一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測裝置

邢孔堯

（海南菱云科技有限公司，海南 海口 571199）

現(xiàn)代化社會發(fā)展趨勢下我國信息技術(shù)迅猛發(fā)展，層出不窮，運用現(xiàn)代信息技術(shù)，為病蟲害監(jiān)測、防治提供更直觀、更有效的手段，可改善傳統(tǒng)病蟲害監(jiān)測中存在的不足，繼而實現(xiàn)將災(zāi)害有效地控制在可接受的范圍，對減少損失及增加生產(chǎn)具有深遠意義。

1 概念界定

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，讓所有的獨立個體可以通過“萬物互聯(lián)”的方式實現(xiàn)共享化、融通化。主要技術(shù)即通過射頻識別、紅外傳感器、GPS、激光掃描儀等多種信息感知裝置，能夠有效地進行數(shù)據(jù)的傳遞與交互，從而為大數(shù)據(jù)、云計算等提供更大的數(shù)據(jù)存儲空間。而隨著5G的普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來的發(fā)展中將會有更廣闊的發(fā)展空間，這將會極大地改善傳統(tǒng)的距離、帶寬、速率、延遲、能耗、成本等問題，從而為未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了無限的可能[1-2]。

本文所提的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及研究目的主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳感器感知能力，對農(nóng)業(yè)病蟲害實施監(jiān)測，同時通過數(shù)據(jù)采集及分析，然后按照應(yīng)用的特性將數(shù)據(jù)分配給各個環(huán)節(jié)，以此實現(xiàn)病蟲害防治科學(xué)化、信息化。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測及防治中的價值

隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在防治病蟲害上的成就和經(jīng)驗的積累，將會對保證糧食產(chǎn)量、保證產(chǎn)品質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。但是，由于傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此，從長遠來看，病蟲害控制的成效并不顯著。依托物聯(lián)網(wǎng)裝置優(yōu)化農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測，堅決突破以往的信息孤島，加強資源整合，提升綜合效能[3]。對測報方法進行改進，建立起一個具有實際意義的大數(shù)據(jù)平臺，以平臺的價值激活流量構(gòu)建運營能力，為廣大農(nóng)業(yè)區(qū)域提供實時、高效的交互性平臺[4-5]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及功能

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1 管理系統(tǒng)

（1）基礎(chǔ)資料管理模塊見表1。

表1 基礎(chǔ)資料管理模塊

（2）設(shè)備管理模塊見表2。

表2 設(shè)備管理模塊

（3）信息處理。數(shù)據(jù)管理是設(shè)備資料的后期處理單位，主要從查看、統(tǒng)計、預(yù)警等方面進行相關(guān)的管理，見表3。

表3 信息處理管理模塊

信息處理作為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害的重要子系統(tǒng)，此次系統(tǒng)設(shè)計基于數(shù)據(jù)匯總后的病蟲害綜合信息服務(wù)管理系統(tǒng)的分析、展示能力。包含多通道數(shù)據(jù)采集平臺，綜合圖形分析展示，地圖分析，系統(tǒng)安全，運行管理等子系統(tǒng)。根據(jù)采集方式，多路采集可分為人工采集、設(shè)備自動采集和半自動采集。在數(shù)據(jù)共享與管理方面，實現(xiàn)了省級數(shù)據(jù)與省級數(shù)據(jù)的對接，省級數(shù)據(jù)共享與權(quán)限管理，上級機構(gòu)對下屬機構(gòu)數(shù)據(jù)的配置和權(quán)限管理。按采集數(shù)據(jù)的種類劃分為病蟲業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)、設(shè)備原始數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其具體功能包括與國家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對接、各省特色業(yè)務(wù)表和數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)提交、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)核查、報表匯總、填報任務(wù)管理等。

2.1.2 監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括三層網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)感知層，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)終端處理層。

