直观、准确的对作物进行生育期的预测及评价，虽然已有少数的农业种植管理平台，但由于平台的设计没有与农业种植实际相结合，导致平台中的数据与实际数据相脱离，导致管理效率低、数据没有参考价值等诸多问题，外加农技人员并不熟悉复杂的平台界面导致了用户体验差的结果.

目前有不少研究机构和学者也开展了蔬菜管理相关平台，所建设的平台大多依托于数据的人工输入，并不能保证设施蔬菜中环境因子的实时的准确性，以及在多数管理平台中没有友好的用户体验.所以，多数农业种植管理中的问题没有得到完善.为解决农业管理信息化所遇到的问题，设计研究如下平台：平台中蔬菜作物关键生育期在线推演功能通过对获取数据的分析得出蔬菜的成熟度，方便农户预测采收期并采摘.而本应用平台采用数据采集层、通讯层和管理层的三层的总体框架来实现数据的获取以及分析，从根本上解决了数据获取的不及时的问题.

无论是政府相关门，还是相关农业从业者.立足于物联网，搭建设施蔬菜种植过程的在线推演系统，这是从业者可以确定收获日期，提高工作效率的一个新的途径.

1　应用平台总体框架

设施蔬菜形态建成模型应用平台主要由数据采集层、通讯层和管理层三层组成.

数据采集层主要是对温度、湿度、光照等环境参数进行监测，传感器采集的数据通过ZigBee无线网络传输到Zig-Bee汇聚节点，ZigBee汇聚节点完成数据的处理后经由通讯层的GPRS网络或3G/4G网络向管理层的远程服务器传输数据，服务器获取到环境参数数据后，进行数据解析，并将其存储到关系数据库mySQL中，通过设施蔬菜形态建成模型应用平台实现蔬菜生长过程数字信息化展示、成熟度计算等功能.如下图1所示.

图1　设施蔬菜形态建成模型应用平台总体架构图

2　相关技术

Jfan架构简介Jfan是Java Web环境中Model-View -Control（MVC模式）开发的新的框架.MVC的系统开发分为三层：View层、Control层、Model层.三层相互关联、依托.

View层是用的Freemarker模板引擎.FreeMarker是一个用Java语言编写的模板引擎，它基于已成型的模板来生成文本输出.FreeMarker与Web容器无关，即在Web运行时，它并不知道Servlet或HTTP.它可以用于生成XML，JSP或Java等格式文件，是一种表现层的实现技术.

Control层用的是Jfan框架中的Action的方法控制跳转及逻辑处理.控制层中的接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求，所以当单击Web页面中的超链接和发送HTML表单时，控制器本身不输出任何东西和做任何处理.它只是接收请求并决定调用哪个模型构件去处理请求，然后再确定用哪个视图来显示返回的数据.

Model层用的是Jfan框架中编写的Model类作为父类，实体类继承该类.通过配置系统中的配置文件和这个子类对象关系映射（ORMapping），在初始化本系统的时会加载并解析配置文件.

3　系统设计

3.1系统功能设计

应用平台功能如下图2：

图2　设施蔬菜形态建成模型应用平台

应用平台的设计主要采用JFan框架和B/S架构结合开发的设计思想.总体的设计思想如下：本应用平台面向有计算机基础的农技从业人员及企业用户，主要用于对设施蔬菜种植的基础信息的实时观测，以及成熟度的计算，生育期的推算、预测.系统用户登录以后，根据自身权限与需求，选择将要查看的模型.该平台主要包括4个模型：蔬菜关键生育期种植指导模型、蔬菜成熟度预测模型、蔬菜作物环境因子有效积累模型、蔬菜综合商品性状及生育期矫正模型.

4　模型介绍

4.1蔬菜关键生育期种植指导模型

蔬菜关键生育期种植指导模型.用于帮助平台使用人员查看当前种植蔬菜生育期，在平台中会显示有当前生育期所遇到的种植方面的提示，指导农户种植.

在种植过程中，随时关注蔬菜生育期的变化是保证蔬菜健康生长的必要条件，通过查看生育期及提示，可以及时提示平台使用者对当前生育期的蔬菜的进行相适宜的处理，以确保蔬菜在相对适宜的环境下生长.

4.2蔬菜成熟度预测模型

蔬菜的商品性状是蔬菜在生长过程中所表现出来的形态结构，生理特征，行为习惯等具有的各种特征.平台中可以查看天气预报、当前作物生长情况、成熟特性、蔬菜积温进度条.

选择此模型后，通过积温等参数带入成熟度计算公式，可以得出当前蔬菜的成熟情况.

其中d为成熟需要的天数；Ad为当前有效积温，Ae为采收所需积温，dn为成熟所需天数.

成熟度预测流程图如下图3所示.

图3　成熟度预测流程图

4.3蔬菜作物环境因子有效积累模型

蔬菜作物环境因子有效积累模型用来显示设施蔬菜的有效积累的数据，并以可视化的图表方式在页面显示，主要显示空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度等.

模型包括6种环境因子的数据的展示，展示的方式是以统计图表的方式展示的.

