楊勇 樊剛強

摘 要：大田生產(chǎn)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一種必然趨勢，能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化和智能化奠定良好基礎(chǔ)，而在大田生產(chǎn)中，需要考慮的因素眾多，必須做好作物生長狀況的跟蹤管理，為水肥管控和病蟲害防治提供可靠依據(jù)，以此來保證作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到大田作物生產(chǎn)中，構(gòu)建相應的視頻監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對于作物的實時監(jiān)測，保證田間管理的有效性。本文從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵及構(gòu)成出發(fā)，就基于物聯(lián)網(wǎng)的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計進行了分析，希望能夠為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);大田作物;視頻監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：S-33

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190630005

前言

物聯(lián)網(wǎng)本身屬于第3代網(wǎng)絡(luò)，集成了新一代的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，強調(diào)以電子信息作為基礎(chǔ)和前提，通過對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化創(chuàng)新來保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男Ч?，在很多行業(yè)和領(lǐng)域中都得到了有效應用。最近幾年，伴隨著氣候的異常變化以及化肥、農(nóng)藥的濫用，農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量都受到了一定影響，想要推動大田農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，需要構(gòu)建起更加智能化的管理體系，借助相應的視頻檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)對大田作物生產(chǎn)情況的監(jiān)督管理，推動農(nóng)業(yè)的生態(tài)化、智能化和安全化發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一種特殊表現(xiàn)形式，主要是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合物品本身配套的射頻識別或者條形碼等傳感設(shè)別，進行信息的收集，實現(xiàn)智能識別的同時，也可以為管理決策的制定提供參考依據(jù)，屬于一種智能化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集成了傳感技術(shù)、跟蹤識別技術(shù)、智能優(yōu)化技術(shù)以及通信協(xié)議等。物聯(lián)網(wǎng)能夠推動現(xiàn)實世界的數(shù)字化，其本身有著極其廣泛的應用范圍，能夠?qū)ξ锱c物的數(shù)字信息進行統(tǒng)合整理，于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流運輸、智能環(huán)境等方面發(fā)揮著積極作用。物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)包括了地址資源、人工智能、通信協(xié)議、M2M等，其本身的核心和基礎(chǔ)依然是互聯(lián)網(wǎng)，不過互聯(lián)網(wǎng)想要滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，必須進行相應的技術(shù)升級，如IPV6、Web3.0等[1]。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵及體系構(gòu)成

最近幾年，互聯(lián)網(wǎng)+概念的提出，使得農(nóng)業(yè)成為了物聯(lián)網(wǎng)應用的主要領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的應用為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了更加廣闊的發(fā)展平臺，能夠通過視頻監(jiān)測的方式來實現(xiàn)對于農(nóng)業(yè)資源的合理調(diào)度，而農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展也推動了物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)創(chuàng)新，2者的相互滲透催生出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用存在難度大、復雜性強、集成化特征明顯等特點，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實際上并沒有確立統(tǒng)一的概念和定義，有研究人員提出，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要是基于各類傳感器設(shè)備實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中物流等相關(guān)信息的全面感知、識別和采集，然后借助互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等對數(shù)據(jù)進行高效傳輸，為遠程監(jiān)控、即時管理以及智能處理提供良好保障，通過現(xiàn)實世界與數(shù)字世界的可靠連接，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、生態(tài)、安全目標的順利實現(xiàn)[2]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)成大致可以分為3層，感知層，其核心技術(shù)是各類傳感器技術(shù)，如UID、RFID、IPSO等，配合相應的GPS、GIS技術(shù)，能夠進一步提高對象的可視性，完成信息的感知和識別，能夠?qū)Υ筇镒魑锏膫€體情況、群體數(shù)據(jù)以及生態(tài)環(huán)境信息等進行全面采集;傳輸層，其核心技術(shù)包括了WISP、ZigBee、WSN以及NFC等，配合局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)以及無線網(wǎng)絡(luò)等，可以將感知層采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綉脤樱部梢詫碜詰脤拥目刂泼顐鬟f給感知層，以此來保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進行;應用層，能夠提供豐富的應用服務，如歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、語義庫、直接控制等，其支撐系統(tǒng)包含了GIS、智能控制系統(tǒng)、云計算等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)本身具備高度自治的數(shù)據(jù)捕捉能力和可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，依照應用領(lǐng)域的不同，應用層的核心技術(shù)也會有所不同[3]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要是針對大田作物的生長情況以及大田環(huán)境進行相應的監(jiān)測管理，其基本原理，是借助相應的傳感器節(jié)點，就作物生長環(huán)境中的溫度、濕度光照、酸堿度等信息進行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌?，為大田管理提供參考依?jù)，也能夠作為自動化水肥管理的決策支持，在保證作物產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，減少人力物力的消耗。用戶可以借助相應的網(wǎng)頁或者移動客戶端，實現(xiàn)對大田環(huán)境的遠程實時查看，也可以借助遠程操作對一些突發(fā)狀況進行解決。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

