運用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測技術研究

徐珍玉，梁德明，潘 威

（AWL農(nóng)業(yè)科技（泰州）有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

農(nóng)作物病蟲害一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的一大難題，為避免嚴重的病蟲害帶來的損失，不少農(nóng)戶都加大農(nóng)藥使用量，從而引起農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留量過大，這也是當前食品農(nóng)藥殘留超標問題的根源所在。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在病蟲害防治與預警方面的應用使這種情況得到了解決，現(xiàn)階段我國的農(nóng)作物病蟲害的預警，主要還是依賴人工與自動化相結(jié)合的模式進行采集[1]。不過隨著當前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術以及農(nóng)作物本體感知技術的快速發(fā)展，一些地方在農(nóng)業(yè)病蟲防治方面，已經(jīng)開始較大規(guī)模地使用自動化采集技術，極大地提高了農(nóng)業(yè)病蟲的防治效率。

1 農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)設計原則

運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)，針對不同類型農(nóng)作物病蟲害的具體情況和特點，并且需要遵循國家關于農(nóng)業(yè)病蟲害防治的相關要求標準，要注意安全性、可靠性以及技術的先進性等，具體如下。

1.1 確保系統(tǒng)設計的安全性和可靠性

安全性和可靠性是農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)在設計時需要遵循的基礎原則，病蟲監(jiān)測系統(tǒng)必須安全，既不能給用戶帶來安全隱患，也不能對周圍的環(huán)境造成安全隱患。系統(tǒng)設計還應可靠，包括應用技術可靠，選用的設備、系統(tǒng)架構(gòu)等方面，要運行穩(wěn)定。在應用新技術和新設備方面，需要綜合考慮病蟲害監(jiān)測的需求，在保證實現(xiàn)監(jiān)測目標的前提下，綜合考慮系統(tǒng)設備的成本等綜合因素。設計的系統(tǒng)監(jiān)測病蟲害產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息等，需要維持在一個相對比較高效、均衡的數(shù)值范圍內(nèi)。

1.2 保證系統(tǒng)技術先進性和開放性

在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)設計的技術運用方面，系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術，應考慮使用目前農(nóng)作物病蟲監(jiān)測預警領域比較先進的技術，在確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的基礎上，盡可能的選擇技術水平領先、功能豐富的技術體系，以確保在今后幾年時間內(nèi)，系統(tǒng)應用的技術不落后[2]。另外，系統(tǒng)的設計應該保持一定程度的開放性，為后續(xù)相關新的技術、系統(tǒng)的應用和嵌入預留一定的空間。

1.3 系統(tǒng)維護簡單具有可延展性

在實踐中，病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障或者出現(xiàn)問題，應能夠進行維修，如果維護過于復雜，而且每次維護需要耗費較多的時間和人力成本，則會導致使用的成本增加。因此，要考慮病蟲監(jiān)控系統(tǒng)在日常作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的問題，以及如何才能夠更加簡單、快捷地進行維護。整體系統(tǒng)不能是封閉的，需要考慮相關功能和技術的延展性，保證前期和后續(xù)的投入能夠有效銜接。

2 農(nóng)作物病蟲害智能化監(jiān)測站設計

農(nóng)作物病蟲害智能化監(jiān)測站建設內(nèi)容主要包括基地信息化建設和智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺建設。基地信息化建設通過智能蟲情測報系統(tǒng)、智能病害監(jiān)測系統(tǒng)、生物實時預警監(jiān)控系統(tǒng)、害蟲自動性誘監(jiān)測儀、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以及太陽能供電系統(tǒng)等相關設備實現(xiàn)對每個監(jiān)測點的農(nóng)作物生長的環(huán)境、病蟲害情況等詳細參數(shù)信息的精確化監(jiān)測。測量結(jié)果可以在監(jiān)測站的大屏電視機和LED屏上實時展示，同時可以將數(shù)據(jù)上傳至綜合分析平臺，進行智能化的數(shù)據(jù)分析處理，在結(jié)合農(nóng)作物病蟲害防治管理的具體標準，能夠提供更加合理的防治策略和具體建議。智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺建設實現(xiàn)了基地農(nóng)作物信息化管理。通過網(wǎng)絡可以遠程實時管理在基地的智能化監(jiān)測設備，為生產(chǎn)決策提供即時有效的信息和管理工具。

2.1 基地信息化建設

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)智能蟲情測報系統(tǒng)設計

智能蟲情測報系統(tǒng)主要由害蟲誘捕裝置、害蟲收集裝置、害蟲滅殺裝置、害蟲散蟲裝置、高清攝像機與光源、履帶傳送裝置、控制器、顯示器、電源與防雷系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸模塊等組成。每個監(jiān)測點安裝一套蟲情設備，可以安裝在監(jiān)測點的任何位置[3]。測報燈會對設定時間段內(nèi)收集的害蟲分別進行分段存放、拍照與計數(shù)，測報燈內(nèi)置1 200 W高清工業(yè)攝像頭，通過系統(tǒng)設置或網(wǎng)絡遠程設置后自動拍照，將現(xiàn)場拍攝的圖片發(fā)送至監(jiān)測平臺，平臺整理并計算每天的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，以供農(nóng)業(yè)專家遠程診斷。

