基于物联网的生态稻渔管理平台设计与应用

张 钟

（福建省农业科学院数字农业研究所，福建福州350003）

中国稻田养鱼历史悠久。稻田养鱼是一种种养结合稻鱼共生的立体农业，通过鱼吃草、除虫、活水、松土、增肥等作用，既能减少水稻的病虫害，又可节省农药化肥的使用，达到生物防治的效果，被认为是农村调整生产结构中绿色种养的较好方式。稻田养鱼能够实现一水两用、一田多用、一田多收、一季多收和稳粮增效的效果，经济效益显著［1-3］，国内很多地方实行稻田养鱼，带动当地农民致富，实现乡村振兴［4］。

随着种养规模的扩大，如何加强种养过程的科学管理，如何掌握成鱼销售运输途中的实时情况，如何把产品卖出去，是生产者面临的新形势。正值数字农业兴起和应用，物联网很好地解决这一问题。本文设计一套基于物联网的生态稻渔管理平台，辅助生产者对种养过程进行科学管理，实时掌握成鱼运输的动态，打通与消费者直接联系的渠道。平台还能对种养及成鱼运输过程的数据进行记录、存储、分析，做到实时及历史数据的查询，依据设定阀值发出实时告警提示。2017年该系统开始应用于光泽县联农农业专业合作社开展的生态稻渔产业生产中，助力合作社稻渔产业高质量发展和稻花渔米品牌行销，取得良好成效。

1 总体技术架构

系统的整体架构分为四层，感知层、传输层、服务层、应用层。第一层（底层）是感知层，主要是利用各种感知设备（温湿度传感器、pH值传感器、电导率传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器等）、摄像头、全球定位系统GPS感知和采集稻鱼种养过程中的环境信息、土壤信息、水质信息、生长信息及产品在流通过程中的物流信息。感知层，用于原始数据的采集，是物联网应用的源头，在整个系统起到非常重要的作用，采集的数据正确与否直接关系到后续的分析与决策管理，影响物联网的实际应用成效。第二层是传输层，负责感知层和应用层之间的数据传输，是“物与物”之间信息流通的通道，由各种网络传输方式组成，包括互联网、移动通讯网、局域网、网关等，可以是一种也可以是多种方式组合。第三层是服务层，主要作用是对门户和权限进行统一管理，接入采集数据并进行分析等。第四层是应用层，是物联网在实际业务中的具体应用，是物联网价值的集中展现。应用层利用服务层处理过的数据为生产者提供多类型的应用，如环境监控、预测预警、统计分析、物流信息监控等。应用层还提供API接口，连接各类管理应用系统，使用户可以通过PC端、APP端、微信端等访问系统。总体技术架构如图1。

图1 总体技术架构

2 应用系统设计

基于物联网的生态稻渔管理系统，包含气象数据采集子系统、水质信息采集子系统、视频图像采集子系统、物流车运输监管子系统、网络认养子系统。系统功能包括数据的收集、存储、分析、上传下载、前端展示；用户权限的统一管理；认养平台产品信息查询、用户注册、网络订单的下单。

系统对各种传感器传回的数据进行存储，结合大数据技术进行统计分析，以图形图表的形式显示各类传感器收集的实时数据和历史数据，设置数据阀值，超过限定数值时产生报警信息，做到环境数据可视化，风险报警。视频监控作为数据信息的有效补充，平台通过开放的API接口调取视频并嵌入到web端，展示关联的摄像头画面。通过实时获取的物流车GPS位置信息结合地理信息技术及第三方地图服务接口，将物流车位置信息实时显示在平台上，实现物流车辆轨迹管理和调度规划等功能。

系统仅对授权用户开放，授权用户通过web浏览器、手机APP等方式访问平台，实现授权用户随时随地查看各项环境数据、历史曲线、视频监控画面、物流车运输动态等信息。平台在识别环境参数突破预设阈值的情况下，发出相应的报警数据，依靠短信等模式向授权用户传递报警数据，用户接收报警信息后，根据当前环境做出相应措施。

网络认养作为一种新的销售模式，通过定制认养不仅增强消费者对农产品的信任度，买到放心、质优的农产品，而且为生产者细分市场保障或增强农业资本投入，以需定产大大降低生产者滞销积压风险，减少生产资料的浪费。消费者在认养平台成功下单，将获取物联网信息查询权限，实时获取稻花鱼米的生长情况，实现采购的产品从田间到餐桌的全过程监控。

2.1 气象数据采集子系统

自然条件是水稻能否实现高产的重要影响因素之一。人工影响气象的形式可降低气象条件对水稻生长的影响，但这种方式难度大作用小。另一种形式是通过采集气象数据，研究气象变化的规律性，采用科学的水稻种植管理技术，降低气象因素对水稻生长的影响。气象数据通过气象站采集。建立气象站，搭配不同类型的传感器，实现户外空气温湿度、光照、风速风向、雨量、气压等数据的采集、存储、显示、查询分析统计，方便用户远程监测田间气象信息［5］。各类传感器采集的最基础信息，为之后的数据分析和利用提供数据支撑。采集的数据通过互联网传输到管理平台，用于研究分析。

2.2 水质信息采集子系统

世界万物繁衍生息都离不开水，稻鱼的生长更是离不开水。水即是稻鱼的命，也是稻鱼的病。好水才能种好稻，养好鱼。水稻各生育期对水位的需求是不一样的［6］，水位过高或过低都会影响水稻的生长。水中的氨氮含量、水温、pH值、电导率、溶解氧等会影响鱼的生长。过去通过人为观察鱼类生长状况来判定水质变化，根据个人经验改善水质，这便造成了生产效率底下、劳动力成本增加，无法达到精准调控。将物联网技术引入到水环境调控中，利用物联网技术中的感知设备（温度传感器、氨氮传感器、pH值传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、水位传感器等）对水质温度、水位、氨氮含量、pH值、电导率、溶解氧等参数进行实时监控，通过无线网络将采集到的数据上传并存储在管理平台。管理平台对数据进行实时分析，衡量水域的环境质量，针对水质问题提前预警，向生产者发出预警信息，生产者收到预警信息后对水环境进行调控，这样能够在更大程度上有效减少生产者到田间去巡查的次数和频率，使其工作效率得到最大程度的提升。

