基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻大田智能預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)

易 寧， 劉有珠

(1.南昌大學分析測試中心，江西南昌 330047； 2.南昌工程學院信息工程學院，江西南昌 330099)

水稻是我國三大糧食作物之一，我國以稻米為主食的人口約占總?cè)丝诘?5%[1]。2007年我國水稻種植面積占全國作物種植面積的18.84%，稻谷產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的 37.09%[2]，稻谷約占我國口糧比例的60%[3-4]。因此，水稻在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全保障體系中占有十分重要的地位。

水稻在田間的生長要經(jīng)過插秧期、夠苗期、分蘗期、揚花期到成熟期幾個時期[5]，不同生長期、不同稻種、不同水稻類型(早稻和晚稻)對養(yǎng)分的需求、光照以及病蟲害的防治不盡相同[6-10]。因此，及時準確地獲取影響水稻生長的關(guān)鍵參數(shù)從而進行科學調(diào)控，是水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障[11-16]。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)概念于1999年由美國麻省理工學院提出[17]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用，是用各類感知設(shè)備采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)產(chǎn)品物流以及動植物本體的相關(guān)信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進行融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的過程監(jiān)控、科學決策和實時服務(wù)[18]。隨著傳感器技術(shù)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用方興未艾。設(shè)施溫室環(huán)境監(jiān)控是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)早期應(yīng)用最具代表性的領(lǐng)域之一[19-23]。目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用越來越廣泛。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為實現(xiàn)水稻苗情遠程監(jiān)控和管理提供了重要的技術(shù)途徑。

2 系統(tǒng)設(shè)計目標

基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻大田智能預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理就是依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的“全面感知-穩(wěn)定傳輸-智能應(yīng)用”3個層次，通過各種傳感器持續(xù)監(jiān)測所獲取的影響水稻生長的主要參數(shù)(包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、風力、光照、降水量、病蟲害、災(zāi)害、養(yǎng)分等數(shù)據(jù))，結(jié)合專家經(jīng)驗并與已建立的專家系統(tǒng)、水稻生長的關(guān)鍵指標體系以及歷史數(shù)據(jù)的分析對水稻苗情和災(zāi)害進行遠程診斷和管理，然后再按量施肥、噴藥和灌溉，從而達到在節(jié)省投入、降低生產(chǎn)成本、保障稻谷安全、提高稻谷質(zhì)量的同時改善生態(tài)環(huán)境。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本試驗的實施地點位于湖北省荊門市的屈家?guī)X中國農(nóng)谷“隆平高科”500畝(33.33 hm2)超級稻試驗示范大田。針對我國農(nóng)谷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點和實際情況，建設(shè)“屈家?guī)X·中國農(nóng)谷”核心區(qū)超級稻試驗示范及智能監(jiān)控平臺，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)交換，使不同專業(yè)的人可以方便、有序地參加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)同工作，提高工作效率；同時引入實時監(jiān)控管理的理念，實現(xiàn)各種信息資源的即時采集和共享，及時發(fā)布包括水稻的苗情、墑情、病蟲害情、災(zāi)情以及各生長期的長勢、長相等信息，對水稻生長期各個環(huán)節(jié)進行動態(tài)監(jiān)測，及時通過調(diào)度和決策平臺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行遠程管理監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計概要

超級稻試驗示范及智能監(jiān)控平臺由布設(shè)于田間的各項監(jiān)控和通信設(shè)備等硬件設(shè)備和位于屈家?guī)X管理處辦公大樓內(nèi)的監(jiān)控中心以及軟件平臺2個部分組成，系統(tǒng)設(shè)計概要拓撲如圖1所示。

2.2.1 系統(tǒng)站點布設(shè) 500畝(33.33 hm2)超級稻試驗示范大田由10塊大小各50畝(3.33 hm2)的長方形稻田組成，水稻大田智能預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由傳感器設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、病蟲害防治設(shè)備、田間小氣候監(jiān)控設(shè)備、圍欄、通信設(shè)備、防雷供電系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)站點規(guī)劃線路由“稻田-通信路由-監(jiān)控中心”3個部分組成，共設(shè)計組建1個小型田間氣象站、10個土壤監(jiān)測采樣點、10個通信節(jié)點、5個視頻監(jiān)控點以及1套病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)，站點布設(shè)如圖2所示。

2.2.2 系統(tǒng)軟件框架 根據(jù)用戶需求，平臺軟件采用B/S和C/S 2種結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，并配套開發(fā)手機客戶端APP，既能通過監(jiān)控中心實現(xiàn)就地式監(jiān)控和管理，也能通過手機終端等移動設(shè)備進行遠程監(jiān)控指揮。軟件平臺采用4層架構(gòu)設(shè)計，由數(shù)據(jù)匯聚平臺與數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用支撐平臺、應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺、應(yīng)用交互層組成。

