樊艷英，張自敏，陳冠萍，李碧青

(賀州學(xué)院，廣西 賀州　542899)

0　引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，但由于氣候多變，自然災(zāi)害也比較多，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對作物種植的遠程實時檢測，是解決“三農(nóng)”問題的重要手段。玉米是我國主要農(nóng)產(chǎn)品之一，具有重要營養(yǎng)價值，對玉米種植戶而言高產(chǎn)高質(zhì)是他們所期待的。玉米的生長狀態(tài)容易受到環(huán)境影響，根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，對玉米產(chǎn)量影響最嚴重的災(zāi)害為蟲災(zāi)、旱災(zāi)及水災(zāi)。因此，本文根據(jù)玉米種植特性，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)越性，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像處理、無線傳感器和移動通訊等綜合性技術(shù)，設(shè)計了一套獨有的玉米長勢監(jiān)測分析系統(tǒng)。

1　智慧農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1　智慧農(nóng)業(yè)簡介

“智慧農(nóng)業(yè)”就是將農(nóng)業(yè)種植與現(xiàn)在電子信息技術(shù)結(jié)合起來，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像處理、GIS、無線傳感器、移動通訊、自動控制、3S及專家智慧與知識集成，對作物環(huán)境的土壤養(yǎng)分及病蟲、災(zāi)情等生產(chǎn)信息進行采集與監(jiān)測，通過物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)進一步實現(xiàn)作物可視化遠距離診斷、無線控制、災(zāi)變預(yù)警等自動管理，使農(nóng)產(chǎn)品種植、銷售“智慧”化。除了精準感知作物生產(chǎn)狀況外，智慧農(nóng)業(yè)還包括農(nóng)產(chǎn)品電子銷售、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、農(nóng)村休閑旅游和信息服務(wù)等內(nèi)容。智能溫棚物聯(lián)網(wǎng)智能檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　智能溫棚物聯(lián)網(wǎng)智能檢測系統(tǒng)示意圖

1.2　物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通過精細化控制及無線傳感設(shè)備獲取農(nóng)田作物生長信息，讓農(nóng)民實時了解作物生長動態(tài)，在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時大幅度縮減農(nóng)民作業(yè)時間，節(jié)約能源，減少人力物力的投入，提高農(nóng)民收入。另外，物聯(lián)網(wǎng)可以將以往和現(xiàn)在的數(shù)據(jù)進行對比分析，提供更優(yōu)化方案，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)價值的可持續(xù)性。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制流程如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)可以為農(nóng)業(yè)園區(qū)提供溫濕度、土壤監(jiān)測、肥水灌溉、長勢分析等遠程監(jiān)控，因此農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)同樣需要感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其中，感知層主要是由視頻傳感器、電磁感應(yīng)傳感器和RFID組成的環(huán)境感知模塊構(gòu)成；傳輸層主要包括ZigBee、WLAN網(wǎng)絡(luò)、CDMA及4G等通訊設(shè)施；應(yīng)用層則包含農(nóng)業(yè)感知數(shù)據(jù)管理、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云存儲及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測中心三大平臺?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖2　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制流程

圖3　基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)框架圖

2　玉米長勢監(jiān)測試驗與方法

2.1　試驗設(shè)計

為了對玉米長勢進行分析，本文在某高效生態(tài)示范農(nóng)業(yè)園玉米種植區(qū)進行了檢測試驗。其中，主要對玉米種植面積、環(huán)境因素、長勢進行分析，然后預(yù)測農(nóng)作物產(chǎn)量。試驗主要通過視頻傳感器、溫濕度傳感器、光譜傳感器、CO2傳感器、ZigBee和4G通訊模塊等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對玉米生長期的重要參數(shù)指標進行檢測和數(shù)據(jù)回傳，為預(yù)測玉米產(chǎn)量提供有力依據(jù)。

為了實現(xiàn)對作物生長高度的判斷，在玉米種沒有種植之前，先在種植中心區(qū)域選擇1塊2m×2m的監(jiān)測區(qū)，在檢測區(qū)放置1根高度標示桿，并在4個角上安放區(qū)域標示桿，雙目CCD攝像機安放在高度標示桿正對面。在玉米生長期內(nèi)每日17:00時由攝像機拍攝圖像并回傳給控制系統(tǒng)。玉米生長高度監(jiān)測示意如圖4所示。

圖4　玉米生長高度監(jiān)測示意圖

2.2　玉米長勢實時圖像獲取方法

1)視頻模塊。視頻模塊采用德國耶拿(Jenoptik)公司的SpeedXT Core 5CCD，該攝像機使用USB2.0接口，其安裝方便的特點及高性能的圖像處理能力保證了及時、快速的處理，能夠最大程度地保存圖像信息。根據(jù)試驗需求，本文根據(jù)雙目視覺定位原理，采用雙CCD攝像機對高度標示桿進行圖像采集。相機架設(shè)過程中，以能夠完全檢測目標區(qū)域為標準，并且兩個相機高度一致、光軸平行。

在試驗過程中，通過雙CCD攝像機采集圖像信息，利用視頻解碼器對視頻信息進行簡單的預(yù)處理，然后將預(yù)處理信息進行顏色分割，得到二值化圖像，并打包傳回給后臺分析中心進行數(shù)據(jù)的處理。視頻模塊運行框架如圖5所示。

2)傳感器模塊。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的具有非常重要的作用，是進行數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵終端設(shè)備。在農(nóng)業(yè)種植方面，無線傳感器節(jié)點分布在作物種植區(qū)域，可以對種植區(qū)域的溫濕度、土壤pH、光照強度、照射時長、氧氣濃度和CO2濃度等進行檢測。