2.3 视频图像信息采集子系统

对稻鱼生长全过程进行实时、全方位、动态监控的图像采集系统，由摄像头、硬盘录像机、流媒体服务器、光纤、交换机等组成。摄像头采集图像，硬盘录像机存储数据，流媒体服务器解决信号传递、转换等需求［7］，光纤、交换机等负责数据传输。我们可根据监控对象合理布置监控节点，进行24 h不间断监测，实时将采集信息传到存储介质，强化信息集中存储和管理，联网条件下可通过计算机、智能手机、平板电脑等，随时调阅视频，做出快速应对。视频图像采集系统是现代信息技术在农业现代化的具体应用，是田间管理的一种创新，可有效降低人工成本，提升经济效益，减少工作量，增强管理效能。通过本视频图像采集系统，管理者可随时远程查看田间实况，了解稻鱼生长状态，远程指导田间作业。

2.4 物流车信息采集子系统

鱼的品质关乎鱼的价值。减少鱼体损伤、提高活鱼质量是活鱼运输过程中必须解决的问题，影响活鱼运输效率和存活率的因素众多，主要有水中溶氧、二氧化碳浓度、温度、鱼的自身条件等［8］。物流车运输监管系统可以很好的解决这些问题，实现对物流车进行精准定位、监测和实时跟踪，实时掌握物流车运输动态，运输过程鱼的状况，有效提升物流配送精细化管理水平，增强物流运输全过程把控。系统由4G路由器、摄像头、传感器、GPS模块及触摸屏组成。摄像头监控鱼的运动状态，各类传感器采集水中溶氧、二氧化碳浓度、温度数据，GPS模块采集车辆地理位置信息，采集的各项信息通过移动通讯网，实时传回管理平台，管理平台对收集的数据进行处理，实现远程实时了解物流车运输过程鱼的健康情况及物流车位置信息。安装在物流车的触摸屏，能实时显示传感器采集的重要数据，供驾驶员随时掌握鱼的状态，出现异常状态，触摸屏会发出报警信息，提醒驾驶员采取紧急应对措施。

2.5 网络认养子系统

如今不缺优质的农产品，愁的是如何把这些优质的农产品给销售出去。随着消费者对健康、安全、环境等问题认识的提高，消费者的消费习惯已经由过去“吃饱”向“吃好”转变，优质农产品有大量的市场需求。然而，市场在供需方面存在明显的信息不对称，生产者生产的优质农产品因找不到合适的销售渠道而大量滞销，造成资源浪费。消费者缺乏与生产者直接联系的渠道，无法买到物美价廉的优质农产品。随着信息技术的发展和消费升级，越来越多的消费者习惯通过网络进行购物。网络认养作为一种新的消费模式，可实现生产者与消费者直接对接，打破信息不对称的障碍，解决生产者销售、消费者采购渠道缺乏的问题。消费者拿起手机登陆网络认养平台就可以订购稻花鱼米。有认养意向的消费者通过认养平台进行认养，认养成功后，在种植期间，可以在物联网平台上查看稻花鱼米的生产环境等实时情况，也可以畅游种植基地，亲自体验安全种养。生产者根据认养人的需求将稻花鱼米分批次或一次性送到家。认养平台的推广有利于生产者准确把握市场需求信息，进而更好地安排生产计划。

3 应用成效

2017年光泽县联农农业专业合作社开展生态稻渔产业生产全过程物联网可视化监管及网络认养，从该合作社2016年至2020年生态水稻经营面积和大米销售增长情况看，这项技术有助于增强消费者对合作社的生态稻渔产品质量安全的依赖度，带动了品牌行销和产业高质量发展，呈现出数字农业科技对数字经济和生态农业发展的巨大驱动作用。

据统计，实施可视化监管的2018年至2020年，合作社经营规模由2016—2017年约10 hm2增长到2018—2020年约55.6 hm2，增长率达到451.9%。2018—2020年每667m2大米销售额比2016—2017年增长了66.31%，2018—2020年每公斤大米销售单价也比2016—2017年增长了66.27%。

2019年12月上旬、2020年12月上旬，连续2 a开展光泽县稻花鱼米食味鉴评暨网络认养科技示范活动，推广网络认养模式，成效显著。翌年1月的网络认养销售额分别占当月销售额的59.75%和73.50%，翌年1月的网络认养销售额占12月至翌年3月累计销售额的42.00%、40.91%。2019年底开展的网络认养，帮助合作社实现2020年1月销售额116万元，占全年总销售额373.1万元的31.1%，明显高于2020年全年月平均销售额。

4 结语

科学技术的快速发展，传统的农业生产经营模式已经不能适应当下时代发展。农业物联网的发展为加速推动中国实现农业现代化提供了动力引擎［9］，对改造中国传统农业、推动现代化农业具有重要作用。农业物联网技术的应用，打破了传统的农业管理方式，实现标准化、精细化管理，降低农业投入成本，减少损失，提高产量，提升了农业生产效率，加快了传统农业现代化的步伐。网络认养模式让生产者与消费者直接对接，减少了中间环节，降低了滞销难买的风险，生产者的直接利润显著提升，消费者也便捷的购买到优质的农产品。