精細監(jiān)管下的作物長勢與生境信息關聯(lián)探究

鄧夢怡，王躍亭，俞 龍，伍穎欣，胡 煜

（華南農業(yè)大學電子工程學院，廣東 廣州 510642）

0 引言

作物的健康生長離不開其所在生態(tài)環(huán)境的作用、影響。了解、熟悉生境信息，管理相關的控制設施，創(chuàng)造適宜作物生長的生境條件，將有益于作物的健康生長。隨著人工智能、物聯(lián)網、移動互聯(lián)等技術的日益完善，利用信息化方式實現(xiàn)作物長勢的精準、細致監(jiān)測，通過自動化手段完成生境信息的控制，打造作物茁壯生長的良性循環(huán)，是未來農業(yè)發(fā)展的重要方向。

為實現(xiàn)作物本身及生境信息的獲取，國內外研究者進行了廣泛的研究：在對作物生長情況監(jiān)測方面，可通過引入衛(wèi)星、無人機、高光譜等設施獲取作物生長圖片、植被覆蓋率、葉面積指數(shù)、冠層色素含量、葉片色素密度等，全面、立體地了解作物長勢、健康情況；在生境信息監(jiān)測方面，根據不同的應用場景、使用條件，選用不同類型傳感器對作物生長環(huán)境進行監(jiān)測，經由ZigBee、Wi-Fi、GPRS 等不同形式的通信網絡，搭建不同環(huán)境下的無線感知網絡，并根據實際情況制定相應的監(jiān)測、控制策略，完成作物環(huán)境信息的采集、傳輸、匯總、管理等操作。

在不同環(huán)境下，為獲取不同作物的長勢、環(huán)境信息，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地獲取信息，達到科學、詳盡的信息獲取策略，本文通過提供一套適用范圍廣、監(jiān)管手段多的作物長勢與生境信息監(jiān)管系統(tǒng)與策略，便于利用信息化手段完成農作物的精細監(jiān)管。

1 系統(tǒng)總體設計

本文所提出的作物長勢與生境信息監(jiān)管系統(tǒng)主要包括田間監(jiān)測單元、云服務器處理存儲單元以及多平臺遠程監(jiān)測單元，其結構示意圖如圖1 所示。田間監(jiān)管單元部署于作物生長的場地內，通過網絡攝像頭、生境信息傳感器等設施設備，對作物的長勢、生境等信息進行監(jiān)測、獲?。唤浻蔁o線通信網絡，將其信息匯總于路由通信節(jié)點；在路由通信節(jié)點完成GPRS 網絡轉換，信息將匯總、轉發(fā)至云服務器處理存儲單元，同時在信息展示分析單元進行信息展示、分析。云服務器處理存儲單元接收從田間監(jiān)管單元傳送過來的圖像、生境等信息，繼而進行消息解析、存儲、分析以及轉發(fā)。遠程監(jiān)管單元獲取來自云服務器處理存儲單元的信息，并在不同的展示平臺進行消息展示、顯示。

2 田間監(jiān)管單元

田間監(jiān)管單元對田間作物的長勢、所處的生態(tài)環(huán)境等信息進行監(jiān)測、管理，包括作物長勢監(jiān)測、生境信息監(jiān)測與管理、無線通信以及信息展示等子單元。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

2.1 作物長勢監(jiān)測單元與信息展示分析單元

作物長勢監(jiān)測單元與信息展示分析單元協(xié)調工作，通過機器視覺等技術對作物病蟲害、生長長勢等情況進行監(jiān)測。其中，作物長勢監(jiān)測單元包括圖像采集設備、姿態(tài)信息采集單元、通信路由單元以及設備供電子系統(tǒng)，其結構示意圖、實地部署如圖2所示。

圖像采集設備選用網絡攝像頭，像素為132 萬，可完成20 倍光學變焦，焦距為4.7～94.0 mm。姿態(tài)信息采集單元選用GY-25 姿態(tài)傳感器作為姿態(tài)信息獲取設備，通過樹莓派3B 獲取GY-25 姿態(tài)信息，利用Socket通信方式將其發(fā)送至信息展示分析單元，完成姿態(tài)信息的獲取、傳輸。

信息展示分析單元一方面控制圖像采集設備，利用Visual studio 2017 集成開發(fā)工具進行C++開發(fā)，實現(xiàn)圖像采集設備的圖像采集、設備運行狀態(tài)等信息展示；另一方面，利用人工智能算法，對作物圖像信息進行采集、分析，進而對作物長勢信息進行提取、展示。

圖2 作物長勢監(jiān)測單元結構示意圖與實地部署圖

2.2 生境信息監(jiān)管單元與無線通信單元

生境是指物種或物種群體賴以生存的生態(tài)環(huán)境，包括大氣溫濕度、土壤溫濕度等。生境信息監(jiān)管單元則是指利用不同類型的傳感器采集作物生長生存的生境信息，通過所配套的管理設施完成相應環(huán)境變量的控制、更改。

