基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童健 何昕煒 趙鵬杰 王成靖

摘 要：文章針對玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，在簡要闡述玉米生長過程的基礎(chǔ)上，分析了玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和系統(tǒng)組成，通過田間試驗(yàn)深入分析了改系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。最后通過深入分析，得出基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能有效保證玉米生長信息測定結(jié)果真實(shí)有效的結(jié)論，希望對提高我國玉米產(chǎn)量有一定幫助。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；玉米生長信息；動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

玉米生長信息可以分為兩大類，一類外觀信息，包括株高、株型等，通過直接觀察和記錄就可以得到，主要反映了玉米生長的健康狀況。另一類是內(nèi)在信息，包括玉米生長的各種生理化位置的種類，需要通過相應(yīng)的儀器和專門的實(shí)驗(yàn)方法才能測得。目前，我國玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控由人工來完成，因此，監(jiān)測結(jié)果和監(jiān)測人員的素質(zhì)有密切聯(lián)系，難以真實(shí)準(zhǔn)確地反映玉米的生長信息。在這樣的基礎(chǔ)探討新型的監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，具體如下。

1 玉米生長過程

玉米的生長過程大體上可以分為以下幾個(gè)過程。

1.1生育期

生育期指的是玉米從播種到成熟所經(jīng)歷的天數(shù)，玉米的品種不同、播種期不同、光照不同、溫度不同，其生育期的天數(shù)也不盡相同。通常情況下，早熟的玉米品種，光照充足、溫度高時(shí)生育期比較短。玉米的生育期可分為播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、抽穗、開花、灌漿、乳熟、成熟等階段。

1.2苗期

玉米的苗期指的是玉米中出苗到拔節(jié)的時(shí)期，也是玉米汲取營養(yǎng)的主要時(shí)期，苗期約60%的玉米可以長到2cm高。

1.3穗期

玉米穗期指的是玉米從拔節(jié)到抽穗的時(shí)期，此時(shí)期是玉米生長最為旺盛的階段。

1.4花粒期

玉米的花粒期指的是玉米從抽穗到結(jié)實(shí)的時(shí)期，此階段以生殖生長為主，也是玉米籽粒形成的階段。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立玉米生長信息采集設(shè)備、信息傳輸系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)等，從而實(shí)現(xiàn)玉米生長信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。然后通過利用相應(yīng)的射頻識別技術(shù)、光譜分析技術(shù)等來科學(xué)合理地監(jiān)測玉米生長的形態(tài)、產(chǎn)量、生理指標(biāo)、病蟲害等相關(guān)數(shù)據(jù)。然后對相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行科學(xué)合理的分析，就可以獲得玉米生長的所有信息，最后通過調(diào)整和改造，為玉米的生長營造良好的環(huán)境，以達(dá)到玉米增產(chǎn)、縮短生長周期、節(jié)約成本的目標(biāo)。

2.2總體設(shè)計(jì)

近年來，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)計(jì)出了集玉米生長信息數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理等為一體的信息化動(dòng)態(tài)監(jiān)系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)是對獲取玉米生長信息的感知，并維持該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。信息傳輸系統(tǒng)指的是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以對玉米的生長信息進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)和分析[1]?？傊?，基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要依托是植物工廠因?yàn)橹参锕S是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要模式，內(nèi)部的光照、溫度都是可控的，并不會受到外界自然因素的影響，從而為玉米生長營造了一個(gè)良好的環(huán)境。

2.3系統(tǒng)的組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分共組成。

2.3.1視頻數(shù)據(jù)采集裝置

該裝置的關(guān)鍵技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，比如：通過光譜儀可以測出玉米生長中葉綠素和全氮各組分的含量，于及時(shí)掌控玉米在生長過程中的營養(yǎng)狀況，葉綠素的含量是玉米生長信息動(dòng)態(tài)檢測的主要指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測的具體數(shù)值制定相應(yīng)的解決方案。

2.3.2信號傳輸裝置

該裝置是視頻信息采集裝置和數(shù)據(jù)處理器之間傳輸信息和數(shù)據(jù)的主要途徑。主要通過COFDM調(diào)制技術(shù)來保證玉米生長信息傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

