基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究

滕雯馨，蘇 菁，黃德豪，聶天軍，呂 玲，韋柳紅

（1.南寧市青秀區(qū)長塘鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)機技術推廣站，廣西 南寧 530212；2.廣西力拓米業(yè)集團有限公司，廣西 530021）

目前結合物聯(lián)網(wǎng)技術，進行水稻生長動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工作具有非常大的意義。水稻作為我國主要的糧食作物，種植歷史悠久，積累了很多種植經(jīng)驗。但是采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，不僅難以保證水稻的質(zhì)量、效率，還需要花費非常多的經(jīng)費，水稻種植期間會受到土壤肥力、水分、病蟲害等因素的影響，導致水稻產(chǎn)量以及質(zhì)量大幅度下降。如何才可以在水稻生長期間做好防控工作，將外界環(huán)境對水稻種植的影響降到最低，是水稻種植工作需要重點研究內(nèi)容。在物聯(lián)網(wǎng)技術出現(xiàn)后，使水稻管理工作有了極大的發(fā)展。

1 系統(tǒng)考核指標

水稻物聯(lián)網(wǎng)信息智能管理平臺需要申請專利，同時還應該制定生產(chǎn)技術規(guī)程，培養(yǎng)相應工作人員進行水稻種植。在水稻生產(chǎn)管理中，還應該實現(xiàn)項目精細化管理。比如，廣西力拓米業(yè)集團農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，應用基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水稻生長動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，進行有機水稻種植作業(yè)，可以保障每年水稻種植節(jié)約用肥每畝460元，年畝節(jié)省人工成本25萬400元，同時節(jié)省農(nóng)藥每畝250元，實現(xiàn)項目新增效益。

在物聯(lián)網(wǎng)技術作用下，可以使動態(tài)監(jiān)控效果大幅度提升，通過精準調(diào)控掌握水稻生長的動態(tài)信息。除此之外，在物聯(lián)網(wǎng)技術作用下，還可以提升動態(tài)監(jiān)控水平，實時掌握水稻生長情況。在水稻種植期間，根據(jù)種植水稻試驗田的工作情況，選擇有效穗數(shù)、株高、葉綠素含量這三種性狀作為監(jiān)測對象，通過人工測量數(shù)據(jù)比對，監(jiān)控水稻這三方面性狀，根據(jù)動態(tài)監(jiān)測得到的結果，合理應用生產(chǎn)資源，使水稻管理工作順利進行，提升水稻種植工作的質(zhì)量和產(chǎn)量。

2 設計概述

2.1 設計原理

在物聯(lián)網(wǎng)技術出現(xiàn)后，將其引入到水稻種植作業(yè)中，加強動態(tài)監(jiān)控能力，考慮到水稻種植的特征，需要基于物聯(lián)網(wǎng)技術架構，建立田間信息采集體系，通過動態(tài)信息監(jiān)控系統(tǒng)，提升水稻種植監(jiān)控水平，加強系統(tǒng)智能分析強度，并借助自動化傳輸功能，實時監(jiān)測水稻生長情況，借助網(wǎng)絡渠道傳遞視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠程動態(tài)監(jiān)控。

為了提升遠程監(jiān)控水平，應該在動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，融入射頻識別技術，動態(tài)監(jiān)控能否真實地反映水稻生長數(shù)據(jù)，需要強化視頻數(shù)據(jù)生成的精度，所以還應該結合光譜分析技術，通過設備拍攝水稻生長期間的產(chǎn)量現(xiàn)狀、形態(tài)形狀、病蟲害程度，光譜分析水平越高便可以使設備生成的視頻數(shù)據(jù)更加精準。水稻生產(chǎn)管理工作各項指標的判定都是基于視頻數(shù)據(jù)基礎形成的，所以視頻數(shù)據(jù)是否能還原水稻真實的生長情況異常關鍵。與此同時，還應該根據(jù)水稻生長的不同時期，計算水稻生理狀況評定生理指標，計算水稻產(chǎn)量潛力，同時應該根據(jù)當?shù)赝临|(zhì)條件、自然氣候特征，計算水稻生長周期，加強精細生產(chǎn)調(diào)控力度，從而在水稻生長期間，及時向其提供生長需要的養(yǎng)分，還能在極大程度上，防止病蟲害對水稻質(zhì)量造成的影響，在一定程度上縮短水稻生長周期。在動態(tài)監(jiān)控期間，實時觀察水稻生長情況，做好病蟲害防護工作，并根據(jù)土質(zhì)條件以及水稻所需的養(yǎng)分，進行施肥，在保證水稻增產(chǎn)的前提下，大幅度提升水稻質(zhì)量，從而達到節(jié)水減肥的目的，有效地控制住水稻生產(chǎn)的總體成本。

