傅曉耕

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步以及數(shù)據(jù)傳輸和無線通信技術(shù)的不斷完善，為了滿足農(nóng)業(yè)市場的需求，很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計了農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]。目前，因為病蟲害的問題，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在生產(chǎn)效率低，農(nóng)業(yè)資源匱乏、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、環(huán)境污染等問題，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能持續(xù)高效的發(fā)展[3-4]。為了解決上述問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。該方法的提出可有效緩解因病蟲害問題給農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來的影響[5-6]。并引起了許多專家和業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，也提出了很多關(guān)于農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的意見和方法[7]。

隨著監(jiān)控技術(shù)水平的不斷提高，人們對農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)也提出了很多意見，本文對農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)進行深入的分析。文獻[8]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的圖像傳感器病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。該技術(shù)中農(nóng)業(yè)病蟲害圖像信息是利用圖像傳感器進行采集的，并將采集到的圖像形式信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，通過提取農(nóng)業(yè)病蟲害圖像信息中的特征對病蟲害進行分析識別。該技術(shù)可以快速的收集病蟲害信息，但是信息收集范圍較小，容易出現(xiàn)誤差。文獻[9]提出了一種分布式移動農(nóng)業(yè)病蟲害信息采集與診斷系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)含有信息處理服務(wù)器和小型圖像采集設(shè)備，小型圖像采集設(shè)備可以通過自身的小巧性采集到人視線盲區(qū)的病蟲害圖像信息。該技術(shù)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)病蟲害的精準(zhǔn)定位，但是系統(tǒng)設(shè)備費用較高，而且農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器負(fù)載較大。文獻[10]提出了一種基于云視頻監(jiān)控的病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)可以在監(jiān)控農(nóng)作物生長狀況的同時觀察農(nóng)作物的病蟲害發(fā)生情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到服務(wù)器，工作人員可以通過服務(wù)器來了解農(nóng)作物的生長和病蟲害發(fā)生的情況。但該系統(tǒng)的監(jiān)控范圍較小，及時性較差。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)可將病蟲害的位置、病蟲害信息和和病蟲害發(fā)生時間通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸?shù)讲∠x害監(jiān)控服務(wù)器的平臺，適用于各種農(nóng)田類型的環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該健全用戶的權(quán)限設(shè)置，并保證系統(tǒng)的安全運行，從而使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)能夠不受限制的運作?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中用戶只需要登錄網(wǎng)站并通過驗證，就可以查看所有監(jiān)控點采集的農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害系統(tǒng)設(shè)計圖

2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由用戶管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、圖片管理模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、設(shè)備控制模塊和預(yù)警模塊等模塊構(gòu)成?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害系統(tǒng)硬件總模塊圖如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害系統(tǒng)硬件總模塊圖

2.1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)用戶管理模塊

監(jiān)控系統(tǒng)的訪問采用的是權(quán)限驗證，系統(tǒng)管理員可以制定普通用戶、高級用戶和管理員等不同的訪問權(quán)限，并將其保存在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時，每種用戶所對應(yīng)的服務(wù)器頁面是不相同的，普通用戶登錄系統(tǒng)時，系統(tǒng)中只顯示監(jiān)控點農(nóng)作物的環(huán)境信息和病蟲害發(fā)生情況信息；高級用戶不僅可以看到農(nóng)作物的基本信息，還可以實現(xiàn)與監(jiān)控點的數(shù)據(jù)傳輸。而系統(tǒng)管理員除了擁有普通用戶和高級用戶的權(quán)限外，還可以查看所有用戶的信息、修改用戶信息、用戶的訪問權(quán)限和密碼、新增或參數(shù)用戶等權(quán)限，農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)用戶管理模塊圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)用戶管理模塊圖

2.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)查詢模塊的主要功能是查詢監(jiān)控點農(nóng)業(yè)病蟲害的信息數(shù)據(jù)，使用監(jiān)控系統(tǒng)的用戶不僅能夠查詢數(shù)據(jù)開始和結(jié)束的時間還可以指定查詢監(jiān)控點及農(nóng)作物和病蟲害的種類?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊圖

2.3 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)圖片管理模塊

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中的圖片管理模塊可以讓用戶直接觀察到農(nóng)作物受病蟲害危害的程度。同時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了上傳模塊，其功能是確定農(nóng)作物的病情。用戶可以利用攝像設(shè)備拍攝農(nóng)作物的照片，并將照片上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器，服務(wù)器可以按照照片的種類和時間將照片保存到制定的位置。這種上傳方式較為靈活，用戶在上傳照片的同時，還應(yīng)填寫照片拍攝的時間和監(jiān)控地點方便監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器的儲存。專家和學(xué)者可以通過系統(tǒng)看到用戶上傳到服務(wù)器的照片，進行分析和解答。