（1）網(wǎng)絡(luò)感知層。感測資訊節(jié)點遍布于監(jiān)控范圍內(nèi)的各個角落，可以以自我組織的形式組成網(wǎng)絡(luò)。每隔一段時間，由傳感節(jié)點對監(jiān)控區(qū)進行一次害蟲數(shù)量檢測，并在結(jié)點中對收集到的信息進行初步的處理，然后順著其他結(jié)點數(shù)據(jù)傳遞到匯合點，然后由匯合點在外界進行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸層。傳輸層的作用是把匯集節(jié)點所傳送的資訊，經(jīng)由普遍的通信網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)等，與物理通信網(wǎng)絡(luò)連接，并以適當(dāng)?shù)穆窂脚c網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)定，將資料傳送至控制中心。

（3）數(shù)據(jù)終端機處理層。指在無線通信網(wǎng)絡(luò)層面上傳資訊的終端，也就是電腦系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)控中心對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，然后向用戶發(fā)送。使用者可以利用“云計算”對采集到的信息進行準確的處理，對農(nóng)作物進行分析，對病蟲害進行監(jiān)測，然后再決定要不要進行處理。

2.1.3 監(jiān)測及防治功能

（1）“蟲情”系統(tǒng)?！跋x情”系統(tǒng)由兩個部分組成：自動“蟲情”測報系統(tǒng)和目標害蟲自動檢測系統(tǒng)，利用自動“蟲情”測報燈捕捉昆蟲并進行圖像處理，采用分類、定量的方式研究蟲情；對特別微小的害蟲，采用Xie等的面積計算方法進行系統(tǒng)處理。

（2）殺蟲燈及智能控制系統(tǒng)。殺蟲燈是一種生態(tài)植物保護技術(shù)，其物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是一項獨特的生態(tài)植保技術(shù)。到現(xiàn)在為止，國際上還沒有其他能夠?qū)崿F(xiàn)生物控制和信息素控制的物聯(lián)網(wǎng)，只有殺蟲燈能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制，并且已經(jīng)成熟。

（3）自動“蟲情”測報燈+殺蟲燈技術(shù)。該系統(tǒng)的工作原理是通過對蟲情自動監(jiān)測燈捕捉到的昆蟲數(shù)目進行控制，從而達到降低農(nóng)藥燈使用次數(shù)、維持生物多樣性、維持生態(tài)平衡的目的。自動感應(yīng)器+滅蟲燈技術(shù)能根據(jù)“蟲情”檢測燈的誘殺時間和“蟲情”自動檢測燈的開啟和關(guān)閉次數(shù)。

（4）靶標害蟲自動識別系統(tǒng)+殺蟲燈技術(shù)。該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于，通過啟動殺蟲燈控制目標害蟲的數(shù)量來達到有選擇地誘殺目標害蟲。目標有害生物識別系統(tǒng)監(jiān)控具體有害生物，也可以通過監(jiān)控具體有害生物的活動節(jié)拍（時間）和捕捉到的有害生物的數(shù)量來控制殺蟲燈的打開次數(shù)。

2.1.4 無線傳感器的信息節(jié)點體系

基于無線傳感器技術(shù)的農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、處理、無線通信、供電等四大模塊。每個傳感器的能量消耗特征都不同，而無線通信模塊的能量消耗最大。由于節(jié)點以高效能源的電池為主，節(jié)點數(shù)目多、分布廣泛，因此無法通過更換電池來延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。所以，在構(gòu)建全網(wǎng)時，首先要考慮的是節(jié)點的能量消耗，并采用最優(yōu)的能源節(jié)約策略。為減少各傳感器節(jié)點的能量消耗，有兩種方法：一是選擇低功耗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的無線通信模塊，從而延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。二是利用低功耗動態(tài)功率管理技術(shù)（DPM）、動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)（DVS，Dynamic Volage Scaling），能夠有效地減少空閑節(jié)點的處理器及各個部件的功耗。

2.1.5 檢驗方法

由于信息節(jié)點包含許多有害生物監(jiān)測的傳感器，因此它的監(jiān)控技術(shù)將與各個節(jié)點緊密相連。常規(guī)的有害生物監(jiān)控技術(shù)主要依靠昆蟲之間的化學(xué)通信和物理響應(yīng)來進行，目前常用的方法有性誘劑和暗光燈。但是，這兩種方法的缺點是耗費大量的時間、人工、物力以及有害生物的資料質(zhì)量。