2.1.2 智能病害監(jiān)測系統(tǒng)設計

智能病害監(jiān)測系統(tǒng)主要由孢子捕捉裝置、孢子承載裝置、圖像采集裝置、網(wǎng)絡傳輸模塊、電源與防雷系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)利用現(xiàn)代光電數(shù)控技術，實現(xiàn)遠程自動捕捉各種花粉和孢子信息、自動更換載玻片、自動拍照、圖片數(shù)據(jù)自動上傳、自動運行等功能?？筛鶕?jù)需要，實時將環(huán)境氣象和孢子病害情況上傳到指定網(wǎng)絡平臺，專業(yè)分析人員可在平臺對每個時間段內(nèi)收集到的孢子進行手工分類與計數(shù)，形成孢子測報數(shù)據(jù)庫，供專家遠程對病害的發(fā)生與發(fā)展進行分析和預測，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供服務，滿足病情預測預報及標本采集的需要，及時防止病害發(fā)生。

2.1.3 生物實時預警監(jiān)控系統(tǒng)設計

生物實時預警監(jiān)控系統(tǒng)由攝像、傳輸、控制、顯示、存儲五大部分組成。根據(jù)不同農(nóng)作物品種的防蟲害預警要求，在農(nóng)田中的指定區(qū)域安裝固定式槍式攝像機和360°遠紅外攝像機各一套，用戶通過視頻系統(tǒng)可清晰直觀的實時查看病蟲害情況，并對突發(fā)性異常事件的過程進行及時監(jiān)視和記憶，提供及時高效地指揮和調(diào)度，一般情況下，需要在每個監(jiān)測點安裝一套。

2.1.4 農(nóng)作物病蟲自動監(jiān)測系統(tǒng)

在實現(xiàn)對農(nóng)作物病蟲預警監(jiān)控的基礎上，還要能夠?qū)οx進行自動監(jiān)測，隨時觀察農(nóng)作物病蟲情況的變化。在本研究中，借鑒當前農(nóng)業(yè)病蟲監(jiān)測領域應用較多的害蟲自動性誘監(jiān)測儀設備的技術，設計農(nóng)作物病蟲自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)作物在生長各個階段病蟲防治的精細化、科學化管理[4]。

2.1.5 利用田間小氣候監(jiān)測技術實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測

農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和各種環(huán)境傳感器組成，儀器可將采集的傳感器數(shù)值通過GPRS/WIFI網(wǎng)絡傳輸至遠端服務器或存儲至采集終端待客戶下載，也可根據(jù)客戶需要將采集值實時顯示至現(xiàn)場LED屏?，F(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡發(fā)送到中心云平臺，用戶可登陸網(wǎng)頁查看詳細的墑情信息，通過攝像機遠程觀察植物的生長狀況。數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可及時反應環(huán)境中的各項參數(shù)狀況，為農(nóng)業(yè)病蟲防治提供數(shù)據(jù)化的管理技術支撐，特別適合無人長期觀測農(nóng)作物生長環(huán)境與現(xiàn)場狀況的場合。

2.2 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺建設

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺以先進的信息采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數(shù)據(jù)以及互聯(lián)網(wǎng)等信息技術為基礎，各級用戶通過Web、PC可以訪問數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能，該系統(tǒng)主要包含以下幾種模塊。

2.2.1 “四情”監(jiān)測模塊

“四情”檢測模塊包括蟲情監(jiān)測、孢子監(jiān)測、氣象墑情監(jiān)測和苗情監(jiān)測，每個模塊的主要功能包括蟲情、孢子、氣象墑情、苗情等信息實時查看、手工錄入功能、統(tǒng)計分析功能、預警管理等功能。小氣候觀測站數(shù)據(jù)采集模塊，按照特定的通訊協(xié)議，實現(xiàn)對前端各個氣候觀測站進行數(shù)據(jù)采集，同時可靈活設定采集間隔。采集空氣濕度、光照時間以及強度和風速、雨量、土壤、土壤pH值等指標[5]。在實際作業(yè)中，田間的智能蟲情監(jiān)測設備，對農(nóng)作物病蟲進行捕殺，這種滅蟲方法主要是通過物理方法捕殺農(nóng)作物病蟲，符合當前農(nóng)業(yè)病蟲防治領域?qū)G色環(huán)保的要求。檢測模塊中病蟲災情采集信息系統(tǒng)，將采集到農(nóng)作物病蟲數(shù)據(jù)信息，以圖像、視頻等方式，通過移動網(wǎng)絡傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)控服務平臺，技術人員通過智能終端設備就可以隨時觀察農(nóng)作物的病蟲害情況，從而采取有效的病蟲防治措施。