2.2.2.1 數(shù)據(jù)匯聚平臺與數(shù)據(jù)中心 數(shù)據(jù)匯聚平臺由數(shù)據(jù)匯集和數(shù)據(jù)上報兩大模塊組成。數(shù)據(jù)匯集模塊包括數(shù)據(jù)的接收、解析、入庫、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。各自動監(jiān)測站點的遙測信息、視頻信息通過數(shù)據(jù)傳輸信道傳輸?shù)狡脚_后，進入信息匯集服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)匯集軟件完成監(jiān)測站數(shù)據(jù)的實時接收處理，并存入規(guī)范數(shù)據(jù)庫中。人工監(jiān)測站數(shù)據(jù)則由人工整理后以手工輸入的方式匯集到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)上報模塊主要是當管理用戶對數(shù)據(jù)有應(yīng)用要求時使用，包括信息提取、數(shù)據(jù)壓縮打包、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)上報、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解壓、數(shù)據(jù)完整性檢查、數(shù)據(jù)處理入庫以及數(shù)據(jù)報送管理等功能。

2.2.2.2 應(yīng)用支撐平臺 應(yīng)用支撐平臺是系統(tǒng)資源的管理者和公共服務(wù)的提供者，是信息資源集成共享體系的重要組成部分，它擔負著對下管理匯集數(shù)據(jù)、對上支撐應(yīng)用的核心作用，即對底層數(shù)據(jù)資源的集成共享，對上層應(yīng)用軟件資源的集成重用。通過應(yīng)用支撐平臺構(gòu)建了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換體系和數(shù)據(jù)共享機制，形成了成套的數(shù)據(jù)管理標準和方法。對上層的應(yīng)用平臺提供了統(tǒng)一的用戶權(quán)限管理、流程管理、界面展現(xiàn)、平臺資源管理等，形成一個統(tǒng)一的管理應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和運行平臺。

2.2.2.3 應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺 由在GIS地圖上標注的各個監(jiān)測站位置及相關(guān)信息的日常巡檢系統(tǒng)、智能報表、故障預(yù)警與預(yù)測等組成。

2.2.2.4 應(yīng)用交互層 應(yīng)用交互層是農(nóng)業(yè)信息及專家交流平臺，主要由對內(nèi)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、對外信息發(fā)布系統(tǒng)等組成。軟件平臺框架如圖3所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

超級稻智能監(jiān)控系統(tǒng)采用Java EE平臺進行開發(fā)，結(jié)合國內(nèi)主流GIS平臺，支持SQL、Oracle數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)能在各種主流瀏覽器上運行，可根據(jù)用戶需要移植到各種移動終端平臺，實現(xiàn)用戶的移動式管理與辦公。本系統(tǒng)由首頁、稻田信息瀏覽、稻田信息設(shè)置、值班管理、預(yù)警設(shè)置、基礎(chǔ)信息維護等幾大模塊組成。系統(tǒng)主要模塊設(shè)計如下。

3.1 首頁

在本模塊中，用戶通過WebGIS可查看稻田現(xiàn)場的視頻信息、當日報警信息、所有傳感器的最新上報數(shù)據(jù)、服務(wù)器的運行狀態(tài)和當?shù)靥鞖忸A(yù)報情況等。在首頁中點擊WebGIS地圖上的傳感器設(shè)備，在下方信息欄內(nèi)即可實時顯示相關(guān)傳感器的信息。

3.2 稻田信息瀏覽

本模塊由氣象數(shù)據(jù)、日照數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、累計統(tǒng)計、詳細數(shù)據(jù)模塊組成。利用農(nóng)學模型，將每個稻種從播種—返青、幼苗—分蘗、拔節(jié)—孕穗、抽穗—結(jié)實等生長期的歷史和實時數(shù)據(jù)用最直觀的方式展示給用戶。如楚梗28號稻種在拔節(jié)—孕穗期的田間信息、土壤養(yǎng)分、蟲情信息、蟲情報警、氣象數(shù)據(jù)、日照數(shù)據(jù)分別如圖4-a、圖4-b、圖4-c所示。

3.3 稻田信息設(shè)置

在本模塊中可根據(jù)所在稻田的稻種信息、稻種的屬性進行預(yù)警設(shè)置，并可對布設(shè)在稻田的各種傳感器等硬件設(shè)備上進行遠程開關(guān)控制，同時直觀顯示稻田歷史信息維護數(shù)據(jù)，可新增、修改、刪除、查詢稻田信息設(shè)置等功能。

