物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用初探

陳令芳 張姍姍 張凱 高青松 楊靖

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警方式正逐步被改變。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的作用越來(lái)越重要。文中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵進(jìn)行了概述，然后根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一——傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；病蟲害；監(jiān)測(cè)；預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義為：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）和人到人（Human to Human，H2H）的互連。這里人與物的互連指人使用傳感器等設(shè)備后與物體的互連，而人與人的互連指人使用傳感系統(tǒng)而不是現(xiàn)在的電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)人與人之間的互連[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)射頻識(shí)別（RFID） 、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。

農(nóng)業(yè)作為我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其信息化、智能化程度非常重要。傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)有諸多局限性，如缺乏靈活性、耗費(fèi)人力和物力等，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了全新的方法。鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

1 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，特別是農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)中，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)得到的環(huán)境及植物的生長(zhǎng)信息，還可進(jìn)行病蟲害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的數(shù)據(jù)采集和信息處理方法，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是利用大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式組成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用[3]。在圖1所示的體系結(jié)構(gòu)中，傳感層采用的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)方式，其由大量的自組織傳感節(jié)點(diǎn)組成。普通節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)后通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸?shù)酱厥坠?jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)再通過(guò)同樣的方式將數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)[4]。

系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、4G網(wǎng)和Internet網(wǎng)組成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后可直接由串口模塊傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)測(cè)端。此外，也可通過(guò)4G模塊傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，然后遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端和手機(jī)端通過(guò)Internet可從遠(yuǎn)程服務(wù)器讀取監(jiān)測(cè)信息。

應(yīng)用層由本地監(jiān)測(cè)端、手機(jī)端和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端組成。本地監(jiān)測(cè)中心的技術(shù)人員通過(guò)本地監(jiān)測(cè)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田環(huán)境并根據(jù)環(huán)境變化提供相應(yīng)的防治措施。農(nóng)戶、網(wǎng)民和技術(shù)人員經(jīng)過(guò)注冊(cè)后，可以用不同身份登錄手機(jī)端和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和下載。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藍(lán)莓（Blueberry）又稱越桔、藍(lán)漿果，果實(shí)可食率近100%，果肉細(xì)膩、口感好，含有多種人體必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有“世界水果之王”的美譽(yù)。目前，全球?qū)λ{(lán)莓的需求量在不斷增長(zhǎng)。貴州是西南乃至全國(guó)最早大規(guī)模開(kāi)展藍(lán)莓商業(yè)引種的區(qū)域。藍(lán)莓馴化和商業(yè)化栽培時(shí)間不長(zhǎng)，規(guī)?；N植初期病蟲害較少，但隨著藍(lán)莓種植面積急劇增大，病原物日積月累，病蟲害造成的危害日益嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)對(duì)各藍(lán)莓種植基地的系統(tǒng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)貴州藍(lán)莓栽培區(qū)都有病蟲害發(fā)生。病害共分為11種，其中生理性病害有4種，侵染性病害有7種，蟲害共12種。除灰霉病、金龜子幼蟲和果蠅外，其他侵染性病蟲害發(fā)生數(shù)量少，造成的危害較輕。經(jīng)調(diào)查，2014年在部分果園中，灰霉病造成的藍(lán)莓減產(chǎn)達(dá)60%。而金龜子幼蟲是地下害蟲，由于發(fā)現(xiàn)較為困難，因此發(fā)生程度嚴(yán)重。果蠅在果實(shí)接近成熟期會(huì)對(duì)其造成危害，而有效的防治方法卻不多，所以也會(huì)造成重大損失[5]。

因此，通過(guò)對(duì)藍(lán)莓生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于針對(duì)藍(lán)莓進(jìn)行及時(shí)、有效的病蟲害預(yù)警。病蟲害預(yù)警是指通過(guò)對(duì)環(huán)境、病原、個(gè)體本身等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)影響因子之間的相互關(guān)系對(duì)未來(lái)個(gè)體的發(fā)病情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警上限就進(jìn)行預(yù)警[6]。

以本地監(jiān)測(cè)端為例，通過(guò)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可為廣大技術(shù)人員提供一個(gè)病蟲害數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)資料管理及傳輸?shù)钠脚_(tái)，從而加快藍(lán)莓病蟲害信息發(fā)布的速度，提高藍(lán)莓病蟲害預(yù)警和防治的工作效率。參照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次可分為數(shù)據(jù)接收層、業(yè)務(wù)處理層和結(jié)果顯示層三層?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。

（1）數(shù)據(jù)接收層是藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的信息獲取部分，由傳感器接收的數(shù)據(jù)和癥狀信息組成。

（2）業(yè)務(wù)處理層通過(guò)對(duì)兩類接收信息進(jìn)行綜合分析和處理，得出預(yù)警警級(jí)和預(yù)警預(yù)案，本層包括病蟲害預(yù)警子系統(tǒng)。藍(lán)莓病蟲害的發(fā)生情況受溫度、濕度等外部環(huán)境的影響，據(jù)此，可以對(duì)病蟲害的發(fā)生情況進(jìn)行早期預(yù)警。該系統(tǒng)通過(guò)安裝 RFID傳感器等監(jiān)測(cè)藍(lán)莓生長(zhǎng)過(guò)程中溫度、濕度、土壤等環(huán)境因素的變化，記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)業(yè)務(wù)處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)匯總并傳送至病蟲害預(yù)警子系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析處理，及時(shí)發(fā)布病蟲害預(yù)警信息，以實(shí)現(xiàn)病蟲害的早期預(yù)警。通過(guò)該子系統(tǒng)，用戶還可以瀏覽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，管理員也可通過(guò)系統(tǒng)維護(hù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加和用戶信息的維護(hù)。

（3）結(jié)果顯示層將業(yè)務(wù)處理層處理的結(jié)果以短信或網(wǎng)頁(yè)的方式顯示給用戶。

病蟲害預(yù)警子系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

病蟲害預(yù)警子系統(tǒng)的運(yùn)行主要涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立病蟲害預(yù)測(cè)模型和發(fā)布預(yù)警信息三方面。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)和調(diào)查資料進(jìn)行分析，從中找出藍(lán)莓病蟲害發(fā)生的主要因素以及能夠評(píng)價(jià)病蟲害程度的一些指標(biāo)，從而建立藍(lán)莓病蟲害預(yù)警指標(biāo)體系，根據(jù)不同指標(biāo)和因素對(duì)病蟲害程度進(jìn)行分析，確定預(yù)警閾值。通過(guò)對(duì)多種方法進(jìn)行比較，選用專家系統(tǒng)進(jìn)行病蟲害預(yù)警子系統(tǒng)的搭建，借助該系統(tǒng)能對(duì)藍(lán)莓病蟲害類型、病蟲害發(fā)生時(shí)間和病蟲害發(fā)生范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。系統(tǒng)還可通過(guò)4G無(wú)線通信模塊發(fā)布預(yù)警信息到遠(yuǎn)程客戶端。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)莓病蟲害的實(shí)時(shí)預(yù)警，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)莓病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的構(gòu)建不僅可幫助植保技術(shù)人員實(shí)時(shí)查詢藍(lán)莓生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合專家系統(tǒng)，還能根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)藍(lán)莓病蟲害輿情進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

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