呂 宏 靖

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 沈陽 110866; 2. 遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站, 沈陽 110034)

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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遼寧水稻冷棚育秧中的應(yīng)用

呂 宏 靖1,2

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 沈陽 110866; 2. 遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站, 沈陽 110034)

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,其技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在這一趨勢下,農(nóng)業(yè)部和科技部提出利用網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平明顯提升。遼寧水稻機(jī)械插秧已經(jīng)跨進(jìn)全面機(jī)械化階段,但要想發(fā)揮機(jī)械插秧的高效率的特點,就需要培育高質(zhì)量壯秧,只有大棚集中育秧才能確保提供高質(zhì)高量的秧苗。由于水稻育秧工作專業(yè)性很強(qiáng)的,不同生長時期秧苗對環(huán)境要求十分苛刻,近年來經(jīng)常發(fā)生育秧失敗的情況,這不單造成經(jīng)濟(jì)損失更耽誤農(nóng)時;通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠監(jiān)控大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù),通過自動控制確保秧苗處于最佳生長環(huán)境。以千山物聯(lián)網(wǎng)水稻冷棚為例,介紹其架構(gòu)和運作模式和應(yīng)用成效及現(xiàn)階段存在問題,只有配套相應(yīng)政策才能保證農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng); 水稻; 冷棚; 育秧

遼寧省的第二大糧食作物水稻的總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的23%左右,但是作為遼寧省的主食作物有著舉足輕重的地位[1]。遼寧的水稻種植機(jī)械化水平逐年提高,尤其在2013年遼寧省水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平有了質(zhì)的飛躍;在省委、省政府提出全省要基本實現(xiàn)水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的目標(biāo),在全省范圍內(nèi)開展了“千萬畝水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化工程”。經(jīng)過各級政府和有關(guān)部門的共同努力,全省水稻生產(chǎn)綜合機(jī)械化水平達(dá)到80%以上,其中機(jī)插率達(dá)83%,按照我國基本實現(xiàn)全程機(jī)械化的評價標(biāo)準(zhǔn)80%來衡量,遼寧省基本實現(xiàn)水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化[2]。要發(fā)揮水稻機(jī)械插秧的高效率,除了機(jī)手機(jī)具等因素,育秧質(zhì)量是最直接影響插秧的效果;同時育出壯秧也是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國歷來就有“秧好半年稻”之說[3]。故此遼寧省水稻育秧的好壞成為機(jī)械化移栽質(zhì)量的瓶頸,同時也是遼寧省水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。冷棚育秧是遼寧省水稻育秧使用最廣泛的方式,它比地膜育秧更保溫、育秧量大;冷棚棚架在育秧結(jié)束后可拆卸節(jié),提高土地利用率,其育秧效果和設(shè)施農(nóng)業(yè)品質(zhì)一樣,但其投入成本比設(shè)施農(nóng)業(yè)低,具有很好的實用性。現(xiàn)階段遼寧省的冷棚育秧質(zhì)量主要受冷棚內(nèi)環(huán)境因素影響,主要的影響因素是土壤水分和棚內(nèi)溫度。秧苗會通常在上午噴灌一遍水調(diào)節(jié)土壤水分,棚內(nèi)的溫度則是人工通過溫度計測量,采取卷膜通風(fēng)降溫的方式完成。這種方式依賴種植戶的個人經(jīng)驗,調(diào)節(jié)精度不高,調(diào)節(jié)不及時,浪費人力資源,難以保證最佳的育秧環(huán)境[4-5]。通過在水稻育秧冷棚內(nèi)部署物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),育秧管理人員可以通過電腦或手機(jī)等設(shè)備隨時了解育秧大棚內(nèi)環(huán)境并可遠(yuǎn)程遙控或者自動控制大棚內(nèi)的設(shè)備,實現(xiàn)農(nóng)藝最優(yōu)化管理,可提升壯秧率,最終實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)[6-7]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)簡介

