曹課興

（榆林學(xué)院 陜西省榆林市 719000）

馬鈴薯作為我國重要糧食之一，種植面積較大，分布在貴州、西北、內(nèi)蒙古、東北地區(qū)等多個(gè)省市（自治區(qū)）。雖然該農(nóng)作物種植面積較大，但是平均單產(chǎn)不是很高，低于世界平均水平，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單產(chǎn)15406kg/hm。由于馬鈴薯農(nóng)作物生長期間容易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。其中，病害較為嚴(yán)重、傳播比較廣的病害為馬鈴薯晚疫病，這種病屬于氣候型病害。為了盡可能降低病害對馬鈴薯造成過大影響，我國提出將數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用至病害監(jiān)測中，開發(fā)病害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對防治工作的開展幫助較大。由于馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間比較短，功能尚不全面，晚疫病侵染分析不深入，病害監(jiān)測實(shí)時(shí)性薄弱。為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文嘗試采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測馬鈴薯晚疫病，設(shè)計(jì)一套物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

1 馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警模型

馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警模型（CARAH 模型）是一種適用于田間小氣候病害監(jiān)測預(yù)警工具，在馬鈴薯晚疫病監(jiān)測中有所應(yīng)用，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得到了一些關(guān)于此病狀診斷的數(shù)據(jù)資料，這些資料將作為系統(tǒng)程序開發(fā)支撐。本研究運(yùn)用該模型，檢測環(huán)境溫度，判斷病害等級。假設(shè)某溫度環(huán)境下，馬鈴薯濕潤一段時(shí)間后葉片遭到侵染，致使農(nóng)作物產(chǎn)生晚疫病。濕潤期平均溫度范圍7 ～18℃情況下，引發(fā)輕度侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是16.3 ～10.45h；引發(fā)中等侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是19.3 ～11h；引發(fā)重等侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是22.3 ～14h；引發(fā)極重侵染病害的濕潤時(shí)間范圍是25.3 ～17h。當(dāng)平均溫度范圍在19 ～22℃之間時(shí)，如果測得溫度超過27℃，則判定不會發(fā)生侵染病害，如果測得溫度范圍在23 ～26℃之間時(shí)，則判定發(fā)生的侵染病害只有輕度。當(dāng)溫度達(dá)到限定范圍時(shí)，馬鈴薯晚疫病侵染病害嚴(yán)重性隨著濕潤期時(shí)間的延長而變得越來越重。

本研究采用Conce 方法計(jì)算CARAH 模型中的侵染病害分?jǐn)?shù)，如果計(jì)算結(jié)果的積分達(dá)到7分，則結(jié)束本次侵染檢測。如果當(dāng)前檢測的侵染病害問題由前一次侵染引發(fā)，那么認(rèn)為當(dāng)前侵染病害與上一次侵染屬于同一代，反之，則判定該侵染病害為新一代侵染。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建晚疫病監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，利用小氣候監(jiān)測儀采集田間環(huán)境信息，對這些數(shù)據(jù)加以分析，判斷晚疫病病菌侵染狀況，在GIS 地圖上顯示侵染狀況信息。對于遭受病害侵染的馬鈴薯種植區(qū)域，采用不同的顏色標(biāo)記。如圖1 所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖1： 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 馬鈴薯田間氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)信息自動(dòng)化采集

本系統(tǒng)利用自動(dòng)氣象站采集馬鈴薯田間氣候數(shù)據(jù)，對比多種自動(dòng)氣象站的性能、功能、成本，選取滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求且成本較低的Davis Vantage Pro II 型號設(shè)備作為自動(dòng)氣象站。該采集站搭配現(xiàn)場核心控制器，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而獲取氣象數(shù)據(jù)。其中，涉及到的氣象數(shù)據(jù)包括田間降水、濕度、溫度等。為了得到這些數(shù)據(jù)，在氣象站內(nèi)安裝了濕度傳感器、溫度傳感器、降水測量設(shè)備等，利用這些裝置采集數(shù)據(jù)，通過RS485 總線，將數(shù)據(jù)傳輸至核心控制器，在此控制器的操控下，驅(qū)動(dòng)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，將這些田間數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)層。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸功能逐漸得以完善，傳輸效率也有所提升，從4G 網(wǎng)絡(luò)上升至5G 網(wǎng)絡(luò)，大大提高了田間數(shù)據(jù)傳輸效率。通過互聯(lián)網(wǎng)信號塔，將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這些數(shù)據(jù)將作為原始數(shù)據(jù)，支撐晚疫病侵染診斷。

