趙 巧

(重慶電力高等?？茖W(xué)校 信息工程學(xué)院，重慶 4000053)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是在傳感器、自動(dòng)測(cè)控和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也稱傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)把各種傳感器、信息處理器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合成一個(gè)龐大的整體，用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行智能識(shí)別和精準(zhǔn)管理[1]。物聯(lián)網(wǎng)誕生之日起，便在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)是其應(yīng)用的一個(gè)主要方面。國(guó)外對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究起步較早，早在2002年美國(guó)便首次用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)葡萄園的土壤溫濕度和有害物劑量，為葡萄豐收提供了保障[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)發(fā)展也很快，并且逐漸集中到了糧食作物生產(chǎn)、智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施、果園精準(zhǔn)管理和畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖4個(gè)領(lǐng)域[3-5]。在最初的實(shí)踐中，物聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于對(duì)所采集數(shù)據(jù)的展示和統(tǒng)計(jì)，后來(lái)人們加強(qiáng)了利用專家系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的分析和決策，使得物聯(lián)網(wǎng)的功能得以拓展[6]。

農(nóng)作物的試驗(yàn)基地主要用于作物遺傳育種、農(nóng)藝特性評(píng)價(jià)和品種區(qū)域試驗(yàn)等活動(dòng)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中占有重要地位。除了試驗(yàn)田塊外，試驗(yàn)基地還整合了監(jiān)控、灌溉、病蟲(chóng)鳥(niǎo)害防治和肥料運(yùn)籌等各方面的農(nóng)藝設(shè)施。因此，農(nóng)作物試驗(yàn)基地是一個(gè)由多種系統(tǒng)組成的有機(jī)聯(lián)系的龐大整體，每個(gè)系統(tǒng)又包含了不同數(shù)量的設(shè)施和設(shè)備。試驗(yàn)基地集成的設(shè)施設(shè)備多，相互之間的聯(lián)系復(fù)雜而緊密，需要采集和處理的信息量龐大，因此特別適合于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

農(nóng)作物試驗(yàn)基地的運(yùn)行成本包括人工成本和物資成本，農(nóng)作物的灌溉、施肥和蟲(chóng)害防治這3個(gè)操作是物資成本的重要來(lái)源。在當(dāng)前大力提倡綠色農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的背景下，建設(shè)節(jié)水、節(jié)肥和少打農(nóng)藥的農(nóng)作物試驗(yàn)基地具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。單獨(dú)依靠傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式和科學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)整合到試驗(yàn)基地中是必然選擇。

我國(guó)水資源豐富，但是人均占有量少，且淡水資源的一半用于農(nóng)業(yè)灌溉。為節(jié)水灌溉而開(kāi)發(fā)的微灌、滴灌等技術(shù)可以提高水資源的利用效率，但灌溉時(shí)機(jī)和水量仍然依靠人的經(jīng)驗(yàn)判斷，智能化水平有待提高。依靠傳感器、自動(dòng)測(cè)控和信息技術(shù)設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)于智能灌溉的要求[7]。目前，物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉已經(jīng)覆蓋包括蔬菜、作物、果樹(shù)和園林等植物種類，且范圍還在不斷增加[8-9]。

肥料是除水分外作物生長(zhǎng)所需的另一個(gè)重要因素，也是產(chǎn)量的限制因子。合理施肥能為作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供保障，但過(guò)量施肥會(huì)帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)元素浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題。我國(guó)每年的化肥用量巨大，但是沒(méi)有獲得相應(yīng)的高產(chǎn)水平，肥料施用過(guò)量和利用率低的狀況嚴(yán)重。作物不同生長(zhǎng)階段對(duì)肥料的需求不同，因此準(zhǔn)確地掌握作物生長(zhǎng)信息是合理施肥的前提。作物生長(zhǎng)監(jiān)控是物聯(lián)網(wǎng)的功能之一，它涉及的監(jiān)測(cè)范圍廣，在時(shí)間上貫穿作物生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程，其采集的信息對(duì)于各種農(nóng)藝決策是不可或缺的[10-11]。孔曉紅等設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)信息，通過(guò)分析獲取作物的生長(zhǎng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，能夠?yàn)榉柿系暮侠硎┯锰峁┮罁?jù)[12]。

蟲(chóng)害是作物重要的生物逆境，目前普遍的防治策略是噴灑農(nóng)藥，其產(chǎn)生的人工成本和物資成本都很高，副作用也較大。試驗(yàn)基地的物聯(lián)網(wǎng)能夠監(jiān)測(cè)害蟲(chóng)發(fā)生情況和危害程度，及時(shí)提供預(yù)警，并計(jì)算農(nóng)藥的最佳噴灑時(shí)機(jī)和劑量。張恩迪等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠采集農(nóng)田環(huán)境和害蟲(chóng)數(shù)量信息，為害蟲(chóng)的高效防治奠定了基礎(chǔ)[13]。