2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上正式確定了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念,并隨后發(fā)布了《ITU Internet reports 2005— the Internet of things》,ITU在報告中指出,新的通信時代即將到來,信息與通信技術(shù)(ICT)己經(jīng)從滿足人與人之間的溝通,發(fā)展到人與物、物與物之間的連接,無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信使我們在信息與通信技術(shù)的世界里達(dá)到了全新的深度和廣度,任何時間、地點、連接任何人,變成任何時間、地點、連接任何物品,這種全新的連接就是物聯(lián)網(wǎng)[8-9]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)信息功能模型

圖1 物聯(lián)網(wǎng)信息功能模型

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通過信息科學(xué)視點圍繞信息的流動過程抽象出物聯(lián)網(wǎng)信息功能模型[10],如圖1所示。信息的獲取包括信息的感知和識別,感知事物的狀態(tài)和變化,識別事物的運動狀態(tài)并能記錄和表達(dá)出來;信息傳輸包括信息的發(fā)送、傳輸和接收環(huán)節(jié);將事物的狀態(tài)和變化的記錄信息從一個點傳輸?shù)搅硗庖粋€點的過程就是信息傳輸;信息處理就是對信息的加工,以某種處理方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行變化形成新的信息,即制定策略的過程;信息施效是信息最終發(fā)揮效果的過程。通過儀器和設(shè)備干預(yù)對象事物的狀態(tài)、運動和變化方式等,使對象按預(yù)期效果進(jìn)行變化。通過信息循環(huán),物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了“感-知-行”的功能。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)通常由3個部分組成,情景感知系統(tǒng)、情景處理系統(tǒng)和情景應(yīng)用系統(tǒng)[11-13],如圖2所示。其中情景感知系統(tǒng)包括各類傳感器設(shè)備,無限通訊設(shè)備和各類執(zhí)行功能的設(shè)備;通過傳感器收集信號向情景處理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。情景處理系統(tǒng)處理上傳的數(shù)據(jù),通過相應(yīng)模式運算推倒出執(zhí)行策略;情景應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)執(zhí)行策略控制各類執(zhí)行功能的儀器達(dá)到預(yù)想的效果,從而對感知系統(tǒng)所處環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)時時數(shù)據(jù)傳輸,借助計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)化計算,制定最佳執(zhí)行方案,進(jìn)行時時控制。

圖2 冷棚育秧物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2 遼寧省水稻冷棚育秧現(xiàn)狀及農(nóng)藝要求

2.1 遼寧省水稻冷棚育秧現(xiàn)狀

遼寧省水稻生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)全面機(jī)械化,但機(jī)械移栽的效率和質(zhì)量受到育秧質(zhì)量的制約;為移栽秧提供優(yōu)質(zhì)的配套秧苗離不開水稻的集中育秧。在遼寧水稻集中育秧最廣泛采用的方式為水稻冷棚育秧;通過集中管理可以便于保證秧苗素質(zhì)、控制病蟲害、出苗整齊。種子在冷棚里從播種到提供成秧,是水稻生產(chǎn)中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)。

遼寧省水稻育秧冷棚規(guī)格為:棚寬12 m左右、高3 m左右、長100 m左右。育秧大棚由于棚內(nèi)空氣容量大、晝夜溫差小且溫度穩(wěn)定,受棚外環(huán)境溫度變化的影響小,尤其適合應(yīng)對北方倒春寒的低溫問題。由于棚架高,棚內(nèi)人工作業(yè)方便,為培育壯秧提供基礎(chǔ)條件。

2.2 遼寧省水稻出苗期間農(nóng)藝要求

遼寧省水稻育秧通常在4月中下旬開始,通過苗床播種機(jī)在秧盤上播種后,開始水稻出苗管理。水稻出苗的關(guān)鍵因素為適宜的水分和溫度,水稻冷棚育秧在出苗期間要求保溫保濕,秧盤的苗土的水分管理為底水澆足,一般狀態(tài)不澆水;在出苗頂土或秧土變白時需要噴灌補(bǔ)水。出苗期間棚內(nèi)溫度應(yīng)盡量高于20 ℃,溫度盡量控制在30 ℃左右,但溫度超過35 ℃時則需要通風(fēng)降溫,確保溫度適合快出芽;北方春季地溫較低,可采用無紡布代替地膜,即能保溫保濕還比地膜更透氣,促出苗效果更好。