2.1.6 物聯(lián)網(wǎng)手機APP檢測

該APP應(yīng)用于有害生物監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括GPS、有害生物信息采集、無線傳輸模塊等。本系統(tǒng)的主要功能是數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、標準地等。數(shù)據(jù)輸入模塊可以輸入疾?。浞N、病名）、害蟲（樹種、蟲名、蟲態(tài)）等信息。

2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 病蟲害視頻遠程實時監(jiān)測

農(nóng)作物病蟲害實時監(jiān)測系統(tǒng)包括在野外安裝高清攝像機、遠程服務(wù)器等。按照監(jiān)測范圍要求進行監(jiān)測。在野外設(shè)置若干個照相機監(jiān)視器。通過無線互聯(lián)網(wǎng)連接到一個遠程的服務(wù)器上?，F(xiàn)場監(jiān)視的圖像被實時傳送。利用移動電話或網(wǎng)絡(luò)，對監(jiān)控范圍、角度、焦距等進行監(jiān)控，實現(xiàn)對農(nóng)田的作物生長及病蟲害的監(jiān)控。通過對病蟲的分析，可以對病蟲害的種類進行初步判斷。

2.2.2 害蟲性誘遠程實時監(jiān)測

本系統(tǒng)主要是在田間設(shè)置各種誘餌誘捕裝置，利用專用誘餌誘捕某些害蟲。當(dāng)誘捕害蟲被觸碰后，感應(yīng)器自動計數(shù)，通過對監(jiān)測技術(shù)人員的手機、數(shù)據(jù)服務(wù)器進行自動分析，從而達到對害蟲進行遠程、實時監(jiān)測的自動化數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 基于氣候模擬的病蟲害實時監(jiān)測預(yù)警

近年來，在氣象流行疾病實時監(jiān)控和預(yù)警方面，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已有顯著的發(fā)展。此系統(tǒng)通過GIS地圖的分析，得到病蟲的病原特征，為病蟲的防治提供依據(jù)。

2.2.4 遠程視頻診斷和會議

農(nóng)作物病蟲害的診斷與識別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的問題。昆蟲種類繁多，一般技術(shù)人員不能完全正確地診斷和鑒別。我國在此方面的研究還沒有取得實質(zhì)性的進展，需要進一步加強對農(nóng)作物病蟲害遠程視頻診斷的研究。在基層植保和專業(yè)合作社安裝高清照相機，或者移動電話，把不能精確辨識的昆蟲樣品，送到終端進行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

3 結(jié)論

綜上所述，文章以物聯(lián)網(wǎng)裝置在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測中的實踐應(yīng)用為研究方向，通過物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測體系，具有如下優(yōu)勢：

（1）通過對該地區(qū)主要農(nóng)業(yè)區(qū)進行病蟲暴發(fā)現(xiàn)場監(jiān)測，農(nóng)作物重大病蟲害的損失率不超過5%，年均造成作物減產(chǎn)2%，由于示范效應(yīng)帶來的農(nóng)業(yè)耕作制度及病蟲害生態(tài)、農(nóng)業(yè)、物理、生物防治等措施的改善，每年可直接減少農(nóng)業(yè)化學(xué)投入20%以上，同時減少機械和人力的投資。

（2）利用監(jiān)測點的遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)自動誘殺、病蟲孢子的捕捉、田間小氣候的現(xiàn)場監(jiān)測、實時圖像和數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，大大減少基層植保人員的勞動強度、提高病蟲預(yù)報的準確率，提高農(nóng)業(yè)害蟲的預(yù)報精度，提高農(nóng)業(yè)害蟲防治的技術(shù)水平和信息化程度。

（3）在沒有掌握病蟲害信息的情況下，“見蟲打藥”、“見病打藥”的情況仍然十分普遍，防治頻率高，但使用化學(xué)殺蟲劑的比例高，嚴重危害生態(tài)環(huán)境。通過對病蟲暴發(fā)的現(xiàn)場監(jiān)測，可以有效地提高對農(nóng)作物病蟲害控制的準確性，每年可減少2～3次的農(nóng)藥使用，并能有效地降低土壤和水體中的有毒物質(zhì)，從而有效改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。