基于物聯網技術的水稻生長信息動態監控系統研究

滕雯馨，蘇 菁，黃德豪，聶天軍，呂 玲，韋柳紅

（1.南寧市青秀區長塘鎮農業和農機技術推廣站，廣西 南寧 530212；2.廣西力拓米業集團有限公司，廣西 530021）

目前結合物聯網技術，進行水稻生長動態監控系統工作具有非常大的意義。水稻作為我國主要的糧食作物，種植歷史悠久，積累了很多種植經驗。但是采用傳統的作業方式，不僅難以保證水稻的質量、效率，還需要花費非常多的經費，水稻種植期間會受到土壤肥力、水分、病蟲害等因素的影響，導致水稻產量以及質量大幅度下降。如何才可以在水稻生長期間做好防控工作，將外界環境對水稻種植的影響降到最低，是水稻種植工作需要重點研究內容。在物聯網技術出現后，使水稻管理工作有了極大的發展。

1 系統考核指標

水稻物聯網信息智能管理平臺需要申請專利，同時還應該制定生產技術規程，培養相應工作人員進行水稻種植。在水稻生產管理中，還應該實現項目精細化管理。比如，廣西力拓米業集團農業開發有限公司，應用基于物聯網技術的水稻生長動態監控系統，進行有機水稻種植作業，可以保障每年水稻種植節約用肥每畝460元，年畝節省人工成本25萬400元，同時節省農藥每畝250元，實現項目新增效益。

在物聯網技術作用下，可以使動態監控效果大幅度提升，通過精準調控掌握水稻生長的動態信息。除此之外，在物聯網技術作用下，還可以提升動態監控水平，實時掌握水稻生長情況。在水稻種植期間，根據種植水稻試驗田的工作情況，選擇有效穗數、株高、葉綠素含量這三種性狀作為監測對象，通過人工測量數據比對，監控水稻這三方面性狀，根據動態監測得到的結果，合理應用生產資源，使水稻管理工作順利進行，提升水稻種植工作的質量和產量。

2 設計概述

2.1 設計原理

在物聯網技術出現后，將其引入到水稻種植作業中，加強動態監控能力，考慮到水稻種植的特征，需要基于物聯網技術架構，建立田間信息采集體系，通過動態信息監控系統，提升水稻種植監控水平，加強系統智能分析強度，并借助自動化傳輸功能，實時監測水稻生長情況，借助網絡渠道傳遞視頻監控數據，從而實現遠程動態監控。

為了提升遠程監控水平，應該在動態監控系統中，融入射頻識別技術，動態監控能否真實地反映水稻生長數據，需要強化視頻數據生成的精度，所以還應該結合光譜分析技術，通過設備拍攝水稻生長期間的產量現狀、形態形狀、病蟲害程度，光譜分析水平越高便可以使設備生成的視頻數據更加精準。水稻生產管理工作各項指標的判定都是基于視頻數據基礎形成的，所以視頻數據是否能還原水稻真實的生長情況異常關鍵。與此同時，還應該根據水稻生長的不同時期，計算水稻生理狀況評定生理指標，計算水稻產量潛力，同時應該根據當地土質條件、自然氣候特征，計算水稻生長周期，加強精細生產調控力度，從而在水稻生長期間，及時向其提供生長需要的養分，還能在極大程度上，防止病蟲害對水稻質量造成的影響，在一定程度上縮短水稻生長周期。在動態監控期間，實時觀察水稻生長情況，做好病蟲害防護工作，并根據土質條件以及水稻所需的養分，進行施肥，在保證水稻增產的前提下，大幅度提升水稻質量，從而達到節水減肥的目的，有效地控制住水稻生產的總體成本。

2.2 方案設計

我國目前開展農業生產工作時，根據物聯網技術設計出適合于水稻生產管理的方案，借助現代技術如網絡信息技術、大數據技術，完成數據采集、視頻信息傳輸、數據后臺分析處理等工作，保證每個環節順利開展，這是實現遠程監控的重要基礎。除此之外，還應該重視視頻數據的收集工作，保證設備可以讀取水稻的生長動態信息，并將其傳送到后臺中進行處理，設備拍取水稻的動態信息越精確，便可以更精準地分析水稻在當前階段的生長情況，通過數據采集水稻生長信息，在感知獲取控制等工作下，完成視頻信號的傳輸，并使用4G網絡感應啟動信息傳輸渠道，將視頻數據傳送到后臺進行分析，在數據分析模塊中整理出水稻生長的情況，并根據數據庫匹配信息，分析視頻數據結果，調取管理方案，實現水稻生長的精準調控。

水稻生長調節系統作為整項方案的中樞環節，起到傳遞信息發送指令的作用，并根據分析得到的結果，整合當地資源，實現針對性智能化、自動化種植作業。在物聯網技術應用下，可以使水稻生長管理更為科學，還可以降低人力輸出，節省工作成本。進行水稻動態監控生產管理期間，在物聯網技術的作用下，植物工廠可以根據視頻數據，調節系統發出的管理指令進行管理工作。除此之外，還可以通過視頻監控系統，執行水稻生產精細管理作業，合理利用當地資源，防止外在光照溫度對水稻生產造成不良的影響，提高水稻的產量和質量。基于物聯網技術進行水稻生產管理，其目的性非常強，可以按照設計人員的設計方向進行管理工作，這樣還能極大程度地簡化工作難度，保證管理工作取得良好的效果。