3.4 值班管理

本模塊涉及對值班人員的排班管理，并有短信提前通知值班人員的功能。

3.5 預(yù)警設(shè)置

設(shè)置預(yù)警閾值和報警級別?？紤]到秧苗不同生長期關(guān)注的判斷因素不盡相同，分別對處于播種—返青、幼苗—分蘗、拔節(jié)—孕穗、抽穗—結(jié)實等生長期內(nèi)自動采集的大氣溫度(℃)、大氣濕度(%)、土壤溫度(℃)、土壤濕度(%)、雨量(mL)、大氣壓力(hPa)、光合有效輻射(W/m2)、日照時數(shù)(h)、風速(m/s)、蒸發(fā)量等因素設(shè)置預(yù)警閾值，也可對不同生長期內(nèi)人工采集的土壤養(yǎng)分(mg/kg)、蟲情(個)設(shè)置預(yù)警閾值。根據(jù)設(shè)置的預(yù)警閾值和報警等級，系統(tǒng)實現(xiàn)了對自動上報和人工上報的、超出預(yù)警閾值的數(shù)據(jù)進行分級報警，而且每種不同類型的參數(shù)預(yù)警閾值設(shè)置的細節(jié)也不盡相同。

3.6 基礎(chǔ)信息維護

本模塊具有人工蟲情、人工土壤養(yǎng)分和自動采集上報功能。

3.6.1 人工蟲情上報 系統(tǒng)直觀顯示采集日期的蟲情種類、蟲情數(shù)及顯示該蟲情的威脅程度，可對人工蟲情上報進行增加、修改、刪除、查詢、導出等操作，人工蟲情上報如圖5-a所示。

3.6.2 人工土壤養(yǎng)分上報 系統(tǒng)直觀顯示采集點在某個采集日期的有機氮、有機磷、有機鉀含量，可對人工土壤養(yǎng)分上報進行增加、修改、刪除、查詢、導出等操作，人工土壤養(yǎng)分如圖5-b所示。

3.6.3 自動采集上報 對自動上報的數(shù)據(jù)進行修改、刪除等功能。

3.7 帳號管理

本模塊是超級稻智能監(jiān)控系統(tǒng)的安全管理模塊，從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，模塊下有帳號管理、日志管理和權(quán)限組配置3個子模塊。帳號管理具有對用戶帳號進行增加、修改、刪除、查詢、導出及對帳號設(shè)置權(quán)限組等操作功能；日志管理具有記錄用戶操作系統(tǒng)的時間和IP地址的功能；權(quán)限組配置具有對用戶能夠訪問系統(tǒng)模塊的權(quán)限進行增加、修改、刪除功能，不同角色的用戶擁有訪問系統(tǒng)的權(quán)限不同。

4 結(jié)論

本試驗以屈家?guī)X中國農(nóng)谷“隆平高科”500畝(33.33 hm2)超級稻為研究對象，設(shè)計和實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻大田智能預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用“稻田-通信路由-監(jiān)控中心”的方案設(shè)計，確保系統(tǒng)硬件具有優(yōu)良的可擴展性和可維護性。

(2)基于4層架構(gòu)的軟件框架，結(jié)合WebGIS技術(shù)，采用B/S和C/S 2種開發(fā)方式，并開發(fā)了手機APP的智能預(yù)警監(jiān)控軟件平臺，使用戶具有就地、互聯(lián)網(wǎng)、移動3種直觀的監(jiān)控方法，真正實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)控。

(3)在基于物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過獲取的直觀、實時影響水稻苗情生長的關(guān)鍵參數(shù)，并融合專家知識、災(zāi)害指標等進行智能預(yù)警，進一步提高了水稻苗情和氣象災(zāi)害快速診斷決策的精準性和實時性。

本系統(tǒng)的主要功能已經(jīng)在示范過程中。結(jié)果表明，在超級稻苗情監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警等方面具有精準和快速等優(yōu)勢。但因為影響超級稻生長的因素十分復(fù)雜，不同地區(qū)的氣候差異大，不同稻種的屬性相異，在采用診斷指標和方法等方面仍須要不斷修正和完善。在對監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的集成共享及重用方面有待優(yōu)化，在滿足用戶需求提供更加全面的數(shù)據(jù)信息服務(wù)方面還有很大的挖掘潛力。進一步完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)普適性，使之在更廣泛的水稻種植區(qū)域發(fā)揮作用，是今后研究的重點。