2.2 方案設計

我國目前開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作時，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術設計出適合于水稻生產(chǎn)管理的方案，借助現(xiàn)代技術如網(wǎng)絡信息技術、大數(shù)據(jù)技術，完成數(shù)據(jù)采集、視頻信息傳輸、數(shù)據(jù)后臺分析處理等工作，保證每個環(huán)節(jié)順利開展，這是實現(xiàn)遠程監(jiān)控的重要基礎。除此之外，還應該重視視頻數(shù)據(jù)的收集工作，保證設備可以讀取水稻的生長動態(tài)信息，并將其傳送到后臺中進行處理，設備拍取水稻的動態(tài)信息越精確，便可以更精準地分析水稻在當前階段的生長情況，通過數(shù)據(jù)采集水稻生長信息，在感知獲取控制等工作下，完成視頻信號的傳輸，并使用4G網(wǎng)絡感應啟動信息傳輸渠道，將視頻數(shù)據(jù)傳送到后臺進行分析，在數(shù)據(jù)分析模塊中整理出水稻生長的情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫匹配信息，分析視頻數(shù)據(jù)結果，調(diào)取管理方案，實現(xiàn)水稻生長的精準調(diào)控。

水稻生長調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為整項方案的中樞環(huán)節(jié)，起到傳遞信息發(fā)送指令的作用，并根據(jù)分析得到的結果，整合當?shù)刭Y源，實現(xiàn)針對性智能化、自動化種植作業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)技術應用下，可以使水稻生長管理更為科學，還可以降低人力輸出，節(jié)省工作成本。進行水稻動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)管理期間，在物聯(lián)網(wǎng)技術的作用下，植物工廠可以根據(jù)視頻數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的管理指令進行管理工作。除此之外，還可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，執(zhí)行水稻生產(chǎn)精細管理作業(yè)，合理利用當?shù)刭Y源，防止外在光照溫度對水稻生產(chǎn)造成不良的影響，提高水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量?；谖锫?lián)網(wǎng)技術進行水稻生產(chǎn)管理，其目的性非常強，可以按照設計人員的設計方向進行管理工作，這樣還能極大程度地簡化工作難度，保證管理工作取得良好的效果。

3 系統(tǒng)組成

水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)處理、服務器采集裝置、信號傳輸裝置、視頻數(shù)據(jù)采集設備、后臺管理系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術作用下，使各部分可以連貫在一起。進行視頻數(shù)據(jù)的采集工作時，以計算機視覺技術作為媒介，通過設備采集水稻生長期間的光譜反射率，并以水稻的葉綠素性狀作為視頻數(shù)據(jù)采集指標，采用光譜技術在光譜儀中，進行視頻數(shù)據(jù)分析工作。與此同時，需要使用光伏設備了解水稻植株氮氧含量，根據(jù)光譜反射率，計算水稻植株中氮素的含量，構建水稻植株含量預測模型，根據(jù)正常水稻葉綠素以及氮素含量，考慮水稻生長期間所需的營養(yǎng)成分，從而及時根據(jù)視頻數(shù)據(jù)分析得到的結果，發(fā)出指令，進行水稻管理工作。

信號傳輸裝置在水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中非常重要，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理器與視頻采集裝置對視頻數(shù)據(jù)信號的傳遞以及指令的發(fā)布，在物聯(lián)網(wǎng)技術下通過網(wǎng)絡平臺，傳遞信號并使用COFDM調(diào)制技術，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳市耘c可靠性；數(shù)據(jù)處理服務器可以接收田間視頻系統(tǒng)拍攝的視頻數(shù)據(jù)，及時分析數(shù)據(jù)內(nèi)容并在操作人員以及技術人員的幫助下，建立水稻生產(chǎn)知識庫，根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到結果與數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進行匹配，借助信息圖譜在windows ce環(huán)境的串口分析數(shù)據(jù)、下達指令，提升系統(tǒng)的運行效率并及時根據(jù)數(shù)據(jù)平臺輸出管理指令，進行水稻生產(chǎn)管理作業(yè)；后臺管理系統(tǒng)在水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以及時接收數(shù)據(jù)處理服務器反饋得到的結果，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，根據(jù)水稻生長信號對應的模塊信息，及時作出反應，并由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出指令執(zhí)行養(yǎng)分供給或除草噴劑等工作。不僅如此，水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構建時，根據(jù)以往水稻生產(chǎn)管理的工作經(jīng)驗，配備智能化自動化的工作設備，比如光溫調(diào)節(jié)設備、除草劑噴灑設備、施肥設備，在后臺管理系統(tǒng)發(fā)出針對性指令后，便可以通過控制模塊，將工作分配給相應設備進行作業(yè)，完成相關的任務。