為便于實際作物生境信息的應用管理，生境監(jiān)管單元分為生境信息采集終端節(jié)點和生境信息通信控制節(jié)點兩部分。其中信息采集終端節(jié)點用于生境信息的獲取，其結構示意圖、實物圖如圖3 所示。

通信控制節(jié)點負責對整個生境監(jiān)管單元的信息收集、消息傳遞、控制指令下達等操作，為實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和便捷控制，其配備有更大規(guī)格的太陽能電池板和便捷的控制面板，結構示意圖與實物圖如圖4 所示。

圖3 生境信息監(jiān)管單元結構與實物圖

圖4 通信控制節(jié)點實物圖與電路封裝圖

無線通信單元則負責根據不同應用場景、不同使用環(huán)境等特點，選擇不同的網絡通信方式，完成生境信息傳輸。本系統(tǒng)針對實際應用對通信距離、環(huán)境復雜對信息干擾、通信功耗等問題，提供ZigBee、LORA 等無線通信方式，其網絡拓撲結構如圖5 所示。

圖5 通信控制節(jié)點實物圖與電路封裝圖

3 云服務器處理存儲單元與遠程監(jiān)管單元

3.1 云服務器處理存儲單元

云服務器處理存儲單元用于實現(xiàn)消息的接收、存儲、轉發(fā)等操作。為實現(xiàn)系統(tǒng)靈活、可靠的運行，系統(tǒng)在云服務器上搭建MQTT 服務器，將數(shù)據存儲、數(shù)據展示等功能進行獨立劃分，通過其消息轉發(fā)機制將不同功能組件進行組合、拼接，最終完成大數(shù)據的積累。

3.2 遠程監(jiān)管單元

遠程監(jiān)管單元用于使用者在遠程對田間作物、生境信息以及控制設施進行控制、操作，主要指遠端PC、移動智能設備或者Web 界面上的監(jiān)測管理程序。使用者一方面可以從本單元查詢歷史、當前生境、作物長勢等信息；另一方面通過發(fā)送控制指令，遠程操作相關設施，完成生境信息改變。

4 試驗測試與結果

為確定系統(tǒng)功能實現(xiàn)效果以及其性能指標，本文進行了作物長勢監(jiān)測以及生境信息采集通信試驗。

4.1 作物長勢監(jiān)測試驗

利用本系統(tǒng)對一定生存區(qū)域內的13 株茶樹所患的萎芽病情況進行長勢信息獲取。試驗時，通過定點及變焦圖像采集方式，完成茶樹萎芽病圖像采集，其場地部署如圖6 所示，采集部分結果如圖7所示。

圖6 萎芽病長勢監(jiān)測試驗場景部署

4.2 生境信息監(jiān)測試驗

4.2.1 LORA網絡覆蓋測試

圖7 作物長勢監(jiān)測結果

為測試系統(tǒng)對單位區(qū)間內作物生境情況的通信、覆蓋情況，本研究將系統(tǒng)部署于300畝（1畝=0.067 hm2）的山地果園內進行網絡覆蓋測試。通信時，設定終端節(jié)點與通信控制節(jié)點的工作于定點模式下，測試時通信控制節(jié)點通過選擇指定通信地址實現(xiàn)與指定終端節(jié)點通信，測試結果如圖8所示。

圖8 LORA通信效果圖

LORA 網絡直連的情況下，27 個通信節(jié)點中正常通信節(jié)點數(shù)量達到25 個，系統(tǒng)對果園灌溉控制面積比可達到92%以上。由此可見，LORA 繞射、穿透能力強，更適應于大范圍、高密度的野外工作場景。

4.2.2 通信距離測試

為測試實地LORA 通信距離，確定系統(tǒng)最佳部署設置，本文進行系統(tǒng)通信距離測試試驗。試驗時，通信控制節(jié)點放置于果園內，測試人員分別在果園左側、右側村莊以及可到達的最遠距離進行通信距離檢測，其結果如圖9 所示。

在距離通信控制節(jié)點1 000、1 500 m 的A、B 兩村莊處分別能夠正常通信；系統(tǒng)最遠通信距離可達到距通信控制節(jié)點2 600 m 的D 處山頂。長距離、強繞射的效果可以將部分通信節(jié)點部署于果農家內，方便果農實時、便捷了解果園信息；同時，遠距離的通信特點為同一網絡管理跨區(qū)域多果園提供技術支撐。

5 結語

人工智能、大數(shù)據等新興技術的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)產業(yè)改革、創(chuàng)新提供了新的機遇。無線通信、傳感器技術以及計算機技術的不斷提高，為大數(shù)據提供了數(shù)據接口，更為人工智能識別提供了大量的數(shù)據集。本文設計的系統(tǒng)在作物長勢、作物生境信息采集等方面有較好的應用，未來在農作物生長情況與生境信息協(xié)作等方面可發(fā)揮重要的作用。