4.4蔬菜综合商品性状及生育期矫正模型

用户选择本模型查看蔬菜作物的商品性状信息，可以一目了然的看到所选择区域种植作物种植的情况、当前作物所处生育期等，利用设施蔬菜大棚中所获取的环境因子数据，由模型中公式计算得出便于用户判断是否该对蔬菜进行操作的提示.由于种植过程环境因子的多变性，应用平台对生育期判定会出现误差，所以在本模型中配有生育期矫正功能，以对之后种植中生育期预测有指导作用.

具体功能如下图4展示：

图4　蔬菜作物产品形成智能推演模型

理论采收期是根据某个已经确定生育期的蔬菜（例如：黄瓜），蔬菜倒数第二个生育期是理论采收期.

倒数第二个生育期的字段数值由“（1-当前积温总和/积温）”得出并取整，以上公式可以计算出预计推迟/提前天数.从平台数据库表中查找倒数第二个生育期并存入字段中.此公式直接存入程序中.

5　数据库设计

数据是信息系统的核心.蔬菜生产数据属于基础数据，包括方法、图片数据库和数据资料数据库.方法、图片数据库主要包括推理公式、蔬菜图片；数据资料数据库包括：用户/用户身份数据、传感器信息数据、传感器获取信息数据、蔬菜信息数据、蔬菜品种信息数据.在本平台的设计中，通过关键字实现图属挂接.

6　开发环境介绍

本平台是在Windows 7环境下，采用Java 2 Platform Enterprise Edition（J2EE）平台和MySQL相结合共同开发的.

应用平台采用了目前业内主流的B/S结构平台以及Java Web动态网页技术.客户端计算机上安装通用的浏览器（例如Windows操作系统的Internet Explorer）用户通过使用虚拟专用网（VPN）用浏览器向WEB服务器发出业务处理请求，WEB服务器收到请求后，如果需要业务处理，就调用业务处理组件，访问数据库，然后将处理后的结果形成HTML格式的信息返回浏览器进行显示.

6.1开发工作环境

本应用平台是利用集成开发环境Eclipse，以J2EE平台为核心，J2EE是一种利用Java 2平台来简化企业解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构.

6.2数据库管理软件

本系统采用瑞典MySQL AB公司开发，目前属于Oracle旗下公司的关系数据库管理系统mySQL作为本应用平台的数据库管理软件.

7　平台实现

应用平台主要依托于农业物联网相关技术进行数据采集和数据传输，并且通过传感器获取实际环境参数数据，通过应用平台计算，获得蔬菜种植相关的信息，方便种植管理者对该地区蔬菜种植管理.应用平台采用界面友好的页面设计方式，方便用户操作.

8　系统特点

（1）数据采集自动化：本平台数据采集层采用ZigBee无线传感网络技术构建节点，通过相应传感器自动采集数据，具有实时性高、功耗低、安全性高、准确性高等特点.

（2）系统架构组成：系统由三个层次组成，分别为数据存储层、业务逻辑层和表示层，这样扩展性及封装复用性比较强、安全稳定等.

（3）应用平台展示多样性：设施蔬菜形态建成模型应用平台展示系统是对针对不同企业对获取数据以图表方式的不同展示，应用平台以种方式展示各个生育期作物产品形态建成模型所涉及数据，从而针对不同客户满足不同市场的需求.

（4）灵活的组织结构与用户角色设置：应用平台的整体结构设计比较灵活，能满足多种类用户不同操作需求，多重角色的灵活设置与蔬菜信息管理等功能，便于不同规模组织架构的农业企业使用.

（5）对作物生育期的智能推演：应用平台中通过传感器设备对获取的数据存入数据库，通过积温等参数带入公式计算，可以得出当前选择的作物所处的生育期.通过数据库中公式推算，可以推算出理论采收期、预计推迟/提前天数等方便用户生产操作的信息.

9　结果与讨论

本文探讨了设施蔬菜形态建成模型应用平台的设计与实现，较好地综合了蔬菜生长过程中商品性状信息及环境因子数据有效积累各项数据展示、成熟度计算以及蔬菜当前生育期预测，平台的建立能够提高蔬菜生产管理与服务的信息化、科学化和现代化水平，实现蔬菜生产过程中的信息，通过应用平台直接服务于操作人员的目的.平台立足于物联网技术，通过传感器传回信息在平台端进行数据展示.在成熟度计算中通过数据运算分析，可以得出所查看蔬菜的成熟度.查看蔬菜生长环境，方便用户保存种植蔬菜的有效信息，方便所种植蔬菜的数据积累、科学研究，在实际应用方面可以便于农技人员管理作物的采摘期，提高收获效率.

参考文献:

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〔6〕高国忠.基于J2EE和MVC模式的企业信息管理系统的设计与实现.中国农业机械化科学研究院，2005.

〔7〕张猛.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计.农业工程学报，2013.

〔8〕周红伟.基于ZigBee技术的葡萄大棚远程监测系统的研究.东华大学硕士论文，2013.

〔9〕肖静.作物发育期积温计算方法及其稳定性.中国农业大学资源与环境学院，2010.

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收稿日期：2015-10-25

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0046-03