目前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用都針對(duì)單個(gè)作物，與覆蓋多種作物的試驗(yàn)基地進(jìn)行整合的研究還較少。本文以物聯(lián)網(wǎng)為核心，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)作物試驗(yàn)基地的監(jiān)控管理系統(tǒng)，以智能灌溉、施肥和害蟲(chóng)防治3大功能為主。系統(tǒng)通過(guò)各種設(shè)備采集試驗(yàn)基地的環(huán)境和作物信息，由通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給信息處理模塊，經(jīng)過(guò)專家決策后形成操作指令，由執(zhí)行模塊按照指令執(zhí)行，或者為管理人員提供詳細(xì)的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)基地的管理。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

基地監(jiān)控管理系統(tǒng)包括信息采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、應(yīng)用管理模塊、專家決策模塊和操作執(zhí)行模塊5大部分。信息采集模塊為各種監(jiān)控設(shè)備、探頭和傳感器；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊為無(wú)線收發(fā)裝置、接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；應(yīng)用管理模塊為計(jì)算機(jī)、顯示屏和客戶端；專家決策模塊為存儲(chǔ)專家知識(shí)庫(kù)的服務(wù)器；操作執(zhí)行模塊為灌溉設(shè)備、電磁閥、打印機(jī)和殺蟲(chóng)燈，如圖1所示。

(a) 灌溉設(shè)備 (b) 監(jiān)控設(shè)備 (c) 殺蟲(chóng)燈圖1 系統(tǒng)的部分設(shè)備Fig.1 Partial equipment of system

系統(tǒng)的工作流程：信息采集模塊采集當(dāng)?shù)氐臍庀笮畔?、試?yàn)田中的環(huán)境信息和作物生長(zhǎng)信息，經(jīng)過(guò)基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊發(fā)送給應(yīng)用管理模塊。應(yīng)用管理模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類和管理，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和各種參數(shù)的設(shè)定也在應(yīng)用管理模塊的操作顯示屏上進(jìn)行。試驗(yàn)基地的信息及設(shè)定的參數(shù)經(jīng)過(guò)整理分析后發(fā)送給專家決策模塊進(jìn)行綜合判斷，根據(jù)專家知識(shí)庫(kù)診斷試驗(yàn)田的水分和肥料狀況以及蟲(chóng)害發(fā)生情況，形成相應(yīng)的決策。決策反饋給應(yīng)用管理模塊，經(jīng)過(guò)處理后形成操作指令發(fā)送給操作執(zhí)行模塊，打印出肥料施用方案，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊開(kāi)啟電磁閥和殺蟲(chóng)燈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉、施肥和殺蟲(chóng)的智能控制，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的工作流程Fig.2 Work flow of system

2 主要設(shè)備和功能

試驗(yàn)基地監(jiān)控管理系統(tǒng)主要具有智能灌溉、施肥和害蟲(chóng)防治這3大功能，各個(gè)功能對(duì)應(yīng)的信息采集模塊和操作執(zhí)行模塊不同，但在硬件上使用相同的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、應(yīng)用管理模塊和專家決策模塊。

目前，無(wú)線傳輸方式有Wifi、藍(lán)牙和ZigBee。其中，ZigBee模式的抗干擾性強(qiáng)，通信距離與試驗(yàn)基地的面積比較適合，被本系統(tǒng)采用。根據(jù)試驗(yàn)基地的自然環(huán)境條件，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)選擇樹(shù)形方式組網(wǎng)，單個(gè)接口可以與15個(gè)終端連接。應(yīng)用管理模塊是一臺(tái)聯(lián)想I5-6400計(jì)算機(jī)，配置Intel i5中央處理器，利用USB2.0接口進(jìn)行連接，能在操作界面上實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及執(zhí)行設(shè)備啟動(dòng)閾值進(jìn)行設(shè)定。專家決策模塊是聯(lián)想X3550服務(wù)器，存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的所有信息和專家綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是各種信息數(shù)據(jù)的推理過(guò)程和計(jì)算公式，知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是作物生長(zhǎng)規(guī)律、水肥需求量和吸收能力等信息。

2.1 智能灌溉

智能灌溉功能的信息采集模塊為L(zhǎng)M-879型空氣溫濕度傳感器和歐速OSA-1型土壤水分傳感器組成的土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)田中均勻分布多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)20m×20m面積范圍內(nèi)的含水量。操作執(zhí)行模塊是地面灌溉管道以及安裝在出口上的GAG型多用途電磁閥。水田采用漫灌的方式，灌跑馬水待其自然落干，旱地采用滴灌的方式。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置2～3個(gè)灌溉出水口，安裝DN150型水表，精確記錄灌溉量。