2.2.2 視頻監(jiān)控模塊

在農(nóng)作物的種植區(qū)域，安裝有視頻監(jiān)控設備，通過系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控模塊，用戶可以比較清晰地觀察作物的生長環(huán)境及其生長狀態(tài)，而且該模塊系統(tǒng)允許用戶選擇需要重點監(jiān)控的位置，還可以快速轉(zhuǎn)換生成視頻圖像。

2.2.3 設備設置管理模塊

通過設備管理模塊，用戶可以遠程控制設備，隨時發(fā)布拍照指令、轉(zhuǎn)倉指令、開關燈等操作，也可以遠程設置采集間隔、時間間隔、工作時段等參數(shù)，無需去現(xiàn)場更改。

2.2.4 地圖查看模塊

通過地圖查看模塊，用戶可以在地圖上查看所有設備的位置信息，單擊設備點圖標，可以查看設備詳細信息。還可以設計手機APP端查詢模塊，從技術上來說，該系統(tǒng)能夠與智能終端設備進行數(shù)據(jù)信息交換，用戶借助智能終端設備可以清楚方便地查看相關的數(shù)據(jù)信息，并對系統(tǒng)的設備進行操作[6]。農(nóng)作物的蟲害災情數(shù)據(jù)信息可通過手機APP在線觀看，工作人員可隨時隨地查看相關的檢測數(shù)據(jù)，隨時了解氣象相關信息。可通過手機對前端采集的情況進行隨時監(jiān)控，有助于管理更便捷化、高效化。

2.2.5 組織架構(gòu)模塊

通過組織架構(gòu)模塊用戶可以添加多級子賬號，管理員可以根據(jù)用戶類別設置相應的用戶權限。這就使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中，用戶能夠運用該組織架構(gòu)模塊，進行更加合理的職責劃分，使得大規(guī)模的病蟲災害分級、分類防治更加科學合理。

2.3 動力系統(tǒng)

上述的基地信息化系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的需要為其設置電力支持系統(tǒng)，本文在研究過程中，提出的動力系統(tǒng)是太陽能系統(tǒng)。在農(nóng)田里太陽能資源相對充足，尤其是在我國的北方地區(qū)，白天利用太陽能光伏發(fā)電為蓄電池進行充電，蓄電池通過控制器進行管理；同時為用電設備提供電源。若陽光資源不好，則控制系統(tǒng)會將蓄電池中的電量釋放，為系統(tǒng)提供電源。當太陽光照條件滿足充電要求時，控制器控制太陽電池組件就會進行充電?？刂葡到y(tǒng)與蓄電池的功能組合，使得系統(tǒng)的電力供應保障平穩(wěn)。當遇到連續(xù)陰雨天，太陽能發(fā)電量不足，蓄電池電壓持續(xù)下降，到了設定值，系統(tǒng)關閉負載輸出功能，保護蓄電池。當蓄電池電壓升到設定值，系統(tǒng)自動恢復供電。

3 物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測技術運用效果

在上述技術的實踐應用效果方面，在研究過程中，跟蹤調(diào)查了一些農(nóng)戶，從其反饋的結(jié)果來看，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動的病蟲害監(jiān)測技術的應用效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提高了物力防控的效果，減少了對農(nóng)藥的依賴。通過基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術的農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測及防治技術，能夠?qū)崿F(xiàn)較高程度的物理防治，進而減少了對農(nóng)藥滅蟲的依賴，總體上農(nóng)藥使用比例呈現(xiàn)較大幅度的下降。

（2）對農(nóng)作物病蟲災害實現(xiàn)了動態(tài)化、自動化的預警處理，而且預警結(jié)果能夠呈現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)，用戶能夠根據(jù)預警數(shù)據(jù)及時采取有效的蟲害防治措施，在提高農(nóng)業(yè)病蟲防治效果的同時，降低了成本費用。

（3）提升了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，保障糧食生產(chǎn)安全。農(nóng)作物病蟲防治更加科學，使得農(nóng)作物在生長的每個階段都能夠最大限度地避免蟲害造成的農(nóng)作物傷害，保障了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)。

4 結(jié)語

病蟲害的監(jiān)測與防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中十分關鍵環(huán)節(jié)，而物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術等在農(nóng)業(yè)病蟲災監(jiān)測領域的應用越來越成熟。本文通過對物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)進行研究設計，提出了農(nóng)作物病蟲監(jiān)測站點和智慧農(nóng)業(yè)平臺的設計理論和方法，對當前農(nóng)作物的病蟲害監(jiān)測防治等問題具有一定的借鑒和啟發(fā)意義。