3 系統組成

水稻生長信息動態監控系統包含數據處理、服務器采集裝置、信號傳輸裝置、視頻數據采集設備、后臺管理系統，在物聯網無線傳輸技術作用下，使各部分可以連貫在一起。進行視頻數據的采集工作時，以計算機視覺技術作為媒介，通過設備采集水稻生長期間的光譜反射率，并以水稻的葉綠素性狀作為視頻數據采集指標，采用光譜技術在光譜儀中，進行視頻數據分析工作。與此同時，需要使用光伏設備了解水稻植株氮氧含量，根據光譜反射率，計算水稻植株中氮素的含量，構建水稻植株含量預測模型，根據正常水稻葉綠素以及氮素含量，考慮水稻生長期間所需的營養成分，從而及時根據視頻數據分析得到的結果，發出指令，進行水稻管理工作。

信號傳輸裝置在水稻生長信息動態監控系統中非常重要，可以實現數據處理器與視頻采集裝置對視頻數據信號的傳遞以及指令的發布，在物聯網技術下通過網絡平臺，傳遞信號并使用COFDM調制技術，確保數據傳輸的精準性與可靠性；數據處理服務器可以接收田間視頻系統拍攝的視頻數據，及時分析數據內容并在操作人員以及技術人員的幫助下，建立水稻生產知識庫，根據數據分析得到結果與數據庫內容進行匹配，借助信息圖譜在windows ce環境的串口分析數據、下達指令，提升系統的運行效率并及時根據數據平臺輸出管理指令，進行水稻生產管理作業；后臺管理系統在水稻生長信息動態監控系統中，可以及時接收數據處理服務器反饋得到的結果，并根據數據庫內容，根據水稻生長信號對應的模塊信息，及時作出反應，并由計算機控制系統發出指令執行養分供給或除草噴劑等工作。不僅如此，水稻生長信息動態監控系統構建時，根據以往水稻生產管理的工作經驗，配備智能化自動化的工作設備，比如光溫調節設備、除草劑噴灑設備、施肥設備，在后臺管理系統發出針對性指令后，便可以通過控制模塊，將工作分配給相應設備進行作業，完成相關的任務。

應用信息技術，通過遠程異地監控，掌握水稻生長的情況，通過生長信息的整合處理，能夠使水稻生產管理實現自動化、智能化發展。但是在當前階段，應用物聯網技術進行水稻智能管理的研究仍存在一些問題，首先水稻生長受到季節的影響，同時生長各階段需要注意的問題有極大的差異，在每個生長階段應該根據以往的種植經驗，按照水稻生長特征，合理設計水稻生產管理內容，根據收集的水稻生長動態數據，整合數據內容，并將水稻生產變量參數作為水稻動態管理的憑據，合理使用農藥水肥等，降低外在因素對水稻生產的影響。在物聯網技術作用下進行動態監控作業，還能減少水稻生產所需的勞動力，簡化工作難度，大幅度地提升水稻產量和質量。

4 田間試驗

基于物聯網技術，構建水稻生長信息動態監控系統，通過現代傳感技術結合計算軟件，掌握水稻生長情況。通過可視數字化管理以及集成應用傳感器網絡，實現水稻生產狀況的全程跟蹤，實現水稻智能化自動化生產，減低水稻種植成本。除此之外，使用稻米全產業鏈物聯網控制溯源系統，可以大幅度提升水稻生產的效率，使水稻生產可以在智能化、自動化作用下，提升水稻生產的質量以及產量。以下針對湖南長沙植物工廠的田間試驗，分析水稻生長信息動態監控系統應用情況。

選擇的植物工廠，土壤為平原區淺域水稻土，土壤的含氮量、有機質含量、速效磷含量、速效鉀含量、pH值均符合水稻種植要求，并在附近等市場中購買水稻種子，分區進行水稻種植作業。

水稻于7月進行播種，并在7月底-8月初按照田間土地規劃實行種植，行距為20厘米，株高距為16厘米。在水稻種植期間，根據視頻監控系統收集植株生長情況，并將水稻植株生長情況以視頻數據的形式，借助物聯網絡傳輸到后臺，分析系統中通過數據處理，得出分析結果并將其與數據庫進行匹配，交由控制系統發出指令。在本次田間試驗中，將有效穗數、葉綠素以及株高作為視頻監控的性狀實時記錄，并向系統傳遞數據分析水稻生長期間葉綠素含量，根據分析結果合理開展管理工作。水稻生長期間根據視頻數據，采用水稻生長信息動態監控系統進行生產管理工作，無疑可以降低勞動成本支出，同時還可以有針對性地開展管理干預，從而使水稻生產管理水平直線上升。

在田間實驗中還發現，灌漿水稻由于充實度較高，出現了一定的下垂，人工測量株高與物聯網監控株高，存在明顯的差異。通過各項實驗證明互聯網監控在水稻植株監測方面精準性更高。借助物聯網監控設備以及數據處理系統，可以有效評定水稻有效穗數，并根據建立的數據庫設定生產參數，分析水稻品種內葉綠素含量，及時發出指令，由已經匹配好的各種設備開展種植作業。在設備拍攝水稻生長情況，將其以視頻數據的形式，由服務器傳入后臺管理系統，得出視頻數據分析結果后，便可以匹配相應的指令開展生產管理工作，提升水稻產量和質量。

5 結語

應用物聯網技術提高水稻動態監控水平，收集視頻數據，掌握水稻生產的情況，并借助光譜分析以及信息傳輸技術，分析水稻生長期間所需的營養成分，及時予以提供。在田間試驗中，使用互聯網水稻生長信息動態監控系統進行水稻種植作業，與傳統人工測量方式相比，不僅節省人力輸出，同時還能降低工作強度。動態監控系統會收集水稻生長期間有效穗數、葉綠素以及株高等性狀，使用數據分析軟件分析傳送，在光譜分析后，掌握水稻在當前階段的生長情況，整合當地資源，做好水稻維護工作。通過動態監控，及時為水稻提供所需的養分，并做好病蟲害防治工作，從而在極大程度上提高水稻產量和質量。