2.4 農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)和設(shè)備控制模塊

農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中接收數(shù)據(jù)模塊的功能是接收監(jiān)控點采集的農(nóng)作物數(shù)據(jù)。監(jiān)控點采集農(nóng)作物生長環(huán)境的信息和病蟲種類的信息，然后將采集的數(shù)據(jù)信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到服務(wù)器。設(shè)備控制模塊的功能是控制監(jiān)控點傳送的數(shù)據(jù)信息，專家和學(xué)者可以有目標(biāo)性的收取有用的農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息。農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)和設(shè)備控制模塊圖如圖5所示。

圖5 病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)和設(shè)備控制模塊圖

2.5 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警模塊

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警模塊主要功能是在危害發(fā)生前發(fā)出警示信號，并采取有效的控制病蟲害的措施，減小給用戶帶來的損失。農(nóng)業(yè)專家和學(xué)者對病蟲害的圖像和數(shù)據(jù)進行分析，進一步確定病蟲害的種類，并設(shè)置病蟲害發(fā)生程度的報警臨界點，其目的是為了使病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警模塊能夠準(zhǔn)確無誤的進行報警，將用戶的損失降到最小。

3 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計中，數(shù)據(jù)傳輸可以方便地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)文件和多媒體信息數(shù)據(jù)的傳輸。通過對物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害的資源進行分割和優(yōu)化，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)病蟲害的數(shù)據(jù)傳輸，利用簇間優(yōu)化機制解決物聯(lián)網(wǎng)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控點區(qū)域路徑抖動的問題，最終使農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器開始工作時，負(fù)責(zé)病蟲害上傳工作的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將數(shù)據(jù)信息以數(shù)字的形式發(fā)送，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點i接收到病蟲害數(shù)據(jù)信息后，將病蟲害發(fā)生的位置和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點間的距離進行計算，計算完成后得到最近的節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)簇頭節(jié)點(CH節(jié)點)。確定了病蟲害的物聯(lián)網(wǎng)簇間區(qū)域后，節(jié)點i被記為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(PCH節(jié)點)，并將病蟲害數(shù)據(jù)信息以Hello形式傳播到物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點中。因為Hello形式包含了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的全部能量消耗信息，可以計算出物聯(lián)網(wǎng)病蟲害監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗速率。但CH節(jié)點需要首先考慮監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點能量的消耗情況，再根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的排序情況進行更新，從而可以對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點的情況進行估算。

CH節(jié)點在接收到Hello形式分組之后，計算節(jié)點i的物聯(lián)網(wǎng)能量自感閾值HDoor(i)：

(1)

式中，H(i)表示物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點i已經(jīng)消耗完的能量，j屬于節(jié)點i同一監(jiān)控點的其它PCH節(jié)點。

若節(jié)點i要成為CH節(jié)點，必須通過公式(1)計算物聯(lián)網(wǎng)路徑自感閾值，由于監(jiān)控點中的任意一個節(jié)點都有可能被選為物聯(lián)網(wǎng)中的CH節(jié)點，設(shè)任意一個節(jié)點為i，它的物聯(lián)網(wǎng)自感閾值為HDoor(i)，物聯(lián)網(wǎng)的閾值越大，表示節(jié)點的病蟲害數(shù)據(jù)傳輸性能就越好，一旦物聯(lián)網(wǎng)中CH節(jié)點出現(xiàn)故障，那么i節(jié)點被選中幾率就越高。通過計算的閾值加權(quán)∑HDoor(i)，并考慮當(dāng)前節(jié)點對下一時間段的監(jiān)控節(jié)點閾值存在的正向數(shù)據(jù)傳輸反饋，計算出系數(shù)μi進行CH節(jié)點判斷：

(2)

只有當(dāng)μi的數(shù)值比HDoor(CH)大時，才能對物聯(lián)網(wǎng)簇頭節(jié)點進行替換。因為公式(2)中得到的結(jié)果對節(jié)點替換的影響較大，所以在一定時間范圍內(nèi)的監(jiān)控點周期T中，節(jié)點i為物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點消耗的時間Time(i)為:

(3)

式中，λ∈[0，1]為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的路徑調(diào)整因子，T∈[0，1]所表示的是物聯(lián)網(wǎng)簇頭節(jié)點的監(jiān)控點更新周期，ω∈[0，1]代表的是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的路徑遞歸因子。只有當(dāng)Time(i)比T大時，才可以進行物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點更新的程序。

選取某個物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點在接收病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中PCH節(jié)點發(fā)送的病蟲害數(shù)據(jù)，在帶寬B網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，將病蟲害數(shù)據(jù)分割成Num個獨立的病蟲害信息流進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的數(shù)據(jù)傳輸，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，數(shù)據(jù)傳輸CH節(jié)點可以作為病蟲害數(shù)據(jù)傳輸中的節(jié)點，由公式(2)、(3)可通過選取物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點可以減小少病蟲害數(shù)據(jù)傳輸過程所用的能量，因此對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下病蟲害數(shù)據(jù)傳播的節(jié)點i而言，通過計算數(shù)據(jù)傳播過程中消耗的能量H(i)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的能量消耗H(j)的比值，在減少數(shù)據(jù)傳輸過程中消耗能量的同時，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬進行重新分配。而且在數(shù)據(jù)傳輸過程中不能超過物聯(lián)網(wǎng)帶寬B，所以在進行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳播過程中將病蟲害數(shù)據(jù)分成Num條子路徑，其計算公式為：

