平川

摘要：農(nóng)作物“五情”監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)基于目前成熟發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)，配合先進(jìn)的光譜傳感器技術(shù)、局域無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、太陽能環(huán)保綠色供電技術(shù)，在現(xiàn)代先進(jìn)農(nóng)業(yè)理論的指導(dǎo)下實現(xiàn)了農(nóng)作物的“五情”（肥情、苗情、墑情、蟲情、災(zāi)情）監(jiān)控和管理，在大田種植產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮了越來越重要的作用，是農(nóng)業(yè)精確管理的重要體現(xiàn)，是精確農(nóng)業(yè)的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；多光譜；智能傳感器；智慧管理；農(nóng)作物“五情”

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

1 農(nóng)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(fā)展優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、生態(tài)、安全的稻麥生產(chǎn)對于保障我國糧食安全，提高人民生活質(zhì)量，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。農(nóng)作物精確管理是精確農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一，其中包括：肥情、墑情、蟲情、苗情、災(zāi)情等五情。農(nóng)作物“五情”信息的轉(zhuǎn)化和監(jiān)控為農(nóng)業(yè)精確管理提供十分必要的手段，專家決策系統(tǒng)指導(dǎo)實現(xiàn)了農(nóng)作物的精確管理。

傳統(tǒng)的農(nóng)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(biāo)，主觀性較強(qiáng)，依賴于經(jīng)驗，易出現(xiàn)誤判。作物的肥情、墑情、苗情監(jiān)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(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本問題，也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)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(zāi)情信息的獲取也是農(nóng)作物精確管理的重要組成部分[1]。

2 監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)可行性

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子微控技術(shù)、傳感器技術(shù)、生物分子學(xué)技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，為監(jiān)測設(shè)備的研制提供了可靠的技術(shù)保證。

已有研究表明，農(nóng)作物體內(nèi)尤其是作物葉面的大多數(shù)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(shù)的研究獲得了迅猛發(fā)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(shù)中，運用傳感器來獲取光譜信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，運用目前十分成熟的電子技術(shù)、單片機(jī)處理器技術(shù)，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(yīng)得傳感器實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)通訊為大容量視頻數(shù)據(jù)實時傳遞提高了技術(shù)保障。用于查看苗情、蟲情的視頻監(jiān)控，可以高清晰、高分辨率、24h不間斷的田間監(jiān)控。這些視頻可實時保存，可長期保存。

災(zāi)情監(jiān)控主要通過環(huán)境傳感器采集天氣及環(huán)境信息，包括雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、光輻射度、大氣壓強(qiáng)、溫度及濕度等信息[3]。

這些信息經(jīng)采集終端自由無線組網(wǎng)，傳輸至該系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，再經(jīng)GPRS、CDMA等公網(wǎng)上傳服務(wù)器，再經(jīng)專家系統(tǒng)決策形成管理措施，網(wǎng)絡(luò)化為這些信息的流轉(zhuǎn)提供了平臺和通道。

3 系統(tǒng)及平臺構(gòu)成

農(nóng)作物“五情”監(jiān)測設(shè)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(tǒng)（系統(tǒng)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(zhì)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(yīng)特性稱為光譜特性，物質(zhì)的光譜特性是光譜無損監(jiān)測的依據(jù)。作物組織中的各種蛋白質(zhì)、氨基酸、葉綠體及其它氮素形態(tài)組分的分子結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵在一定輻射光能的照射下會發(fā)生振動響應(yīng)，對某些波長的光產(chǎn)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(fā)育、生長狀況以及生長環(huán)境等密切相關(guān)，在可見光一一近紅外波段范圍內(nèi)，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(fā)生變化，會引起作物冠層反射光譜特性的變化，進(jìn)而形成獨特的光譜特征[3]。

作物生長信息無線采集終端監(jiān)測功能的實現(xiàn)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(guān)系為基礎(chǔ)的，利用光譜傳感器在接觸而不損傷作物組織結(jié)構(gòu)或遠(yuǎn)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(yǎng)匱缺程度，達(dá)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(shù)和葉干重等）的目的[4]。