3.2 晚疫病侵染診斷分析

3.2.1 晚疫病侵染分析

本系統(tǒng)利用CARAH 模型診斷晚疫病菌侵染狀況，為了得到較為精準(zhǔn)的診斷結(jié)果，將每一日的侵染數(shù)據(jù)信息積累到一起，得到侵染積分。按照模型中的診斷標(biāo)準(zhǔn)，對侵染狀況進(jìn)行打分，計(jì)算多日積分結(jié)果。如果該計(jì)算結(jié)果達(dá)到了7 分，則判斷一次晚疫病侵染結(jié)束。目前，國內(nèi)病害侵染積分的計(jì)算方法較為成熟，本研究選擇計(jì)算較為簡單的Conce 方法作為計(jì)算工具，計(jì)算晚疫病侵染積分。由于晚疫病受多種因素影響，通常情況下，馬鈴薯感病品種第一次侵染3 代病菌時(shí)，可以查看到中心病株；馬鈴薯抗病品種第一次侵染5代、6 代病菌時(shí)，可以查看到危害中心病株。

當(dāng)田間環(huán)境數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)中，CARAH 模型將自動(dòng)診斷晚疫病菌侵染狀況，生成病害侵染曲線。通過觀察曲線變化特點(diǎn)，對病害侵染狀況加以分析。如果某一次侵染結(jié)束前，發(fā)生了另外一次病害侵染，那么認(rèn)為這兩次病害侵染為同一代病害侵染。如果某一次病害侵染積分達(dá)到7 分之前，未發(fā)生病害侵染，則認(rèn)為另外一次病害侵染與該次病害不是同一代病害侵染。

CARAH 模型中晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照不同濕潤期平均溫度范圍，設(shè)定兩種計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)，如表1、表2所示。

表1： 晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)（濕潤期平均溫度范圍7 ～18℃）

表2： 晚疫病侵染病害計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)（濕潤期平均溫度范圍19 ～22℃）

每日將統(tǒng)計(jì)的病害診斷分?jǐn)?shù)累積到一起，得到積分結(jié)果，如果達(dá)到了7 分，則認(rèn)為一代晚疫病侵染結(jié)束，開始下一代病害侵染。所得病害侵染結(jié)果，將作為晚疫病防治策略設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

哎呀，我大叫一聲，眼前頓時(shí)一片漆黑，仿佛墜入無邊的深淵，越沉越深。這一回黑暗再也無法消退，意識模糊起來。隱隱約約的，我感覺自己就要死了。奇怪的是，我有一種解脫了的高興，感覺自己好像在飛。我的肉體往下沉，靈魂卻往上升。

3.2.2 晚疫病侵染情況統(tǒng)計(jì)分析

為了便于開展晚疫病防治工作，本系統(tǒng)增加了晚疫病侵染情況統(tǒng)計(jì)分析功能，包括區(qū)域病害侵染分析、時(shí)間段病害侵染分析。此項(xiàng)功能的開發(fā)，運(yùn)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，通過設(shè)定表結(jié)構(gòu)主鍵，建立數(shù)據(jù)表體系，以便查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，形成不同查詢服務(wù)機(jī)制。例如，按照區(qū)域查詢病害侵染狀況，輸入需要查詢的區(qū)域范圍，系統(tǒng)將自動(dòng)訪問數(shù)據(jù)庫，查詢與此區(qū)域相關(guān)的晚疫病侵染數(shù)據(jù)信息，生成查詢結(jié)果表格，供用戶分析病害狀況。

3.2.3 未來晚疫病侵染變化趨勢預(yù)測分析

為了盡可能提高晚疫病防治效率，本系統(tǒng)增加了未來晚疫病侵染變化趨勢預(yù)測分析功能。該項(xiàng)功能將近期60 天馬鈴薯生產(chǎn)環(huán)境病害分析數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，根據(jù)該時(shí)間范圍內(nèi)的病害侵染變化趨勢，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)的病害變化情況。本系統(tǒng)支持未來1 ～3d 病害預(yù)測，對病害積分狀況進(jìn)行計(jì)算，給出病害預(yù)測結(jié)果。該結(jié)果將作為防治建議生成的參考依據(jù)，按照病害預(yù)測嚴(yán)重性等級，給予病害防治先后順序建議。

3.3 晚疫病侵染監(jiān)測預(yù)警

本系統(tǒng)開發(fā)GIS 預(yù)警功能、GIS 插值分析預(yù)警功能，根據(jù)系統(tǒng)病害侵染監(jiān)測結(jié)果，判斷是否發(fā)出預(yù)警信號。GIS 預(yù)警功能的開發(fā)，如果病害侵染積分結(jié)果不為0，判定馬鈴薯遭受晚疫病侵害。按照病害積分?jǐn)?shù)值不同，利用不同顏色標(biāo)注侵染嚴(yán)重程度，隨著顏色的加深，病害侵染更加嚴(yán)重。當(dāng)檢測到病害侵染積分大于0 時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出病害侵染預(yù)警信號，通過GIS 軟件操作界面展示病害程度，同時(shí)標(biāo)注侵染屬于哪一代。關(guān)于GIS 插值分析預(yù)警功能的開發(fā)，采用IDW 方法分析侵染代次情況，生成晚疫病侵染監(jiān)測結(jié)果。該項(xiàng)功能根據(jù)晚疫病侵染分析結(jié)果，生成侵染代次數(shù)據(jù)，用于描述病害侵染差別。