應用信息技術，通過遠程異地監(jiān)控，掌握水稻生長的情況，通過生長信息的整合處理，能夠使水稻生產(chǎn)管理實現(xiàn)自動化、智能化發(fā)展。但是在當前階段，應用物聯(lián)網(wǎng)技術進行水稻智能管理的研究仍存在一些問題，首先水稻生長受到季節(jié)的影響，同時生長各階段需要注意的問題有極大的差異，在每個生長階段應該根據(jù)以往的種植經(jīng)驗，按照水稻生長特征，合理設計水稻生產(chǎn)管理內(nèi)容，根據(jù)收集的水稻生長動態(tài)數(shù)據(jù)，整合數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將水稻生產(chǎn)變量參數(shù)作為水稻動態(tài)管理的憑據(jù)，合理使用農(nóng)藥水肥等，降低外在因素對水稻生產(chǎn)的影響。在物聯(lián)網(wǎng)技術作用下進行動態(tài)監(jiān)控作業(yè)，還能減少水稻生產(chǎn)所需的勞動力，簡化工作難度，大幅度地提升水稻產(chǎn)量和質(zhì)量。

4 田間試驗

基于物聯(lián)網(wǎng)技術，構建水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過現(xiàn)代傳感技術結合計算軟件，掌握水稻生長情況。通過可視數(shù)字化管理以及集成應用傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)水稻生產(chǎn)狀況的全程跟蹤，實現(xiàn)水稻智能化自動化生產(chǎn)，減低水稻種植成本。除此之外，使用稻米全產(chǎn)業(yè)鏈物聯(lián)網(wǎng)控制溯源系統(tǒng)，可以大幅度提升水稻生產(chǎn)的效率，使水稻生產(chǎn)可以在智能化、自動化作用下，提升水稻生產(chǎn)的質(zhì)量以及產(chǎn)量。以下針對湖南長沙植物工廠的田間試驗，分析水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應用情況。

選擇的植物工廠，土壤為平原區(qū)淺域水稻土，土壤的含氮量、有機質(zhì)含量、速效磷含量、速效鉀含量、pH值均符合水稻種植要求，并在附近等市場中購買水稻種子，分區(qū)進行水稻種植作業(yè)。

水稻于7月進行播種，并在7月底-8月初按照田間土地規(guī)劃實行種植，行距為20厘米，株高距為16厘米。在水稻種植期間，根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)收集植株生長情況，并將水稻植株生長情況以視頻數(shù)據(jù)的形式，借助物聯(lián)網(wǎng)絡傳輸?shù)胶笈_，分析系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)處理，得出分析結果并將其與數(shù)據(jù)庫進行匹配，交由控制系統(tǒng)發(fā)出指令。在本次田間試驗中，將有效穗數(shù)、葉綠素以及株高作為視頻監(jiān)控的性狀實時記錄，并向系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)分析水稻生長期間葉綠素含量，根據(jù)分析結果合理開展管理工作。水稻生長期間根據(jù)視頻數(shù)據(jù)，采用水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行生產(chǎn)管理工作，無疑可以降低勞動成本支出，同時還可以有針對性地開展管理干預，從而使水稻生產(chǎn)管理水平直線上升。

在田間實驗中還發(fā)現(xiàn)，灌漿水稻由于充實度較高，出現(xiàn)了一定的下垂，人工測量株高與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控株高，存在明顯的差異。通過各項實驗證明互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控在水稻植株監(jiān)測方面精準性更高。借助物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設備以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以有效評定水稻有效穗數(shù)，并根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫設定生產(chǎn)參數(shù)，分析水稻品種內(nèi)葉綠素含量，及時發(fā)出指令，由已經(jīng)匹配好的各種設備開展種植作業(yè)。在設備拍攝水稻生長情況，將其以視頻數(shù)據(jù)的形式，由服務器傳入后臺管理系統(tǒng)，得出視頻數(shù)據(jù)分析結果后，便可以匹配相應的指令開展生產(chǎn)管理工作，提升水稻產(chǎn)量和質(zhì)量。

5 結語

應用物聯(lián)網(wǎng)技術提高水稻動態(tài)監(jiān)控水平，收集視頻數(shù)據(jù)，掌握水稻生產(chǎn)的情況，并借助光譜分析以及信息傳輸技術，分析水稻生長期間所需的營養(yǎng)成分，及時予以提供。在田間試驗中，使用互聯(lián)網(wǎng)水稻生長信息動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行水稻種植作業(yè)，與傳統(tǒng)人工測量方式相比，不僅節(jié)省人力輸出，同時還能降低工作強度。動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)會收集水稻生長期間有效穗數(shù)、葉綠素以及株高等性狀，使用數(shù)據(jù)分析軟件分析傳送，在光譜分析后，掌握水稻在當前階段的生長情況，整合當?shù)刭Y源，做好水稻維護工作。通過動態(tài)監(jiān)控，及時為水稻提供所需的養(yǎng)分，并做好病蟲害防治工作，從而在極大程度上提高水稻產(chǎn)量和質(zhì)量。