2.3 遼寧省水稻出苗后農(nóng)藝要求

出苗后的管理根據(jù)秧苗的具體情況調(diào)節(jié)澆水時間和水量大小[14]。1葉1心期應(yīng)保持旱田狀態(tài),這一階段的澆水原則為“三看”:一看土面是否發(fā)白和秧根的發(fā)育情況,如果床土發(fā)白需要澆水,二看早、晚時葉尖所吐水珠的大小;早晚水珠變小需要澆水,三看午間高溫時新葉是否卷曲,如有卷曲,需要澆水。澆水在早上8點鐘左右用16 ℃以上的水進(jìn)行適當(dāng)澆灌,一次澆足。1葉1心期至3葉期床土宜保持半干狀態(tài),并采取干濕較低的灌溉措施,起到以水調(diào)氣、調(diào)肥和調(diào)濕的護(hù)苗作用。在機(jī)械移栽前3～4 d開始通風(fēng)煉苗,控制床土水分,確保秧苗不蔫萎的前提下,使秧苗處于渴水狀態(tài),便于移栽后秧苗生根早、返青快,分蘗提前。

棚內(nèi)高溫高濕,秧苗生長快,但超過35 ℃時秧苗生長過快,秧苗素質(zhì)下降;濕度大于85%易發(fā)葉瘟病。所以棚內(nèi)溫度控制在35 ℃以下,相對濕度控制在85%以下。在秧苗長出2 cm左右時,棚內(nèi)溫度應(yīng)控制在22～25 ℃,2葉期溫度控制在22～24 ℃。3葉期控制在20～22℃,超過25℃需要通風(fēng)降溫。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻冷棚育秧中的實際應(yīng)用

遼寧省鞍山市千山區(qū)農(nóng)機(jī)推廣站是遼寧省農(nóng)機(jī)系統(tǒng)里最先實施物聯(lián)網(wǎng)水稻冷棚育秧的單位。2013年由于鞍山市的水稻大棚育秧出現(xiàn)諸多問題,20%左右的水稻育秧失敗,損失近千萬。故此水稻大棚育秧引進(jìn)科學(xué)化精細(xì)管理變得十分必要。千山區(qū)鐘長瑞站長經(jīng)過多年的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引進(jìn)、消化、試驗、應(yīng)用、示范和總結(jié),初步完成了水稻冷棚育秧物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu),并通過實際應(yīng)用取得令人滿意的效果,具有推廣價值。

3.1 千山區(qū)水稻冷棚育秧物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

按照物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)將水稻冷棚育秧物聯(lián)網(wǎng)分為3層結(jié)構(gòu)。在情景獲取層中中WSAN為無線傳感器和無限執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò),傳感器通過Zigbee/WSN及Zigbee-WiFi[15]網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綗o線路由器上傳到Internet的服務(wù)器上,軟件收集信息并顯示在手機(jī)和電腦上,設(shè)定參數(shù)可以提供信息報警,人工可以選擇相應(yīng)應(yīng)用服務(wù)對環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。

3.2 信息功能系統(tǒng)架構(gòu)

上行通道:傳感器收集棚內(nèi)環(huán)境信息,通過采集卡----Zigbee/WSN----Zigbee-WiFi網(wǎng)關(guān)----無線路由器----Internet,通過手機(jī)和電腦可以顯示并具有紅字報警功能,視頻采集器與Zigbee-Wi-Fi網(wǎng)關(guān)均通過現(xiàn)場的WiFi-3G路由器連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。

下行通道:手機(jī)和電腦可以通過軟件將指令通過Internet傳到物聯(lián)網(wǎng)大棚的WiFi-3G路由器----zigbee-wifi網(wǎng)關(guān)----zigbee協(xié)議無線控制節(jié)點相應(yīng)的執(zhí)行器,對大棚的環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)水稻育秧大棚應(yīng)用效果

該物聯(lián)網(wǎng)水稻育秧大棚架設(shè)在千山區(qū)趙武農(nóng)機(jī)合作社,大棚管理者就是合作社的所有者,經(jīng)過幾年的應(yīng)用,水稻育秧取得了很好的效果,并且通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)節(jié)省了很多勞力。由于育出的秧苗質(zhì)量高,被其他農(nóng)戶認(rèn)可,2015年初已經(jīng)有人提前預(yù)定秧苗,確保育秧的銷售收益。

