物聯網技術在遼寧水稻冷棚育秧中的應用

呂 宏 靖

(1. 沈陽農業大學 工程學院, 沈陽 110866; 2. 遼寧省農業機械化技術推廣總站, 沈陽 110034)

?

物聯網技術在遼寧水稻冷棚育秧中的應用

呂 宏 靖1,2

(1. 沈陽農業大學 工程學院, 沈陽 110866; 2. 遼寧省農業機械化技術推廣總站, 沈陽 110034)

近年來隨著物聯網技術的不斷發展,其技術應用已經滲透到農業領域。在這一趨勢下,農業部和科技部提出利用網絡新技術促進農業現代化水平明顯提升。遼寧水稻機械插秧已經跨進全面機械化階段,但要想發揮機械插秧的高效率的特點,就需要培育高質量壯秧,只有大棚集中育秧才能確保提供高質高量的秧苗。由于水稻育秧工作專業性很強的,不同生長時期秧苗對環境要求十分苛刻,近年來經常發生育秧失敗的情況,這不單造成經濟損失更耽誤農時;通過物聯網技術能夠監控大棚內環境參數,通過自動控制確保秧苗處于最佳生長環境。以千山物聯網水稻冷棚為例,介紹其架構和運作模式和應用成效及現階段存在問題,只有配套相應政策才能保證農業物聯網健康發展。

物聯網; 水稻; 冷棚; 育秧

遼寧省的第二大糧食作物水稻的總產量占糧食總產量的23%左右,但是作為遼寧省的主食作物有著舉足輕重的地位[1]。遼寧的水稻種植機械化水平逐年提高,尤其在2013年遼寧省水稻生產機械化水平有了質的飛躍;在省委、省政府提出全省要基本實現水稻生產全程機械化的目標,在全省范圍內開展了“千萬畝水稻生產全程機械化工程”。經過各級政府和有關部門的共同努力,全省水稻生產綜合機械化水平達到80%以上,其中機插率達83%,按照我國基本實現全程機械化的評價標準80%來衡量,遼寧省基本實現水稻生產全程機械化[2]。要發揮水稻機械插秧的高效率,除了機手機具等因素,育秧質量是最直接影響插秧的效果;同時育出壯秧也是水稻高產的基礎。我國歷來就有“秧好半年稻”之說[3]。故此遼寧省水稻育秧的好壞成為機械化移栽質量的瓶頸,同時也是遼寧省水稻穩產高產的重要環節。冷棚育秧是遼寧省水稻育秧使用最廣泛的方式,它比地膜育秧更保溫、育秧量大;冷棚棚架在育秧結束后可拆卸節,提高土地利用率,其育秧效果和設施農業品質一樣,但其投入成本比設施農業低,具有很好的實用性?，F階段遼寧省的冷棚育秧質量主要受冷棚內環境因素影響,主要的影響因素是土壤水分和棚內溫度。秧苗會通常在上午噴灌一遍水調節土壤水分,棚內的溫度則是人工通過溫度計測量,采取卷膜通風降溫的方式完成。這種方式依賴種植戶的個人經驗,調節精度不高,調節不及時,浪費人力資源,難以保證最佳的育秧環境[4-5]。通過在水稻育秧冷棚內部署物聯網監控系統,育秧管理人員可以通過電腦或手機等設備隨時了解育秧大棚內環境并可遠程遙控或者自動控制大棚內的設備,實現農藝最優化管理,可提升壯秧率,最終實現水稻穩產增產[6-7]。

1 物聯網技術應用

1.1 物聯網簡介

2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上正式確定了“物聯網”的概念,并隨后發布了《ITU Internet reports 2005— the Internet of things》,ITU在報告中指出,新的通信時代即將到來,信息與通信技術(ICT)己經從滿足人與人之間的溝通,發展到人與物、物與物之間的連接,無所不在的物聯網通信使我們在信息與通信技術的世界里達到了全新的深度和廣度,任何時間、地點、連接任何人,變成任何時間、地點、連接任何物品,這種全新的連接就是物聯網[8-9]。

1.2 物聯網信息功能模型

圖1 物聯網信息功能模型

物聯網的關鍵環節通過信息科學視點圍繞信息的流動過程抽象出物聯網信息功能模型[10],如圖1所示。信息的獲取包括信息的感知和識別,感知事物的狀態和變化,識別事物的運動狀態并能記錄和表達出來;信息傳輸包括信息的發送、傳輸和接收環節;將事物的狀態和變化的記錄信息從一個點傳輸到另外一個點的過程就是信息傳輸;信息處理就是對信息的加工,以某種處理方式將數據進行變化形成新的信息,即制定策略的過程;信息施效是信息最終發揮效果的過程。通過儀器和設備干預對象事物的狀態、運動和變化方式等,使對象按預期效果進行變化。通過信息循環,物聯網實現了“感-知-行”的功能。

