基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)

馬冠南，晏 明，丁春雨，谷金英，徐柏琪

(吉林省農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，吉林 長春130033)

0 引言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專門應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、運營、管理和服務(wù)，并采用各類傳感器、射頻識別(radio frequency identification，RFID)、圖像采集終端等傳感設(shè)備，廣泛收集種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)物流等領(lǐng)域?qū)嵉匦畔?，通過建立數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法，充分利用最新信息技術(shù)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多層次可靠傳輸，并對收集到的大型農(nóng)業(yè)信息進行融合和處理，實現(xiàn)智能經(jīng)營終端、農(nóng)業(yè)自動生產(chǎn)、智能管理、優(yōu)化管理、結(jié)構(gòu)化物流和電子貿(mào)易，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約化、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全等目標(biāo)[1-5]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加快與農(nóng)業(yè)全面深入融合，充分利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素進行數(shù)字化設(shè)計、智能化控制、精準(zhǔn)化運行和科學(xué)化管理，是加快建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)，推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇[6]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要集中在大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等方面[7-13]。

本研究設(shè)計的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)集成應(yīng)用農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、3S(global positioning system，GPS；geographic information system，GIS;remote sensing，RS)等信息感知，移動通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息傳輸技術(shù)，大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)等信息處理技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)田信息的實時采集與可視化展示。在傳統(tǒng)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了作物高光譜信息的觀測和分析，實現(xiàn)遠程診斷與災(zāi)害預(yù)警等智能管理，為農(nóng)業(yè)相關(guān)研究和決策提供科學(xué)可信的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)對農(nóng)田現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲監(jiān)控，采用3層架構(gòu)體系：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、存儲管理層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)野外數(shù)據(jù)的接收、管理、編碼和傳感器控制；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸；存儲管理層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、審校、入庫管理和探測儀器操控指令管理等?？傮w框架如圖1所示。

圖1 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of farmland information acquisition system

實施過程中，將獲取信息分成3大類。第1類為利用視頻設(shè)備獲取的田間視頻，連續(xù)不間斷地采集相關(guān)信息，這類數(shù)據(jù)傳輸相對困難，因其傳輸數(shù)據(jù)量巨大，容易發(fā)生數(shù)據(jù)堵塞及丟失現(xiàn)象，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，快速穩(wěn)定傳輸，不丟包，不造成信息損傷，農(nóng)田視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。第2類為利用傳感器采集的農(nóng)田環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、光合有效輻射等信息，這類信息的獲取及傳輸相對簡單，采用短距離ZigBee技術(shù)傳輸。第3類為利用相機原理獲取的作物高光譜信息，這類信息的獲取采用拍攝照片的模式，將照片傳回室內(nèi)，并利用相關(guān)專業(yè)模型與軟件進行信息解讀。監(jiān)測點信息要素如表1所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1農(nóng)田視頻監(jiān)測子系統(tǒng)

通過在農(nóng)田布設(shè)視頻監(jiān)測設(shè)備，農(nóng)田視頻監(jiān)測子系統(tǒng)實現(xiàn)足不出戶就可以看清楚農(nóng)田作物現(xiàn)狀。農(nóng)田視頻監(jiān)測可以實現(xiàn)農(nóng)田的可視化管理，通過視頻進行全方位的監(jiān)測，可以及時觀察農(nóng)田作物長勢，發(fā)現(xiàn)病蟲害，實現(xiàn)快速決策。

由于要實現(xiàn)連續(xù)不斷地監(jiān)測，數(shù)據(jù)獲取后，視頻監(jiān)測子系統(tǒng)以MPG或者AVI格式存儲并傳輸多媒體數(shù)據(jù)，信息數(shù)據(jù)量巨大。視頻數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計了以下硬件模塊：視頻攝像頭、數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)傳輸模塊、支撐裝置。由于視頻7×24 h不間斷，不能關(guān)機與休眠，耗電成倍增長，因此其太陽能供電系統(tǒng)的功率設(shè)計更大一些。利用移動數(shù)據(jù)模式傳輸，同時增加農(nóng)田設(shè)備中的存儲容量，以便在沒有完全傳輸時，可采用人工現(xiàn)場傳輸?shù)姆绞将@取數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測點信息要素

視頻監(jiān)測子系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)利用和系統(tǒng)控制4個功能模塊。數(shù)據(jù)接收功能模塊負(fù)責(zé)室內(nèi)服務(wù)器系統(tǒng)與農(nóng)田設(shè)備間的數(shù)據(jù)接收，包括自動連接、自動入庫等功能。數(shù)據(jù)入庫模塊包括系統(tǒng)自動開啟、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)補漏等功能。數(shù)據(jù)利用模塊主要做數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析與決策(分析作物株高、行距、品質(zhì)、長勢、病蟲害等)。系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)，包括系統(tǒng)存儲地址、采集與傳輸方式、遠程控制硬件的啟動、旋轉(zhuǎn)及變焦等動作。

2.2農(nóng)田環(huán)境要素監(jiān)測子系統(tǒng)