4 物聯(lián)網(wǎng)在冷棚育秧中的存在的問題

首先,物聯(lián)網(wǎng)在冷棚育秧應(yīng)用上存在著最大問題就是成本[16]。如果只為一個或者幾個大棚搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),那么后臺計算和控制的軟件的開發(fā)成本將成為最大的支出,如果軟件系統(tǒng)只是針對單個大棚開發(fā),這樣的軟件也變相造成資金上的浪費。降低成本的辦法就是成規(guī)模的大棚集中使用系統(tǒng)從而攤薄軟件開發(fā)成本。由于農(nóng)戶只看到傳感器和應(yīng)用設(shè)備,對看不見的軟件并不容易買賬。故此物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺最好是開放式的公共平臺,由政府主持管理,對數(shù)據(jù)流量進(jìn)行補(bǔ)貼。

其次,物聯(lián)網(wǎng)在冷棚育秧中最為核心的功能----智慧管理或?qū)＜蚁到y(tǒng)依然缺失。專家系統(tǒng)收集傳感設(shè)備上傳信息,根據(jù)秧苗生長階段最適合的環(huán)境條件為執(zhí)行功能設(shè)備提供策,通過報警提示通知管理者進(jìn)行處置。由于水稻育秧在出芽前和出芽后不同葉齡時期都有生長最佳的環(huán)境參數(shù),只有大量記錄數(shù)據(jù)配合育秧效果形成數(shù)據(jù)庫,通過相應(yīng)的回歸分析才能完善專家系統(tǒng);也只有專業(yè)系統(tǒng)才能代替經(jīng)驗,科學(xué)管理水稻育秧。

最后,物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,而且不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織又各有側(cè)重,重疊和交叉較少,標(biāo)準(zhǔn)化工作也處于不同階段;同時由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,新的技術(shù)和設(shè)備也在不斷升級中,由于軟件開發(fā)公司都是獨立開發(fā),并且不提供源代碼公開,所以后臺運行的程序和軟件的兼容性不強(qiáng);這些因素都會制約物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的使用和推廣。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被國家列為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢,如果政府提供服務(wù)器,開發(fā)開源管理軟件,完善智能管理,統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),降低使用成本,將為物聯(lián)網(wǎng)在冷棚育秧中乃至整個農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里發(fā)揮其巨大潛力提供必要的條件。

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Application of IOT technology in cold shed seedlings cultivation of rice of Liaoning province

LYUHongjing1,2

(1. College of Engineering, Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, China;2. Liaoning Province Agricultural Mechanization Technology Extending Organization, Shenyang 110034, China)

In recent years, IOT technology has been dramatically developed, which has already operated in agricultural production. This new trend has been well known, so Ministry of Agriculture and Ministry of Science and Technology togetherproposed IOT as new Internet technology to increase the modern agriculture productionlevel. Liaoning Province rice transplanting has entered the comprehensive mechanized production stage. However, to makerice transplanter fully operated,only massive greenhouses (cold shed)cultivationcould guarantee the quality and quantityof rice seedlings. Rice seedling cultivation requires high technology, and because during the lifetime of seedling, seeds required different critical environment factors in different time. The failures of seeding works could cause total ruin, which occurred in Liaoning Province several times. This disaster not only wasted money, but also missed the planting time. IOT could monitor the seeds growing environment in real time, by using the IOT, we can adjust the environment factors which completely matchthe suitable cultivation parameters. Take Qianshan County IOT seedlings cultivation greenhouseas for example,this article introduces the structure, functions, operation results and problems of greenhouses’ IOT system. To protect IOT technology operated healthily in agricultural production, government policy support is indispensability.

internet of things; rice; cold shed; grow seedlings

2015-05-26。

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項基金項目(201203059-1)。

呂宏靖(1980-),男,遼寧沈陽人,沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生,遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站高級工程師。

1673-5862(2016)01-0033-04

S237

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.008