1.3 物聯網基本架構

物聯網系統的基本架構通常由3個部分組成,情景感知系統、情景處理系統和情景應用系統[11-13],如圖2所示。其中情景感知系統包括各類傳感器設備,無限通訊設備和各類執行功能的設備;通過傳感器收集信號向情景處理系統提供數據。情景處理系統處理上傳的數據,通過相應模式運算推倒出執行策略;情景應用系統根據執行策略控制各類執行功能的儀器達到預想的效果,從而對感知系統所處環境進行干預。物聯網可以實現時時數據傳輸,借助計算機技術實現優化計算,制定最佳執行方案,進行時時控制。

圖2 冷棚育秧物聯網架構

2 遼寧省水稻冷棚育秧現狀及農藝要求

2.1 遼寧省水稻冷棚育秧現狀

遼寧省水稻生產已經實現全面機械化,但機械移栽的效率和質量受到育秧質量的制約;為移栽秧提供優質的配套秧苗離不開水稻的集中育秧。在遼寧水稻集中育秧最廣泛采用的方式為水稻冷棚育秧;通過集中管理可以便于保證秧苗素質、控制病蟲害、出苗整齊。種子在冷棚里從播種到提供成秧,是水稻生產中最容易出現問題的環節。

遼寧省水稻育秧冷棚規格為:棚寬12 m左右、高3 m左右、長100 m左右。育秧大棚由于棚內空氣容量大、晝夜溫差小且溫度穩定,受棚外環境溫度變化的影響小,尤其適合應對北方倒春寒的低溫問題。由于棚架高,棚內人工作業方便,為培育壯秧提供基礎條件。

2.2 遼寧省水稻出苗期間農藝要求

遼寧省水稻育秧通常在4月中下旬開始,通過苗床播種機在秧盤上播種后,開始水稻出苗管理。水稻出苗的關鍵因素為適宜的水分和溫度,水稻冷棚育秧在出苗期間要求保溫保濕,秧盤的苗土的水分管理為底水澆足,一般狀態不澆水;在出苗頂土或秧土變白時需要噴灌補水。出苗期間棚內溫度應盡量高于20 ℃,溫度盡量控制在30 ℃左右,但溫度超過35 ℃時則需要通風降溫,確保溫度適合快出芽;北方春季地溫較低,可采用無紡布代替地膜,即能保溫保濕還比地膜更透氣,促出苗效果更好。

2.3 遼寧省水稻出苗后農藝要求

出苗后的管理根據秧苗的具體情況調節澆水時間和水量大小[14]。1葉1心期應保持旱田狀態,這一階段的澆水原則為“三看”:一看土面是否發白和秧根的發育情況,如果床土發白需要澆水,二看早、晚時葉尖所吐水珠的大小;早晚水珠變小需要澆水,三看午間高溫時新葉是否卷曲,如有卷曲,需要澆水。澆水在早上8點鐘左右用16 ℃以上的水進行適當澆灌,一次澆足。1葉1心期至3葉期床土宜保持半干狀態,并采取干濕較低的灌溉措施,起到以水調氣、調肥和調濕的護苗作用。在機械移栽前3～4 d開始通風煉苗,控制床土水分,確保秧苗不蔫萎的前提下,使秧苗處于渴水狀態,便于移栽后秧苗生根早、返青快,分蘗提前。

棚內高溫高濕,秧苗生長快,但超過35 ℃時秧苗生長過快,秧苗素質下降;濕度大于85%易發葉瘟病。所以棚內溫度控制在35 ℃以下,相對濕度控制在85%以下。在秧苗長出2 cm左右時,棚內溫度應控制在22～25 ℃,2葉期溫度控制在22～24 ℃。3葉期控制在20～22℃,超過25℃需要通風降溫。

3 物聯網技術在水稻冷棚育秧中的實際應用

遼寧省鞍山市千山區農機推廣站是遼寧省農機系統里最先實施物聯網水稻冷棚育秧的單位。2013年由于鞍山市的水稻大棚育秧出現諸多問題,20%左右的水稻育秧失敗,損失近千萬。故此水稻大棚育秧引進科學化精細管理變得十分必要。千山區鐘長瑞站長經過多年的物聯網技術引進、消化、試驗、應用、示范和總結,初步完成了水稻冷棚育秧物聯網的系統架構,并通過實際應用取得令人滿意的效果,具有推廣價值。

3.1 千山區水稻冷棚育秧物聯網的架構

按照物聯網基本架構將水稻冷棚育秧物聯網分為3層結構。在情景獲取層中中WSAN為無線傳感器和無限執行器的網絡,傳感器通過Zigbee/WSN及Zigbee-WiFi[15]網關傳輸到無線路由器上傳到Internet的服務器上,軟件收集信息并顯示在手機和電腦上,設定參數可以提供信息報警,人工可以選擇相應應用服務對環境進行干預。