農(nóng)田環(huán)境要素監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測的要素包括作物冠層溫度、土壤不同深度的溫濕度、空氣溫濕度、風(fēng)速與風(fēng)向，這些要素是作物生長過程中的重要影響因素，直接關(guān)系到作物長勢與產(chǎn)量。

農(nóng)田環(huán)境要素監(jiān)測子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器及處理計算機兩個部分。其中數(shù)據(jù)采集裝置位于待觀測的農(nóng)田中，其觀測的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)以二維表格數(shù)據(jù)(實際過程中以TXT)記錄存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送給室內(nèi)服務(wù)器及處理計算機，然后進行數(shù)據(jù)分析得到有價值的信息。其數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計了以下硬件模塊：光電傳感器、數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)傳輸模塊、支撐裝置。

在監(jiān)測點現(xiàn)場觀測到這些信息后，通過開發(fā)管理軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲與利用。農(nóng)田環(huán)境要素監(jiān)測劃分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)利用和系統(tǒng)控制5個功能模塊。數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)室內(nèi)服務(wù)器系統(tǒng)與農(nóng)田設(shè)備的數(shù)據(jù)接收，包括自動連接、自動監(jiān)測是否有新數(shù)據(jù)等功能。數(shù)據(jù)入庫模塊包括系統(tǒng)自動開啟、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)補漏等功能。數(shù)據(jù)檢索模塊包括入庫數(shù)據(jù)的多方式檢索與瀏覽等功能。數(shù)據(jù)利用模塊主要做數(shù)據(jù)的分析與決策，分析作物品質(zhì)、長勢、病蟲害等，并與遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對接。系統(tǒng)控制模塊主要負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)，包括系統(tǒng)存儲地址、采集與傳輸方式、遠程控制硬件的啟動、休眠及傳輸參數(shù)等動作。

2.3作物高光譜監(jiān)測子系統(tǒng)

以各種物體的電磁輻射反射、透射、吸收和發(fā)射特征為基礎(chǔ)，高光譜遙感技術(shù)實現(xiàn)了對地面物體的探測。與傳統(tǒng)的多光譜技術(shù)相比，高光譜的精細(xì)光譜對于地物識別、生物量反演具有重要意義。農(nóng)業(yè)專用高光譜成像儀由可見光-近紅外高光譜傳感器組成，專門針對農(nóng)業(yè)應(yīng)用而設(shè)計，將細(xì)化農(nóng)業(yè)特征譜段，具備高空間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢，可以滿足農(nóng)業(yè)調(diào)查業(yè)務(wù)的實際應(yīng)用需求。

農(nóng)田作物高光譜監(jiān)測子系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測與分析農(nóng)作物品質(zhì)、土壤氮磷鉀及有機質(zhì)含量、病蟲害等。高光譜監(jiān)測子系統(tǒng)的硬件包括數(shù)據(jù)采集裝置和高光譜數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器及處理計算機兩個部分。其數(shù)據(jù)采集裝置放置于待觀測的農(nóng)田中，高光譜數(shù)據(jù)以照片的形式通過網(wǎng)絡(luò)傳送給室內(nèi)服務(wù)器及處理計算機，然后進行數(shù)據(jù)分析，得到作物蛋白質(zhì)含量、葉綠素含量、水分含量等信息。

3 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)自上線以來積累了大量的農(nóng)田信息數(shù)據(jù)，下面以吉林省公主嶺市范家屯玉米監(jiān)測點為例，就空氣溫度、土壤濕度、光合有效輻射等信息的采集情況進行測試與分析，時間范圍為2020年1月1日—12月31日，數(shù)據(jù)頻率為1次/h，農(nóng)田信息采集數(shù)據(jù)歷史記錄如圖2所示。以葉綠素含量為例，利用高光譜數(shù)據(jù)計算分析得到葉綠素含量分布圖(獲取時間為2020年9月30日和2020年10月13日)，如圖3所示。

實踐證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，響應(yīng)快捷，監(jiān)測數(shù)據(jù)符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況。用戶能夠通過瀏覽器或者移動設(shè)備實時查看和瀏覽農(nóng)田采集氣象、土壤環(huán)境參數(shù)、高光譜分析數(shù)據(jù)和視頻等監(jiān)測信息，直觀地觀察作物生長狀況；歷史數(shù)據(jù)支持折線圖查看、柱狀圖查看、數(shù)據(jù)表查看和導(dǎo)出功能，可以用于事后分析和未來預(yù)測。

4 結(jié)束語

通過農(nóng)田信息的實時采集和可視化展示，本系統(tǒng)為廣大農(nóng)業(yè)管理者和農(nóng)民提供了真實可靠的第一手資料，有效幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者掌握生產(chǎn)信息，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理有積極的指導(dǎo)作用，在現(xiàn)代化農(nóng)田信息的精準(zhǔn)監(jiān)測和科學(xué)管理等方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖2 農(nóng)田信息采集數(shù)據(jù)歷史記錄Fig.2 Historical records of farmland information acquisition data

圖3 葉綠素含量分布Fig.3 Map of chlorophyll content distribution