農作物“五情”監測設備及系統在農作物產業化中的應用

平川

摘要：農作物“五情”監測設備及系統基于目前成熟發達的網絡技術、大數據及云計算技術，配合先進的光譜傳感器技術、局域無線物聯網技術、太陽能環保綠色供電技術，在現代先進農業理論的指導下實現了農作物的“五情”（肥情、苗情、墑情、蟲情、災情）監控和管理，在大田種植產業化中發揮了越來越重要的作用，是農業精確管理的重要體現，是精確農業的重要組成部分。

關鍵詞：物聯網；多光譜；智能傳感器；智慧管理；農作物“五情”

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6487 （2018） 01-0090-03

1 農作物信息精確管理的必要性

我國是世界水稻和小麥種植面積最大、消費量最高的國家之一。發展優質、高產、高效、生態、安全的稻麥生產對于保障我國糧食安全，提高人民生活質量，促進社會經濟發展具有重要作用。農作物精確管理是精確農業的重要內容之一，其中包括：肥情、墑情、蟲情、苗情、災情等五情。農作物“五情”信息的轉化和監控為農業精確管理提供十分必要的手段，專家決策系統指導實現了農作物的精確管理。

傳統的農作物生長信息是通過“看苗施肥”的定性方法以及葉色卡比對的半定量方法獲取，這種方法缺乏定量化診斷指標，主觀性較強，依賴于經驗，易出現誤判。作物的肥情、墑情、苗情監控管理就是實時地獲取作物生長信息。施肥的精確管理不光關系到農業生產成本問題，也關系到環境保護問題，所以說，施肥的精確管理是一件重要大事。另外田間蟲情和災情信息的獲取也是農作物精確管理的重要組成部分[1]。

2 監測設備的技術可行性

隨著電子技術的飛速發展，尤其是物聯網技術、電子微控技術、傳感器技術、生物分子學技術、大數據存儲技術、云計算技術的發展，為監測設備的研制提供了可靠的技術保證。

已有研究表明，農作物體內尤其是作物葉面的大多數生理變化會引起某些特定波段反射光譜的變化，利用這些特定的光譜信息可檢測作物生長信息。近年來，基于作物光譜特性的遙感技術的研究獲得了迅猛發展，可以實時、精確、大范圍、無損獲取作物生長信息及植株生化組分的信息[2]。

在遙感技術中，運用傳感器來獲取光譜信息，經光電轉換，運用目前十分成熟的電子技術、單片機處理器技術，在程序指令的控制下完成電信號的采集和處理。

其中水分、溫度、濕度、二氧化碳含量的信息也均通過相應得傳感器實現電信號變送輸出，使得這些物理成分含量電子信息化。

基于目前高速的3G/4G網絡通訊為大容量視頻數據實時傳遞提高了技術保障。用于查看苗情、蟲情的視頻監控，可以高清晰、高分辨率、24h不間斷的田間監控。這些視頻可實時保存，可長期保存。

災情監控主要通過環境傳感器采集天氣及環境信息，包括雨量、風速、風向、光輻射度、大氣壓強、溫度及濕度等信息[3]。

這些信息經采集終端自由無線組網，傳輸至該系統中的網關設備，再經GPRS、CDMA等公網上傳服務器，再經專家系統決策形成管理措施，網絡化為這些信息的流轉提供了平臺和通道。

3 系統及平臺構成

農作物“五情”監測設備及平臺包括：作物生長信息無線采集終端、小型氣象站、高清攝像頭、感知與智慧管理系統（系統如圖l所示）。

3.1作物生長信息無線采集終端

研究表明：每一種物質對不同波長的電磁波的吸收和反射都不同，這種對不同波段光譜的響應特性稱為光譜特性，物質的光譜特性是光譜無損監測的依據。作物組織中的各種蛋白質、氨基酸、葉綠體及其它氮素形態組分的分子結構中的化學鍵在一定輻射光能的照射下會發生振動響應，對某些波長的光產生吸收和反射差異，形成了不同的反射、吸收和透射光譜，這些特征與作物的發育、生長狀況以及生長環境等密切相關，在可見光一一近紅外波段范圍內，植被反射光譜存在明顯的反射、吸收特征。在作物生長過程中，不同的肥水管理條件下，不同的栽培措施條件下，作物生長狀況會發生變化，會引起作物冠層反射光譜特性的變化，進而形成獨特的光譜特征[3]。

