基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)研究

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(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(shí)現(xiàn)對(duì)作物種植的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)，是解決“三農(nóng)”問(wèn)題的重要手段。玉米是我國(guó)主要農(nóng)產(chǎn)品之一，具有重要營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，對(duì)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(zhǎng)狀態(tài)容易受到環(huán)境影響，根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，對(duì)玉米產(chǎn)量影響最嚴(yán)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(wú)線傳感器和移動(dòng)通訊等綜合性技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)有的玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(lái)，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像處理、GIS、無(wú)線傳感器、移動(dòng)通訊、自動(dòng)控制、3S及專家智慧與知識(shí)集成，對(duì)作物環(huán)境的土壤養(yǎng)分及病蟲、災(zāi)情等生產(chǎn)信息進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)作物可視化遠(yuǎn)距離診斷、無(wú)線控制、災(zāi)變預(yù)警等自動(dòng)管理，使農(nóng)產(chǎn)品種植、銷售“智慧”化。除了精準(zhǔn)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)通過(guò)精細(xì)化控制及無(wú)線傳感設(shè)備獲取農(nóng)田作物生長(zhǎng)信息，讓農(nóng)民實(shí)時(shí)了解作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)大幅度縮減農(nóng)民作業(yè)時(shí)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(jìn)行對(duì)比分析，提供更優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)價(jià)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(cè)、肥水灌溉、長(zhǎng)勢(shì)分析等遠(yuǎn)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(chǔ)及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)中心三大平臺(tái)。基于物聯(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(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與方法

2.1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)玉米長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)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(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。其中，主要對(duì)玉米種植面積、環(huán)境因素、長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行分析，然后預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量。試驗(yàn)主要通過(guò)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(duì)玉米生長(zhǎng)期的重要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)回傳，為預(yù)測(cè)玉米產(chǎn)量提供有力依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)高度的判斷，在玉米種沒(méi)有種植之前，先在種植中心區(qū)域選擇1塊2m×2m的監(jiān)測(cè)區(qū)，在檢測(cè)區(qū)放置1根高度標(biāo)示桿，并在4個(gè)角上安放區(qū)域標(biāo)示桿，雙目CCD攝像機(jī)安放在高度標(biāo)示桿正對(duì)面。在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)每日17:00時(shí)由攝像機(jī)拍攝圖像并回傳給控制系統(tǒng)。玉米生長(zhǎng)高度監(jiān)測(cè)示意如圖4所示。

圖4　玉米生長(zhǎng)高度監(jiān)測(cè)示意圖

2.2　玉米長(zhǎng)勢(shì)實(shí)時(shí)圖像獲取方法

1)視頻模塊。視頻模塊采用德國(guó)耶拿(Jenoptik)公司的SpeedXT Core 5CCD，該攝像機(jī)使用USB2.0接口，其安裝方便的特點(diǎn)及高性能的圖像處理能力保證了及時(shí)、快速的處理，能夠最大程度地保存圖像信息。根據(jù)試驗(yàn)需求，本文根據(jù)雙目視覺(jué)定位原理，采用雙CCD攝像機(jī)對(duì)高度標(biāo)示桿進(jìn)行圖像采集。相機(jī)架設(shè)過(guò)程中，以能夠完全檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，并且兩個(gè)相機(jī)高度一致、光軸平行。

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)雙CCD攝像機(jī)采集圖像信息，利用視頻解碼器對(duì)視頻信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，然后將預(yù)處理信息進(jìn)行顏色分割，得到二值化圖像，并打包傳回給后臺(tái)分析中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。視頻模塊運(yùn)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(jìn)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在作物種植區(qū)域，可以對(duì)種植區(qū)域的溫濕度、土壤pH、光照強(qiáng)度、照射時(shí)長(zhǎng)、氧氣濃度和CO2濃度等進(jìn)行檢測(cè)。

各種功能不一樣的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，通過(guò)自組織形式，順著其它節(jié)點(diǎn)逐級(jí)跳動(dòng)傳遞和交換信息；最后，所有信息通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊傳遞到遠(yuǎn)程終端服務(wù)器上，為玉米長(zhǎng)勢(shì)分析系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3)通訊模塊。無(wú)線通信模塊采用SM50系列微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊采用了微系統(tǒng)控制、模塊化設(shè)計(jì)和斷線檢測(cè)等技術(shù)。模塊具有如下特點(diǎn)：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(biāo)準(zhǔn)配置提供8個(gè)信道，如果用戶需要，可擴(kuò)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(shí)物如圖6所示。

