王聰 裴莉 徐勇 張煜晗

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130021)

前言

吉林省正在全面推進(jìn)“數(shù)字吉林”建設(shè)。發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”，促進(jìn)吉林從農(nóng)業(yè)大省向農(nóng)業(yè)強(qiáng)省邁進(jìn)。重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣與應(yīng)用[1]。信息化背景賦予智慧農(nóng)業(yè)新的定義與生命力，不但拓寬了智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用渠道，而且豐富了智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)等多樣化信息技術(shù)為載體的智慧農(nóng)業(yè)體系，進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量的提高，增加廣大農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的成功轉(zhuǎn)型注入源源不斷的驅(qū)動力，開辟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的嶄新局面[2]。本研究應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大量的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)開發(fā)大田農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為政府及農(nóng)民提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理化建議，推進(jìn)“數(shù)字吉林”建設(shè)，讓傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)煥發(fā)生機(jī)。

1 系統(tǒng)簡介

大田農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)用于大田，該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)及無線通信技術(shù)，將氣象信息、大田現(xiàn)場實(shí)況信息、農(nóng)作物生長信息、土壤相關(guān)參數(shù)，以及灌溉和施肥的控制等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行管理。

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、交互層3層設(shè)計(jì)搭建：能夠完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析、控制等功能的業(yè)務(wù)層，以及通過可視化方式向用戶傳遞數(shù)據(jù)及信息的交互層。數(shù)據(jù)層，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲3個部分，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來自通過傳感器采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸主要采用4G網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理具有3個特性：數(shù)據(jù)信息綜合多樣性；數(shù)據(jù)訪問開放性，系統(tǒng)開發(fā)對外訪問接口，方便二次開發(fā)；信息安全性，保障網(wǎng)絡(luò)安全，設(shè)置多層訪問權(quán)限。業(yè)務(wù)層，主要設(shè)計(jì)為系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能。大田農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測管理系統(tǒng)功能主要包含：土壤墑情監(jiān)測、土壤鹽分監(jiān)測、田間氣象監(jiān)測、蟲情采集、灌溉運(yùn)行監(jiān)控、圖像信息采集、農(nóng)事操作信息采集、農(nóng)機(jī)作業(yè)管理以及基礎(chǔ)信息管理等功能。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)不同進(jìn)行分類，將監(jiān)測點(diǎn)劃分為墑情站、鹽分站、氣象站、蟲情站、施肥點(diǎn)、主干管、圖像站、農(nóng)事操作調(diào)查點(diǎn)、農(nóng)機(jī)、地塊等分類(如圖1)。

圖1 系統(tǒng)綜合界面

2 農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測

2.1 土壤墑情監(jiān)測

水利部農(nóng)村水利司下發(fā)了《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》[3]，本系統(tǒng)采用“首尾測算法”開展土壤墑情測算分析工作。通過本系統(tǒng)監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的土壤墑情參數(shù)，可查看所有監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前土壤墑情參數(shù)，也可以通過左邊欄查看某一監(jiān)測點(diǎn)的土壤墑情參數(shù)。土壤墑情監(jiān)測參數(shù)包含名稱、設(shè)備地址、土壤濕度(Vol%)、土壤溫度(℃)、采集時間、歷史記錄。其中土壤濕度(Vol%)和土壤溫度(℃)參數(shù)包含不同土層數(shù)據(jù)。

2.2 土壤鹽分監(jiān)測

吉林省白城地區(qū)鹽堿地較多，為了監(jiān)測鹽漬土情況，掌握土壤脫鹽規(guī)律，為了研究如何合理有效地利用鹽漬土，就需要監(jiān)測土壤鹽分參數(shù)。通過本系統(tǒng)監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的土壤鹽分參數(shù)，可查看所有監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前土壤鹽分參數(shù)，也可以通過左邊欄查看某一監(jiān)測點(diǎn)的土壤鹽分參數(shù)。土壤鹽分監(jiān)測參數(shù)包含名稱、設(shè)備地址、土壤鹽分(mol·L-1)、溶液電導(dǎo)率(S·m-1)、溶液離子濃度(mol·L-1)、歷史記錄。

2.3 田間氣象監(jiān)測

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到天氣條件的極大影響，在全球氣候變暖的背景下，我國各類極端天氣氣候事件發(fā)生頻率明顯加大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受氣象災(zāi)害的風(fēng)險日益增加。因此，圍繞氣象開展為農(nóng)服務(wù)，在長期的農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等服務(wù)中發(fā)揮著重要作用，為國家和各級政府制定農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、布局優(yōu)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化和合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源等提供科學(xué)依據(jù)[4]。大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然需要“靠天吃飯”，風(fēng)調(diào)雨順則豐收，出現(xiàn)自然災(zāi)害則歉收，農(nóng)業(yè)氣象決定了收成、品質(zhì)和成本，同時影響著農(nóng)民的生活。

