物聯(lián)網(wǎng)下的大田作物視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

楊勇 樊剛強(qiáng)

摘 要：大田生產(chǎn)是我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一種必然趨勢(shì)，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)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(zhǎng)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(lái)保證作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到大田作物生產(chǎn)中，構(gòu)建相應(yīng)的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于作物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)橹腔坜r(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(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S-33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qiáng)調(diào)以電子信息作為基礎(chǔ)和前提，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化創(chuàng)新來(lái)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(yīng)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(dòng)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(yīng)的視頻檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大田作物生產(chǎn)情況的監(jiān)督管理，推動(dòng)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(shí)別或者條形碼等傳感設(shè)別，進(jìn)行信息的收集，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別的同時(shí)，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(shí)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(dòng)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化，其本身有著極其廣泛的應(yīng)用范圍，能夠?qū)ξ锱c物的數(shù)字信息進(jìn)行統(tǒng)合整理，于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流運(yùn)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)想要滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，必須進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)升級(jí)，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(yīng)用的主要領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)，能夠通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(yīng)用存在難度大、復(fù)雜性強(qiáng)、集成化特征明顯等特點(diǎn)，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上并沒(méi)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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中物流等相關(guān)信息的全面感知、識(shí)別和采集，然后借助互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效傳輸，為遠(yuǎn)程監(jiān)控、即時(shí)管理以及智能處理提供良好保障，通過(guò)現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的可靠連接，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、生態(tài)、安全目標(biāo)的順利實(shí)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(yīng)的GPS、GIS技術(shù)，能夠進(jìn)一步提高對(duì)象的可視性，完成信息的感知和識(shí)別，能夠?qū)Υ筇镒魑锏膫€(gè)體情況、群體數(shù)據(jù)以及生態(tài)環(huán)境信息等進(jìn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)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?yīng)用層，也可以將來(lái)自應(yīng)用層的控制命令傳遞給感知層，以此來(lái)保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行;應(yīng)用層，能夠提供豐富的應(yīng)用服務(wù)，如歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、語(yǔ)義庫(kù)、直接控制等，其支撐系統(tǒng)包含了GIS、智能控制系統(tǒng)、云計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域的不同，應(yīng)用層的核心技術(shù)也會(huì)有所不同[3]。

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

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的大田作物視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)大田作物的生長(zhǎng)情況以及大田環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)管理，其基本原理，是借助相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，就作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度光照、酸堿度等信息進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器，為大田管理提供參考依據(jù)，也能夠作為自動(dòng)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(shí)，減少人力物力的消耗。用戶可以借助相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)或者移動(dòng)客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)大田環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看，也可以借助遠(yuǎn)程操作對(duì)一些突發(fā)狀況進(jìn)行解決。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

視頻檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、匯集傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、PC機(jī)以及Web服務(wù)器等，從保證視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)效果的角度，應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在實(shí)際操作中，應(yīng)該借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸;應(yīng)該通過(guò)相應(yīng)的串口通信來(lái)保證協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)PC機(jī)的溝通交流;對(duì)于網(wǎng)絡(luò)PC機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)信息的傳遞可以通過(guò)Socket套接字實(shí)現(xiàn);Web服務(wù)器應(yīng)該能夠借助一些特殊的應(yīng)用程序接口，如ODBC、JDBC等完成對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的直接訪問(wèn);對(duì)于移動(dòng)客戶端，可以結(jié)合Web服務(wù)器提供的HTTP網(wǎng)絡(luò)街接口，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建的過(guò)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(diǎn)可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器則能夠借助對(duì)應(yīng)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(dòng)終端，采集到的原始環(huán)境數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的分析和決策制定提供參考。

3.1.2監(jiān)測(cè)流程設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)大田作物及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)，然后再經(jīng)由串口通信傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行暫時(shí)保存。借助Socket套接字以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通信，PC機(jī)可以將自身保存的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，使得用戶能夠借助動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面和移動(dòng)客戶端來(lái)實(shí)時(shí)查看大田作物的生長(zhǎng)情況。

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮遙感遙測(cè)以及計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)于大田作物及環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可以查看相應(yīng)的視頻錄像來(lái)了解作物生長(zhǎng)狀況。合理的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具備豐富的監(jiān)測(cè)功能，如長(zhǎng)期無(wú)人監(jiān)測(cè)、復(fù)雜事件監(jiān)測(cè)、大范圍監(jiān)測(cè)以及同步監(jiān)測(cè)等，以此來(lái)突破傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的局限性，提升監(jiān)測(cè)效果。對(duì)比人工巡檢方式，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在惡劣天氣狀況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，基本不需要進(jìn)行人工維護(hù)，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(guò)無(wú)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(shí)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(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境數(shù)據(jù)的高效采集，具體來(lái)講，地面數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、光照、風(fēng)速風(fēng)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(yīng)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(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口通信來(lái)將數(shù)據(jù)傳遞并暫時(shí)存儲(chǔ)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(huì)有所不同，而依照傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?，配合相?yīng)的灌溉預(yù)報(bào)軟件，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算出最佳灌溉量和灌溉時(shí)間，保證灌溉合理性的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約用水。同時(shí)，借助智能控制系統(tǒng)，農(nóng)戶還可以通過(guò)對(duì)作物種植參數(shù)庫(kù)以及大田信息數(shù)據(jù)庫(kù)的綜合分析，保證施肥以及農(nóng)藥噴灑的合理性，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種田。

4 ?結(jié)語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，構(gòu)建相應(yīng)的大田作物視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠幫助農(nóng)戶在足不出戶的情況下準(zhǔn)確把握大田作物的生長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)中，主要是通過(guò)各類傳感器來(lái)對(duì)大田環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對(duì)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助相應(yīng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，于數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，依照數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先設(shè)置的專家意見，采取有效的應(yīng)對(duì)和處理措施，以此來(lái)提升大田管理的有效性。新時(shí)期，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展迅速，將其應(yīng)用到大田作物監(jiān)測(cè)中，可以為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展服務(wù)，而在構(gòu)建視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮安全問(wèn)題，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)眾多且部署在無(wú)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(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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。