2.3.3數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

主要作用是負(fù)責(zé)玉米生長信息數(shù)據(jù)的接收和保存，并對傳輸來的相關(guān)信息進(jìn)行分析處理，以供相關(guān)技術(shù)人員和專家對玉米生長信息進(jìn)行分析。主要是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CE環(huán)境下的串口來提高數(shù)據(jù)處理的效率。

2.3.4后臺管理系統(tǒng)

此系統(tǒng)的主要作用是主動(dòng)接收相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)處理服務(wù)器反饋分析結(jié)果以及專家的決策對玉米生長中

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性分析

3.1玉米田問試驗(yàn)

2016年，在某植物工廠中進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)土壤為當(dāng)?shù)氐臐撚衩淄临|(zhì)，通過檢測結(jié)果顯示，該地土壤有機(jī)質(zhì)的含量為26.4 g/kg，氮的含量為132 mg/kg，磷的含量為12.4 mg/kg，鉀的含量為146 mg/kg，土壤的pH值為5.34[2]。試驗(yàn)玉米種子為農(nóng)華101，偉科702，創(chuàng)聯(lián)808，隆平208 4種，這4種種子都是從當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場購進(jìn)的，因此具有代表性。這4種玉米種子是目前我國玉米種植最廣的產(chǎn)品，種植面積非常大。

3.2試驗(yàn)過程

玉米在4月份下旬播種，7月下旬移栽，把這4個(gè)玉米品種按照隨機(jī)排列的方式進(jìn)行種植。玉米的行距控制在20-25 cm，株距控制在15-20 cm。無論玉米的水肥澆灌還是病蟲害的防止，都按照物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中的內(nèi)容進(jìn)行，并選擇玉米生長的高度、棒穗長度、葉綠素的含量為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象‘3]。然后隨機(jī)選擇出30株玉米，采用傳統(tǒng)方法測量玉米生長的高度、棒穗的長度，用SPAD502葉綠素儀對玉米中葉綠素的含量進(jìn)行監(jiān)測。為提高試驗(yàn)的效率，選擇玉米的抽穗進(jìn)行試驗(yàn)，并在SSPS17.0計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件上對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用t值來檢驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)和傳統(tǒng)人工檢測所得玉米生長信息的顯著性。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表示，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的4個(gè)玉米品種的高度普遍高于傳統(tǒng)測量的高度，而且二者之間存在極為顯著的差異水平。主要原因是玉米在抽穗期，玉米逐漸成熟，重量增加，在一定上限制了玉米的高度。人工測量的高度從地面到玉米的頂端的長度，而物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)測的高度是玉米在自然狀態(tài)下的高度，所以這兩種測量方法在測量株高時(shí)存在一定差異。但4個(gè)玉米品種的株高基本相同，這一點(diǎn)也充分驗(yàn)證了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)測玉米生長信息株高上的可靠性[4]。兩種測定方法所得的玉米性狀如表1所示。

從表1中可以清楚看出，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控玉米生長信息和人工測量玉米生長信息所得的4個(gè)玉米品種穗幫的長度基本相同，但隆平208與其他品種存在較大差異，主要原因是品種出現(xiàn)了少數(shù)的空穗現(xiàn)象，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控沒有有效識別。這一點(diǎn)也充分說明，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控玉米生長信息可以有效監(jiān)測出有穗的玉米長度，但還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)定參數(shù)，提高對無穗玉米的識別能力。兩種監(jiān)測方法所得的玉米葉綠素含量基本相同?？梢钥次锫?lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對這4種玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控是高效可靠的，但需要對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，把這些數(shù)據(jù)錄入后臺管理以后，就可以得到相應(yīng)的指令和措施，從而最大限度上提高玉米的產(chǎn)量。

4結(jié)語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的玉米生長信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光譜分析系統(tǒng)、信息傳輸技術(shù)為依據(jù)，是一種新型的監(jiān)控技術(shù)，并通過試驗(yàn)對比表明，此技術(shù)和傳統(tǒng)人工測量技術(shù)相比，不但提高了測量的效率，而且測量的準(zhǔn)確性也得到了很大程度的提高，值得大力推廣使用。

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