本系統(tǒng)中田間氣象監(jiān)測具有多指標(biāo)、多模型、多數(shù)據(jù)特性，在實(shí)時業(yè)務(wù)環(huán)境中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。通過本系統(tǒng)監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的田間氣象數(shù)據(jù)，可查看所有監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前田間氣象參數(shù)，也可查看某一監(jiān)測點(diǎn)的田間氣象參數(shù)。田間氣象監(jiān)測參數(shù)包含名稱、設(shè)備地址、降雨量(mm)、相對濕度(%)、氣溫(℃)、氣壓(kPa)。其中降雨量(mm)包含1h降雨量(mm)以及1d降雨量(mm)兩種數(shù)據(jù)；相對濕度(%)包含實(shí)時、最高、最低3種數(shù)據(jù)；氣溫(℃)包含實(shí)時、最高、最低3種數(shù)據(jù)；氣壓(kPa)包含實(shí)時、最高、最低3種數(shù)據(jù)。

2.4 蟲情采集

本系統(tǒng)蟲情采集采用遠(yuǎn)程無線傳輸方式，主要包含誘蟲陷阱和利用微型高清攝像頭進(jìn)行圖像識別兩大功能。蟲情采集測報裝置主要以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能拍照功能為基礎(chǔ)，集合4G無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像的定時采集和回傳。當(dāng)誘蟲陷阱將害蟲引入容器后，傳感器感知新蟲進(jìn)入，向圖像采集設(shè)備發(fā)送指令，圖像采集設(shè)備將害蟲圖像傳到服務(wù)器中，數(shù)據(jù)處理程序?qū)Σ煌N類的誘蟲圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理，構(gòu)建SVM識別模型，根據(jù)害蟲數(shù)據(jù)庫，判斷害蟲種類，并將病蟲害信息存儲數(shù)據(jù)庫中。通過本系統(tǒng)監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的蟲情數(shù)據(jù)，可查看所有監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前蟲情采集數(shù)據(jù)，也可以通過左邊欄查看某一監(jiān)測點(diǎn)的蟲情采集。蟲情采集數(shù)據(jù)參數(shù)包含名稱、采集地址、蟲態(tài)、作物類型、害蟲種類、調(diào)查總株數(shù)、蟲口密度(頭·株-1或頭·m-2)/發(fā)病率、危害癥狀、已采用的防治方法與效果、圖片、采集時間、備注、操作、歷史記錄。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)蟲情后，會自動定時采集并存儲圖片，同時對病蟲害進(jìn)行判斷，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)病蟲害時，系統(tǒng)不會存儲圖片及病蟲害數(shù)據(jù)。

2.5 閥門控制

田間終端控制閥是田間自動化灌溉應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前制約我國大田農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素就是水資源的短缺，我國水資源僅占世界總量的6%，而我國的農(nóng)業(yè)灌溉用水量就占據(jù)了總用水量的69%以上，更為嚴(yán)重的是，我國農(nóng)業(yè)灌水利用系數(shù)僅為0.47。因灌溉用水方式不合理造成了大量的水資源浪費(fèi)，加劇了我國水資源緊缺的現(xiàn)狀[5]。本系統(tǒng)的閥門的控制，分為定時開啟與定量開啟2種方式，其中定時開啟閥門需設(shè)置開啟時長，定量開啟閥門需設(shè)置水量(m3)。設(shè)定完定時定量功能后，需勾選應(yīng)用到全部閥門還是某一個或某幾個閥門。因此通過本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉閥門的遠(yuǎn)程控制功能，從而實(shí)現(xiàn)自動化、精準(zhǔn)化節(jié)水灌溉。

3 農(nóng)事操作調(diào)查功能

系統(tǒng)根據(jù)地理位置設(shè)置農(nóng)事操作調(diào)查站點(diǎn)列表及方位地圖按鈕。

3.1 圖像信息采集

選擇某一農(nóng)事操作調(diào)查站點(diǎn)可查看當(dāng)前站點(diǎn)周邊圖像及視頻實(shí)況數(shù)據(jù)，可查看定時采集的圖像數(shù)據(jù)。