圖5　視頻模塊運(yùn)行框架圖

圖6　通信模塊實(shí)物圖

2.3　玉米株高的田間測(cè)量

當(dāng)玉米開花后，玉米就不再長(zhǎng)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(gè)周期的株高情況，在玉米生長(zhǎng)的三葉期、抽雄期和吐絲期種植區(qū)進(jìn)行株高實(shí)際測(cè)量。測(cè)量時(shí)采用便攜式玉米株高測(cè)量?jī)x，其基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，利用攝像頭獲取玉米株高測(cè)量尺圖像，通過(guò)算法現(xiàn)場(chǎng)分析，實(shí)時(shí)獲取玉米株高數(shù)據(jù)。該儀器最高測(cè)量高達(dá)3m，滿足絕大多數(shù)玉米株高測(cè)量需求，測(cè)量出玉米高度所需時(shí)間小于1s，并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)白平衡。測(cè)量不受天氣、光照等環(huán)境條件的影響，測(cè)量的數(shù)據(jù)可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至玉米長(zhǎng)勢(shì)分析系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器。在測(cè)量過(guò)程中，記錄所測(cè)玉米株高，然后由系統(tǒng)取其平均值1個(gè)周期的株高；同時(shí)，與雙CCD攝像機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，尋求視頻模塊測(cè)量與實(shí)測(cè)值之間的誤差值，驗(yàn)證視頻模塊測(cè)量的科學(xué)性和可靠性。

3　玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)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(lái)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(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和信息共享協(xié)議，集成玉米長(zhǎng)勢(shì)信息采集和設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知玉米生長(zhǎng)狀態(tài)信息。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7　玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)架構(gòu)圖

4　試驗(yàn)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(cè)分析系統(tǒng)采集的氣溫、太陽(yáng)輻射、土地濕度、測(cè)量株高的數(shù)值以及采用便攜式玉米株高測(cè)量?jī)x測(cè)量的實(shí)際值，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的解析。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，玉米生長(zhǎng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)量大，普通的終端設(shè)備無(wú)法直接進(jìn)行分析，因此需要采用后臺(tái)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。圖8為雙攝像機(jī)拍攝玉米株高圖像信息，標(biāo)志區(qū)域?yàn)閷?shí)際測(cè)量區(qū)域。試驗(yàn)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(kù)信息。Origin是一款簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活且功能強(qiáng)大的專業(yè)函數(shù)制圖分析軟件，利用該軟件可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析。玉米株高與環(huán)境參數(shù)測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖8　雙攝像機(jī)拍攝圖像

播種后天數(shù)/天氣溫/℃輻射/W·m-2土濕/%系統(tǒng)測(cè)量株高/cm實(shí)際測(cè)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(cè)信息，系統(tǒng)測(cè)量株高與實(shí)際測(cè)得株高誤差在±3cm以內(nèi)，精確性高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已處于不斷測(cè)試和改進(jìn)中，并初步實(shí)現(xiàn)了玉米長(zhǎng)勢(shì)遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析診斷功能。以玉米長(zhǎng)勢(shì)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(wú)線傳感器和移動(dòng)通訊等綜合性技術(shù)，通過(guò)用戶登錄，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其株高長(zhǎng)勢(shì)、土壤養(yǎng)分、蟲災(zāi)等信息，實(shí)現(xiàn)玉米長(zhǎng)勢(shì)可視化遠(yuǎn)距離診斷的全程管理，保證玉米生長(zhǎng)環(huán)境良好。

5　結(jié)論

近年來(lái)，各國(guó)家相繼開展了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)管理中，信息交互與精細(xì)化農(nóng)業(yè)的實(shí)踐推廣，形成了良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用格局，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究發(fā)展。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)玉米長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米長(zhǎng)勢(shì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)分析。試驗(yàn)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(wú)線傳感器和移動(dòng)通訊等綜合性技術(shù)，通過(guò)用戶登錄，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其株高長(zhǎng)勢(shì)、土壤養(yǎng)分及蟲災(zāi)等信息，實(shí)現(xiàn)玉米長(zhǎng)勢(shì)可視化遠(yuǎn)距離診斷的全程管理，保證了玉米生長(zhǎng)環(huán)境良好。