視頻檢測系統(tǒng)應該包括數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)器節(jié)點、匯集傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)庫服務器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、PC機以及Web服務器等，從保證視頻監(jiān)測系統(tǒng)智能監(jiān)測效果的角度，應該做好系統(tǒng)硬件選擇，構(gòu)建起穩(wěn)定可靠的物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在實際操作中，應該借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸;應該通過相應的串口通信來保證協(xié)調(diào)器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)PC機的溝通交流;對于網(wǎng)絡(luò)PC機和數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)信息的傳遞可以通過Socket套接字實現(xiàn);Web服務器應該能夠借助一些特殊的應用程序接口，如ODBC、JDBC等完成對于數(shù)據(jù)庫的直接訪問;對于移動客戶端，可以結(jié)合Web服務器提供的HTTP網(wǎng)絡(luò)街接口，進行相應的數(shù)據(jù)獲取。

在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建的過程中，協(xié)調(diào)器在完成通道選擇以及PAN ID組網(wǎng)后，能夠發(fā)揮出類似路由器的功能，終端節(jié)點可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送相應的數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器則能夠借助對應串口，將接收到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇C端，利用專業(yè)的客戶端軟件完成數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果顯示在PC端或者移動終端，采集到的原始環(huán)境數(shù)據(jù)需要存儲到數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的分析和決策制定提供參考。

3.1.2監(jiān)測流程設(shè)計

傳感器節(jié)點在對大田作物及環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集后，可以利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，然后再經(jīng)由串口通信傳輸?shù)絇C機進行暫時保存。借助Socket套接字以及數(shù)據(jù)庫服務器通信，PC機可以將自身保存的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器中，使得用戶能夠借助動態(tài)Web頁面和移動客戶端來實時查看大田作物的生長情況。

3.2 功能設(shè)計

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，需要考慮遙感遙測以及計算機輔助數(shù)據(jù)處理等相關(guān)技術(shù)，借助監(jiān)控器設(shè)備，實現(xiàn)對于大田作物及環(huán)境的實時監(jiān)控，也可以查看相應的視頻錄像來了解作物生長狀況。合理的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應該具備豐富的監(jiān)測功能，如長期無人監(jiān)測、復雜事件監(jiān)測、大范圍監(jiān)測以及同步監(jiān)測等，以此來突破傳統(tǒng)監(jiān)測方式的局限性，提升監(jiān)測效果。對比人工巡檢方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在惡劣天氣狀況下實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行，基本不需要進行人工維護，也不依賴任何的基礎(chǔ)設(shè)施，采集到的數(shù)據(jù)信息可以通過無線鏈路直接傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，這樣能夠保證數(shù)據(jù)的及時性，為田間管理提供參考依據(jù)。

3.2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術(shù)，可以實現(xiàn)對于環(huán)境數(shù)據(jù)的高效采集，具體來講，地面數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、光照、風速風向、降水乃至二氧化碳濃度等;地下數(shù)據(jù)采集，包括地下水位、土壤溫度、土壤酸堿度等。在傳感器完成相應的數(shù)據(jù)采集工作后，可以借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)將之傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口通信來將數(shù)據(jù)傳遞并暫時存儲在PC端。

3.2.3 系統(tǒng)智能控制

在大田種植中，作物不同、土壤含水量不同，灌溉的方式也會有所不同，而依照傳感器節(jié)點傳輸?shù)男畔?，配合相應的灌溉預報軟件，系統(tǒng)可以自動計算出最佳灌溉量和灌溉時間，保證灌溉合理性的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約用水。同時，借助智能控制系統(tǒng)，農(nóng)戶還可以通過對作物種植參數(shù)庫以及大田信息數(shù)據(jù)庫的綜合分析，保證施肥以及農(nóng)藥噴灑的合理性，實現(xiàn)科學種田。

4 ?結(jié)語

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，構(gòu)建相應的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)，能夠幫助農(nóng)戶在足不出戶的情況下準確把握大田作物的生長狀況，了解大田環(huán)境，為田間管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在監(jiān)測系統(tǒng)中，主要是通過各類傳感器來對大田環(huán)境數(shù)據(jù)進行收集，對作物生長情況進行監(jiān)測，借助相應的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，于數(shù)據(jù)庫中進行存儲，依照數(shù)據(jù)庫中預先設(shè)置的專家意見，采取有效的應對和處理措施，以此來提升大田管理的有效性。新時期，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展迅速，將其應用到大田作物監(jiān)測中，可以為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展服務，而在構(gòu)建視頻監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，應該充分考慮安全問題，因為傳感器節(jié)點眾多且部署在無人值守的環(huán)境下，如果受到損壞，影響數(shù)據(jù)采集的全面性，需要技術(shù)人員的重視和解決。

參考文獻

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[2] 方露，李斌勇，閻澤誠，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的大田環(huán)境智能監(jiān)測體系[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應用，2018（11）：99-100，104.

[3] 李小平，王學，孫艷春.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程，2018，8（10）：19-23.

作者簡介：

楊勇（1984- ），助教，研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向、智能控制領(lǐng)域的研究。