3.2 作物全生長期圖片數(shù)據(jù)采集

全生育期的長短是區(qū)分作物品種成熟早遲的依據(jù)。其長短因作物的種類、品種特性而異，同一品種亦因栽培技術(shù)和環(huán)境條件不同而有變化。溫度、光照條件是影響作物生育期長短的主要因素[6]。根據(jù)播種—出苗、出苗—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄、抽雄—散粉、散粉—吐絲、吐絲—成熟6類，按不同時間段劃分作物圖像數(shù)據(jù)，并按各年不同作物狀態(tài)及生長時間進(jìn)行對比。同時提取當(dāng)時的田間關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)，包含名稱、調(diào)查點(diǎn)地址、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、采集時間等參數(shù)。

3.3 肥料施用表

為了保障農(nóng)作物的質(zhì)量，避免因化肥的使用不當(dāng)對農(nóng)作物造成不利的影響，研究化肥在施用中存在的問題，需要詳細(xì)記錄各地塊的化肥施用情況。記錄各地塊的施肥情況，包含名稱、調(diào)查點(diǎn)地址、地塊名稱、作物類型、施用時期、肥料名稱、用量(kg·667m-2)、品牌、供應(yīng)商、采集時間、操作以及歷史記錄。合理施肥有利于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、增加農(nóng)民收入；不合理施肥會造成農(nóng)作物營養(yǎng)比例失調(diào)，影響其正常生長發(fā)育和營養(yǎng)品質(zhì)，尤其是降低農(nóng)作物抗逆性，加劇環(huán)境污染。施入過量無機(jī)氮肥可使農(nóng)作物積累大量硝態(tài)氮，導(dǎo)致農(nóng)作物中硝酸鹽含量超標(biāo)，影響農(nóng)作物的品質(zhì)與安全。來自化肥產(chǎn)品中的磷礦石含有鎘、鉛等重金屬，長期施用含有該類重金屬雜質(zhì)的肥料可造成土壤重金屬積累，肥料中的重金屬污染不容忽視[7]。

3.4 土壤檢測報告

記錄土壤定期檢測數(shù)據(jù)，包含名稱、調(diào)查點(diǎn)地址、地塊名稱、作物類型、銨態(tài)氮(mg·kg-1)、硝態(tài)氮(mg·kg-1)、尿素氮(mg·kg-1)、有效磷(mg·kg-1)、鉀(mg·kg-1)、農(nóng)藥殘留(mg·kg-1)、鹽分(mol·L-1)、濕度(%)、溫度(℃)、采集時間、操作與歷史記錄。

3.5 農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)記錄

農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)記錄功能，為農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量測算提供了數(shù)據(jù)支持，同時為農(nóng)機(jī)作業(yè)工作人員和管理人員提供了監(jiān)測工具。利用農(nóng)機(jī)行駛軌跡數(shù)據(jù)和車載作業(yè)傳感器采集的耕作數(shù)據(jù)可以估算出作業(yè)質(zhì)量參數(shù)和作業(yè)地塊信息，為區(qū)域作業(yè)的宏觀調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。農(nóng)機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃問題的求解可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的資源利用率和區(qū)域作業(yè)效率，對于節(jié)能減排也有重要意義[8]。通過本系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)管理模塊，進(jìn)入到“農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)記錄”的詳情頁面，了解其最新的農(nóng)機(jī)操作信息。包含農(nóng)機(jī)作業(yè)路線、農(nóng)機(jī)時速、農(nóng)機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)、農(nóng)機(jī)耗油量等數(shù)據(jù)(如圖2)。通過對農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)的記錄，可測算農(nóng)機(jī)作業(yè)合格率、農(nóng)機(jī)作業(yè)面積、農(nóng)機(jī)作業(yè)重耕率以及農(nóng)機(jī)作業(yè)漏耕率。根據(jù)定位情況，可以知道駕駛員進(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)，減少重耕和漏耕的幾率。

圖2 農(nóng)機(jī)作業(yè)任務(wù)記錄

4 結(jié)語

本研究采集大量的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)開發(fā)大田農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測管理系統(tǒng)，通過硬件平臺、軟件流程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和農(nóng)事操作調(diào)查功能，主要包含土壤墑情監(jiān)測、土壤鹽分監(jiān)測、田間氣象監(jiān)測、蟲情采集、灌溉運(yùn)行監(jiān)控、圖像信息采集、農(nóng)事操作信息采集、農(nóng)機(jī)作業(yè)管理以及基礎(chǔ)信息管理等。本系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏性高、易于操作、可視化程度高。

本項(xiàng)目在推廣應(yīng)用過程中，還面臨著建設(shè)和運(yùn)維成本高、帶動效益不明顯等方面的問題[9]，希望政府進(jìn)行合理規(guī)劃和正確引導(dǎo)，出臺扶持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策措施。