3.4 晚疫病防治決策建議的生成

為了便于晚疫病防治工作的開展，本系統(tǒng)增加了防治決策建議生成功能。按照病害侵染程度監(jiān)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果，從防治方案中選擇較為適合的防治方案?？紤]到病害狀況較為復(fù)雜，存在現(xiàn)有狀況與數(shù)據(jù)庫病害狀況不符情況，此時(shí)選擇相似狀況下的防治策略作為防治建議，結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化防治策略，并將優(yōu)化后的防治策略錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，而后更新數(shù)據(jù)庫。為了便于用戶查看防治決策內(nèi)容，本系統(tǒng)增加了計(jì)算機(jī)訪問終端和無線訪問終端，具備系統(tǒng)訪問權(quán)限的用戶可以通過不同訪問終端獲取防治決策信息。

4 系統(tǒng)測試分析

4.1 系統(tǒng)測試內(nèi)容與方法

4.1.1 晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)傳輸延遲測試

選取6 個(gè)不同病害程度的馬鈴薯種植區(qū)域作為晚疫病監(jiān)測區(qū)域，記為監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2、監(jiān)測區(qū)域3、監(jiān)測區(qū)域4、監(jiān)測區(qū)域5、監(jiān)測區(qū)域6，利用系統(tǒng)監(jiān)測各個(gè)區(qū)域的晚疫病病害程度和病害代數(shù)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果，與實(shí)際病害程度和病害代數(shù)進(jìn)行對比。另外，測試各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸延遲情況，要求控制在1s 之內(nèi)。

4.1.2 晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試

以監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2 作為晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試區(qū)域，設(shè)定預(yù)測時(shí)間為1 ～3d，預(yù)測晚疫病侵染病害程度和病害代數(shù)，記錄預(yù)測結(jié)果，將該結(jié)果與實(shí)際晚疫病侵染病害程度和病害代數(shù)進(jìn)行對比。另外，測試系統(tǒng)預(yù)警功能，以1 代輕度及以上病害程度作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，一旦發(fā)現(xiàn)病害，立即向系統(tǒng)用戶發(fā)出預(yù)警。記錄監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域晚疫病侵染病害預(yù)警情況。

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

按照系統(tǒng)測試內(nèi)容與方法，分別對晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能進(jìn)行測試，結(jié)果如表3、表4 所示。

表3： 晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)傳輸延遲測試結(jié)果

表4： 晚疫病侵染病害預(yù)測與預(yù)警功能測試結(jié)果

表3 中6 個(gè)監(jiān)測區(qū)域的晚疫病侵染病害診斷精準(zhǔn)度測試結(jié)果顯示，監(jiān)測病害程度、監(jiān)測病害代數(shù)與實(shí)際狀況相符。除了監(jiān)測區(qū)域2 以外，其他區(qū)域均存在晚疫病侵染問題。其中，監(jiān)測區(qū)域4 的病害代數(shù)最高，達(dá)到了3 代。其次為監(jiān)測區(qū)域2，該區(qū)域的晚疫病達(dá)到了2 代極重侵染程度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲最大數(shù)值為0.2s，在控制允許范圍之內(nèi)。

2 個(gè)監(jiān)測區(qū)域的馬鈴薯晚疫病3d 預(yù)測中，預(yù)測病害程度、預(yù)測病害代數(shù)與實(shí)際狀況相符。其中，監(jiān)測區(qū)域1 的晚疫病預(yù)測1 ～2d，預(yù)測病害程度、預(yù)測病害代數(shù)未發(fā)生改變，到達(dá)第3d 時(shí)，病害程度有所加重，與實(shí)際病害程度、病害代數(shù)相符。由此看來，病害程度、病害代數(shù)的預(yù)測精準(zhǔn)度較高。另外，當(dāng)馬鈴薯出現(xiàn)1 代輕度及以上病害程度時(shí)，系統(tǒng)皆發(fā)出預(yù)警，符合系統(tǒng)功能開發(fā)要求。

5 總結(jié)

本文圍繞馬鈴薯晚疫病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案展開研究，為了提高病害監(jiān)測實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)方案采用無線傳輸功能模塊作為數(shù)據(jù)傳輸裝置，借助信號塔傳輸田間數(shù)據(jù)采集信號。通過構(gòu)建CARAH 模型，對病害程度及病害代數(shù)進(jìn)行診斷，通過訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)病害數(shù)據(jù)處理與診斷、預(yù)測病害程度及病害代數(shù)，并發(fā)出預(yù)警信號。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確診斷和預(yù)測晚疫病病害程度及病害代數(shù)，支持病害預(yù)警功能。