2.2 智能施肥

肥料中的氮、磷和鉀是作物正常生長(zhǎng)不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素，作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)肥料的需求不同。氮、磷或鉀元素缺乏都會(huì)在作物的植株上通過(guò)不同的癥狀反映出來(lái)。以玉米為例，正常的葉片為綠色，缺氮時(shí)葉色變淺，缺磷時(shí)葉色紫紅，缺鉀時(shí)從葉片邊緣開(kāi)始枯黃。因此，監(jiān)控管理系統(tǒng)的智能施肥功能以作物的葉片顏色作為判斷其肥料需求的主要依據(jù)。智能施肥功能的信息采集模塊為V10-IM型高光譜相機(jī)，拍攝作物圖像后由應(yīng)用管理模塊中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺(jué)分析。計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件為MatLab工具箱，對(duì)拍攝的圖像依次進(jìn)行預(yù)處理、灰度化、二值化和圖像分割后獲得作物的輪廓。統(tǒng)計(jì)作物輪廓所占這個(gè)圖像的比例，以此判斷作物的長(zhǎng)勢(shì)和對(duì)肥料的需求量。分析作物輪廓中各種紅、綠、藍(lán)3種顏色像素的組成，以此判別作物葉片的顏色特征和營(yíng)養(yǎng)元素缺乏情況。統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果由專家決策模塊綜合處理，并結(jié)合水分供應(yīng)情況，擬定最佳的肥料施用時(shí)機(jī)、種類和數(shù)量。肥料施用方案通過(guò)聯(lián)想LJ2400型打印機(jī)輸出，由種植人員依照?qǐng)?zhí)行。

2.3 害蟲(chóng)防治

農(nóng)作物的田間害蟲(chóng)種類繁多、數(shù)量龐大，精確統(tǒng)計(jì)數(shù)量的可行性不高，但可以對(duì)其發(fā)生和危害的程度進(jìn)行評(píng)判。害蟲(chóng)發(fā)生程度既可以通過(guò)作物受危害的癥狀來(lái)評(píng)判，也可以通過(guò)單位面積田塊中的害蟲(chóng)數(shù)量來(lái)反應(yīng)。通過(guò)作物受危害癥狀的評(píng)判方法有一定的滯后性，且會(huì)帶來(lái)產(chǎn)量的損失，因此系統(tǒng)的害蟲(chóng)防治功能以害蟲(chóng)數(shù)量作為啟動(dòng)的閾值。害蟲(chóng)防治功能的信息采集模塊為DATA-LYNX型計(jì)數(shù)傳感器，通過(guò)昆蟲(chóng)飛行撞擊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)記錄害蟲(chóng)數(shù)量，可以準(zhǔn)確獲取飛虱、蛾、蚊、蠅等類型的害蟲(chóng)數(shù)量。操作執(zhí)行模塊為云飛YF-WL-40型智慧物聯(lián)網(wǎng)殺蟲(chóng)燈，由太陽(yáng)能供電，應(yīng)用管理模塊控制開(kāi)啟，利用機(jī)械振頻式高壓電網(wǎng)殺蟲(chóng)。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2017年，在重慶電力高等專科學(xué)校的試驗(yàn)基地中運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)，對(duì)上述3種功能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)的農(nóng)作物為水稻、玉米和棉花，品種分別為天優(yōu)華占、蘇玉29和鄂雜棉10號(hào)，都在當(dāng)季種植。每種作物選擇兩塊位置相鄰，面積適中和土壤肥力相同的田塊，一塊由經(jīng)驗(yàn)豐富的種植人員監(jiān)控管理，另一塊由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控管理。種植季節(jié)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)兩個(gè)田塊的灌溉水量、肥料用量、殺蟲(chóng)燈用時(shí)和作物產(chǎn)量，比較兩種方式的管理效果。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方式的管理效果Table 1 Management effect of two styles

由表1可知：兩種管理方式所獲得的作物產(chǎn)量相當(dāng)，沒(méi)有明顯的差異；物聯(lián)網(wǎng)管理的3種作物田塊在灌溉水量、肥料用量和殺蟲(chóng)燈用時(shí)上都少于人工管理的田塊，體現(xiàn)出明顯的資源節(jié)約效果。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)作物的試驗(yàn)基地監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由信息采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、應(yīng)用管理模塊、專家決策模塊和操作執(zhí)行模塊5個(gè)部分組成，能夠執(zhí)行智能灌溉、施肥和害蟲(chóng)防治3種功能。對(duì)水稻、玉米和棉花3種作物的試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)在保證作物高產(chǎn)的同時(shí)，還能獲得明顯的資源節(jié)約效果，有助于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)基地的高效運(yùn)行和精準(zhǔn)管理。