各種功能不一樣的無線傳感器節(jié)點分布在監(jiān)測區(qū)域，以無線網(wǎng)絡(luò)為平臺，通過自組織形式，順著其它節(jié)點逐級跳動傳遞和交換信息；最后，所有信息通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞到匯聚節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊傳遞到遠程終端服務(wù)器上，為玉米長勢分析系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3)通訊模塊。無線通信模塊采用SM50系列微功率無線數(shù)傳模塊，該模塊采用了微系統(tǒng)控制、模塊化設(shè)計和斷線檢測等技術(shù)。模塊具有如下特點：①微功率發(fā)射，發(fā)射功率在10mW～1W范圍內(nèi)；②載頻頻率為433MHz；③高抗干擾能力和低誤碼率；④SM50系列標準配置提供8個信道，如果用戶需要，可擴展到116信道；⑤采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，故障率低。通信模塊實物如圖6所示。

圖5　視頻模塊運行框架圖

圖6　通信模塊實物圖

2.3　玉米株高的田間測量

當玉米開花后，玉米就不再長高，一般將從天穗頂端第1花稃向下量一直到地平面稱為玉米的株高。為了了解玉米各個周期的株高情況，在玉米生長的三葉期、抽雄期和吐絲期種植區(qū)進行株高實際測量。測量時采用便攜式玉米株高測量儀，其基于機器視覺技術(shù)，利用攝像頭獲取玉米株高測量尺圖像，通過算法現(xiàn)場分析，實時獲取玉米株高數(shù)據(jù)。該儀器最高測量高達3m，滿足絕大多數(shù)玉米株高測量需求，測量出玉米高度所需時間小于1s，并能夠自動調(diào)節(jié)白平衡。測量不受天氣、光照等環(huán)境條件的影響，測量的數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至玉米長勢分析系統(tǒng)后臺服務(wù)器。在測量過程中，記錄所測玉米株高，然后由系統(tǒng)取其平均值1個周期的株高；同時，與雙CCD攝像機測量數(shù)據(jù)進行對比，尋求視頻模塊測量與實測值之間的誤差值，驗證視頻模塊測量的科學(xué)性和可靠性。

3　玉米長勢監(jiān)測分析系統(tǒng)的設(shè)計

玉米長勢監(jiān)測分析系統(tǒng)包括傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3方面內(nèi)容。其中，傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2等傳感器等來獲取植物的各類信息；傳輸層由互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。該系統(tǒng)核心模塊包括視頻、通訊和傳感器三大模塊，其根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)標準，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議、標準的數(shù)據(jù)接口和信息共享協(xié)議，集成玉米長勢信息采集和設(shè)備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時感知玉米生長狀態(tài)信息。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7　玉米長勢監(jiān)測分析系統(tǒng)架構(gòu)圖

4　試驗結(jié)果與分析

本文取出從播種后的第10、20、30、40、50、60、70、80天玉米監(jiān)測分析系統(tǒng)采集的氣溫、太陽輻射、土地濕度、測量株高的數(shù)值以及采用便攜式玉米株高測量儀測量的實際值，進行試驗結(jié)果的解析。在數(shù)據(jù)采集過程中，玉米生長狀態(tài)信息數(shù)據(jù)量大，普通的終端設(shè)備無法直接進行分析，因此需要采用后臺監(jiān)測平臺進行數(shù)據(jù)的分析。圖8為雙攝像機拍攝玉米株高圖像信息，標志區(qū)域為實際測量區(qū)域。試驗結(jié)果表明，該方法能正確提取出作物株高信息。

本文采用OriginLab 公司研發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件 Origin8.5分析數(shù)據(jù)庫信息。Origin是一款簡單易學(xué)、操作靈活且功能強大的專業(yè)函數(shù)制圖分析軟件，利用該軟件可以對數(shù)據(jù)信息進行對比分析。玉米株高與環(huán)境參數(shù)測試對比結(jié)果如表1所示。

圖8　雙攝像機拍攝圖像

播種后天數(shù)/天氣溫/℃輻射/W·m-2土濕/%系統(tǒng)測量株高/cm實際測得株高/cm11731715.9000102236612.3089201932214.224223024.538111.00505340284159.65898850294259.3210010160314598.72143145702740810.0020821080304469.01225224

該分析系統(tǒng)可以導(dǎo)出玉米監(jiān)測信息，系統(tǒng)測量株高與實際測得株高誤差在±3cm以內(nèi)，精確性高，達到了設(shè)計的要求。目前，精準農(nóng)業(yè)作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)已處于不斷測試和改進中，并初步實現(xiàn)了玉米長勢遠程監(jiān)控和分析診斷功能。以玉米長勢分析為例，該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像處理、無線傳感器和移動通訊等綜合性技術(shù)，通過用戶登錄，可以實時監(jiān)測其株高長勢、土壤養(yǎng)分、蟲災(zāi)等信息，實現(xiàn)玉米長勢可視化遠距離診斷的全程管理，保證玉米生長環(huán)境良好。

5　結(jié)論

近年來，各國家相繼開展了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測管理中，信息交互與精細化農(nóng)業(yè)的實踐推廣，形成了良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用格局，推動了物聯(lián)網(wǎng)和精準農(nóng)業(yè)研究發(fā)展。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種精準農(nóng)業(yè)玉米長勢監(jiān)測分析平臺，可以實現(xiàn)對玉米長勢的遠程監(jiān)測和精準分析。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像處理、無線傳感器和移動通訊等綜合性技術(shù)，通過用戶登錄，可以實時監(jiān)測其株高長勢、土壤養(yǎng)分及蟲災(zāi)等信息，實現(xiàn)玉米長勢可視化遠距離診斷的全程管理，保證了玉米生長環(huán)境良好。