農(nóng)作物“五情”監(jiān)測設(shè)備中的肥情監(jiān)控的光譜監(jiān)測理論，是依托南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心多年來關(guān)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(zhuǎn)換，研制出一種實用化的基于冠層反射光譜的光電轉(zhuǎn)化傳感器。多光譜作物生長智能傳感器設(shè)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(shù)據(jù)信息采集經(jīng)過ZigBee無線自由組網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)匯集各個采集終端數(shù)據(jù)，再統(tǒng)一上傳至決策平臺。

鑒于田間電網(wǎng)走線條件限制，太陽能供電成為一種經(jīng)濟(jì)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(tǒng)包括一臺微型氣象站，其主要用于監(jiān)控氣象指標(biāo)，為系統(tǒng)決策提供氣象數(shù)據(jù)信息。包括氣溫、濕度、太陽輻射度、雨量、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速和風(fēng)向等指標(biāo)，實時采集，實時顯示，且保存大容量的歷史數(shù)據(jù)。對于被測試地區(qū)的氣象指標(biāo)等參量可常年記錄，為系統(tǒng)提供作物種植區(qū)第一手氣象數(shù)據(jù)資料。系統(tǒng)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)合理決策[5]。

3.3高清攝像頭

該系統(tǒng)可以監(jiān)控苗情生長態(tài)勢，實時遠(yuǎn)程查勘農(nóng)作物苗情長勢情況，高分辨率的視頻攝像頭動態(tài)的反應(yīng)苗情長勢，生動逼真的實時再現(xiàn)田間作物的生長動態(tài)，減少田間巡視體力勞動，這些視頻數(shù)據(jù)，可與標(biāo)準(zhǔn)作物生長態(tài)勢進(jìn)行比照，找出差異，發(fā)現(xiàn)問題，為決策系統(tǒng)提供高品質(zhì)、高標(biāo)準(zhǔn)的圖片及視頻資料。

3.4感知與智慧管理平臺系統(tǒng)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)和農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)等技術(shù)，耦合不同生育時期的作物生長動態(tài)，構(gòu)建了精確診斷與調(diào)控模型?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田感知與智慧管理系統(tǒng)平臺，通過運行于電腦和手機(jī)等客戶端，用戶通過授權(quán)登錄，實時直觀地了解田間作物生長情況，運用專家系統(tǒng)提供的各種診斷功能獲悉相應(yīng)的栽培、施肥、治蟲、管理措施。

農(nóng)作物“五情”監(jiān)測設(shè)備及平臺系統(tǒng)填補(bǔ)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(tǒng)的空白；實現(xiàn)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(xiàn)了農(nóng)情信息的監(jiān)控、改善作物品質(zhì)、節(jié)水節(jié)肥、提高產(chǎn)量、減少面源污染、綠色種植的目的。

4 結(jié)束語

農(nóng)作物“五情”監(jiān)測設(shè)備及平臺采用成熟的電子技術(shù)，尤其是目前迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得先進(jìn)的農(nóng)業(yè)理論及生物分子學(xué)技術(shù)的運用網(wǎng)絡(luò)化、智能化。作物生長信息的實時采集、處理，在現(xiàn)代電子技術(shù)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(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)的運用在大田種植產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮重大作用，為農(nóng)業(yè)信息化提供基本的技術(shù)保障，使得大田種植能夠?qū)崿F(xiàn)：精確化、可視化、定量化及作物的生長態(tài)勢的可持續(xù)跟蹤。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮偉，朱艷，姚霞，等.小麥氮素積累動態(tài)的高光譜檢測[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(yīng)義斌，謝麗娟光譜分析技術(shù)在作物生長信息檢測中的運用研究進(jìn)展[J].光譜學(xué)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(yǎng)無損監(jiān)測技術(shù)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007 （9）：1454-1463.