作物生長信息無線采集終端監測功能的實現是以作物各組分敏感的反射光譜或吸收光譜與該組分含量或濃度的定量關系為基礎的，利用光譜傳感器在接觸而不損傷作物組織結構或遠離作物體的同時，獲取作物的特征光譜信息，并分析處理這些信息，判斷作物各營養匱缺程度，達到定量反映作物生長信息狀況（包括氮含量、氮積累、葉面積指數和葉干重等）的目的[4]。

農作物“五情”監測設備中的肥情監控的光譜監測理論，是依托南京農業大學國家信息農業工程技術中心多年來關于稻麥生長信息敏感光譜波段及適宜帶寬的研究成果，選取560nm、710nm、 720nm、810nm這4個稻麥生長信息敏感波段；采用特定波長的濾波片和光電二極管的光電轉換，研制出一種實用化的基于冠層反射光譜的光電轉化傳感器。多光譜作物生長智能傳感器設備如圖2所示。

除了采集光譜信息外，還采集大氣的二氧化碳的含量，土壤水分，作物冠層溫度和濕度。采用無線通信的頻段780MHz，將各個傳感器數據信息采集經過ZigBee無線自由組網，數據上傳。

數據傳輸網關匯集各個采集終端數據，再統一上傳至決策平臺。

鑒于田間電網走線條件限制，太陽能供電成為一種經濟便利的供電方式，采用太陽能供電，大容量蓄電池儲備電能，以備陰雨天氣，太陽能受限情況。

3.2小型氣象站

該系統包括一臺微型氣象站，其主要用于監控氣象指標，為系統決策提供氣象數據信息。包括氣溫、濕度、太陽輻射度、雨量、大氣壓強、風速和風向等指標，實時采集，實時顯示，且保存大容量的歷史數據。對于被測試地區的氣象指標等參量可常年記錄，為系統提供作物種植區第一手氣象數據資料。系統結合氣象數據合理決策[5]。

3.3高清攝像頭

該系統可以監控苗情生長態勢，實時遠程查勘農作物苗情長勢情況，高分辨率的視頻攝像頭動態的反應苗情長勢，生動逼真的實時再現田間作物的生長動態，減少田間巡視體力勞動，這些視頻數據，可與標準作物生長態勢進行比照，找出差異，發現問題，為決策系統提供高品質、高標準的圖片及視頻資料。

3.4感知與智慧管理平臺系統

基于無線傳感器網絡技術、數據庫技術、GIS技術和農業專家決策系統等技術，耦合不同生育時期的作物生長動態，構建了精確診斷與調控模型。基于物聯網技術的農田感知與智慧管理系統平臺，通過運行于電腦和手機等客戶端，用戶通過授權登錄，實時直觀地了解田間作物生長情況，運用專家系統提供的各種診斷功能獲悉相應的栽培、施肥、治蟲、管理措施。

農作物“五情”監測設備及平臺系統填補了我國目前還沒有實用化的作物生長信息實時獲取、傳輸、處理系統的空白；實現了 “五情”信息的采集、傳輸、處理、決策反饋的這一整套功能；實現了農情信息的監控、改善作物品質、節水節肥、提高產量、減少面源污染、綠色種植的目的。

4 結束語

農作物“五情”監測設備及平臺采用成熟的電子技術，尤其是目前迅速發展的物聯網技術，使得先進的農業理論及生物分子學技術的運用網絡化、智能化。作物生長信息的實時采集、處理，在現代電子技術的支撐下具備了可操作性，排除了過去主觀的、定性的或不具有可操作性等弊端，這些監控設備和系統的運用在大田種植產業化中發揮重大作用，為農業信息化提供基本的技術保障，使得大田種植能夠實現：精確化、可視化、定量化及作物的生長態勢的可持續跟蹤。

參考文獻

[1] 馮偉，朱艷，姚霞，等.小麥氮素積累動態的高光譜檢測[J].中國農業科學，2008，41 （7）：1937-1946.

[2] ZHU Y， TIAN Y， YAO X. Analysis of Common Canopy Reflectance Spectra for Indicating Leaf Nitrogen Concentrations in Wheat and Rice EJl. Plant Production Science， 2007， 10（4）：400-411.

[3] 蔣煥煜，應義斌，謝麗娟光譜分析技術在作物生長信息檢測中的運用研究進展[J].光譜學與光譜分析，2008， 28 （6）：1300-1304.

[4] N K， K S， S D. Ground-Based Canopy Reflectance Sensing for Variable-Rate Nitrogen Corn Fertilization. Agronomy Journal， 2010， 102 （1）： 71.

[5] 牛錚，陳永華，姚霞，等，基于光譜信息的作物氮素營養無損監測技術[J].生態學雜志，2007 （9）：1454-1463.