(4)

其中:η代表監(jiān)控節(jié)點中的個數(shù)的倒數(shù)，實質(zhì)為調(diào)節(jié)參數(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點對病蟲害數(shù)據(jù)完成分割后，用CH節(jié)點將監(jiān)控點中的Num個獨立病蟲害數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱粋€CH節(jié)點時，若下一個節(jié)點是j節(jié)點，那么μi、Time(i)就能與節(jié)點j形成最大化比例，即μi、Time(j)與μi、Time(j)的比值都為最大時，病蟲害數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點i所消耗的能量最少，所用的時間最短，滿足函數(shù)Fcost：

(5)

其中:φ為病蟲害數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點中的比例系數(shù)。

通過計算CH節(jié)點與監(jiān)控點中其他節(jié)點之間的函數(shù)關(guān)系，選取最大函數(shù)所對應(yīng)的節(jié)點j作為物聯(lián)網(wǎng)中下一跳的節(jié)點，完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的病蟲害數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化選取過程。

物聯(lián)網(wǎng)CH節(jié)點在選取病蟲害數(shù)據(jù)傳播路徑時，對監(jiān)控點中的下一個節(jié)點進行搜索，并通過公式(4)、(5)計算得到最好的數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的病蟲害數(shù)據(jù)傳輸。

4 測試與驗證

整個系統(tǒng)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)玻璃溫室實地測試。以農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方式組成測試系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用SIMCOM公司的低功耗SIM900A模塊。對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ЧM行測試。

測試選取的病蟲害數(shù)據(jù)都是原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸過程中，每次發(fā)送的病蟲害上傳數(shù)據(jù)包為260個，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)工作時物聯(lián)網(wǎng)的帶寬速度為20～30kb/s。分別在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下和原始網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下進行病蟲害數(shù)據(jù)傳輸實驗。實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 原始網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的傳輸數(shù)據(jù)

表2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的傳輸數(shù)據(jù)

對比表1表2可知，病蟲害原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸測試中，因為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包問題，其中數(shù)據(jù)丟包率最高達到15.28%。使數(shù)據(jù)傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)的延遲較為嚴(yán)重。在原始網(wǎng)絡(luò)下，數(shù)據(jù)傳輸過程中病蟲害數(shù)據(jù)不完整、數(shù)據(jù)延遲的問題較為嚴(yán)重，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)實際情況。測試結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)傳輸過程中傳送的數(shù)據(jù)越少，網(wǎng)絡(luò)的延遲時間越少，同時數(shù)據(jù)的丟包率也就越少。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)中，減少數(shù)據(jù)傳輸所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，同時節(jié)省了監(jiān)控系統(tǒng)的費用。

分別采用本文方法和文獻[7]方法和文獻[8]方法進行農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)接收病蟲害圖像的實時效率(%)測試，通過對單位時間內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)接收圖像信息的數(shù)量(個)進行對比，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同方法監(jiān)控系統(tǒng)接收病蟲害圖像實時性對比

從圖6中可以分析得出，本文方法接收圖像的實施效率要優(yōu)于文獻[7]方法和文獻[8]方法。本文中的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成的，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的監(jiān)控系統(tǒng)可對農(nóng)作物的圖像進行采集和傳送，提高了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的實施效率，保障了病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)傳送信息的準(zhǔn)確性。

圖7為網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化對3種方法下的監(jiān)控系統(tǒng)運行的影響結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬較大時，最大病蟲害數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)越大，系統(tǒng)傳輸延時就越小。

圖7 網(wǎng)絡(luò)帶寬變化對不同監(jiān)控系統(tǒng)運行的影響

分析圖7可知，不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬對采用本文方法設(shè)計的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)傳輸病蟲害信息傳輸位數(shù)影響不大，相比文獻[9]方法和文獻[10]方法設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)傳輸病蟲害信息延時較短，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時收取到信息，保證了系統(tǒng)運行的整體性能。

5 結(jié)束語

我國現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)面臨著勞動量較大、監(jiān)控范圍較小及數(shù)據(jù)的傳輸較為緩慢等問題。為此，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。采用該方法設(shè)計的系統(tǒng)可以通過監(jiān)控點收集和傳送圖像信息、實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同時減小了勞動量。最大程度的方便了用戶和專家的工作，為農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

[1] 龔燕飛,聶宏林.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2016,24(13):52-54.

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