3.2 信息功能系統架構

上行通道:傳感器收集棚內環境信息,通過采集卡----Zigbee/WSN----Zigbee-WiFi網關----無線路由器----Internet,通過手機和電腦可以顯示并具有紅字報警功能,視頻采集器與Zigbee-Wi-Fi網關均通過現場的WiFi-3G路由器連接遠程服務器。

下行通道:手機和電腦可以通過軟件將指令通過Internet傳到物聯網大棚的WiFi-3G路由器----zigbee-wifi網關----zigbee協議無線控制節點相應的執行器,對大棚的環境進行干預。

3.3 物聯網水稻育秧大棚應用效果

該物聯網水稻育秧大棚架設在千山區趙武農機合作社,大棚管理者就是合作社的所有者,經過幾年的應用,水稻育秧取得了很好的效果,并且通過物聯網技術節省了很多勞力。由于育出的秧苗質量高,被其他農戶認可,2015年初已經有人提前預定秧苗,確保育秧的銷售收益。

4 物聯網在冷棚育秧中的存在的問題

首先,物聯網在冷棚育秧應用上存在著最大問題就是成本[16]。如果只為一個或者幾個大棚搭建物聯網系統,那么后臺計算和控制的軟件的開發成本將成為最大的支出,如果軟件系統只是針對單個大棚開發,這樣的軟件也變相造成資金上的浪費。降低成本的辦法就是成規模的大棚集中使用系統從而攤薄軟件開發成本。由于農戶只看到傳感器和應用設備,對看不見的軟件并不容易買賬。故此物聯網軟件平臺最好是開放式的公共平臺,由政府主持管理,對數據流量進行補貼。

其次,物聯網在冷棚育秧中最為核心的功能----智慧管理或專家系統依然缺失。專家系統收集傳感設備上傳信息,根據秧苗生長階段最適合的環境條件為執行功能設備提供策,通過報警提示通知管理者進行處置。由于水稻育秧在出芽前和出芽后不同葉齡時期都有生長最佳的環境參數,只有大量記錄數據配合育秧效果形成數據庫,通過相應的回歸分析才能完善專家系統;也只有專業系統才能代替經驗,科學管理水稻育秧。

最后,物聯網的技術標準尚未統一,而且不同行業標準組織又各有側重,重疊和交叉較少,標準化工作也處于不同階段;同時由于物聯網技術發展迅速,新的技術和設備也在不斷升級中,由于軟件開發公司都是獨立開發,并且不提供源代碼公開,所以后臺運行的程序和軟件的兼容性不強;這些因素都會制約物聯網在農業領域里的使用和推廣。

物聯網已經被國家列為新興戰略性產業之一,在農業領域里的廣泛應用已經成為必然趨勢,如果政府提供服務器,開發開源管理軟件,完善智能管理,統一技術標準,降低使用成本,將為物聯網在冷棚育秧中乃至整個農業領域里發揮其巨大潛力提供必要的條件。

[1]侯守貴,隋國民,馬興全,等. 遼寧省水稻產業發展現狀及展望[J]. 北方水稻, 2012,42(5):70-73.

[2]陳政高. 政府工作報告----2013年1月24日在遼寧省第十二屆人民代表大會第一次會議上[J]. 遼寧省人民政府公報, 2013(4):7.

[3]于振文. 作物栽培學各論[M]. 北京:中國農業出版社, 2003.

[4]王麗娜,田蕾,劉冰心. 物聯網技術體系及其在智能大棚中的應用[J]. 農業開發與裝備, 2015(7):70-71.

[5]盧闖,李躍東,沈楓,等. 基于物聯網技術的遼寧省水稻育秧大棚監控系統的研究[J]. 遼寧農業科學, 2014(6):27-29.

[6]王懷宇,趙建軍,李景麗,等. 基于物聯網的溫室大棚遠程控制系統研究[J]. 農機化研究, 2015(1):123-127.

[7]中國電信智慧農業研究組. 智慧農業----信息通信技術引領綠色發展[M]. 北京:電子上業出版社, 2013.

[8]陳曉棟,原向陽,郭平毅,等. 農業物聯網研究進展與前景展望[J]. 中國農業科技導報, 2015,17(2):8-16.

[9]BIGGS P, SRIVASTAVA L. ITU Internet reports 2005: the internet of things[M]. Geverna: International Telecommunication Union, 2005.

[10]鐘義信,周延泉,李蕾. 信息科學教程[M]. 北京:北京郵電大學出版社, 2005.

[11]董軍,楊秀娟. 基于情景感知水稻育秧大棚農業物聯網的設計與實現[J]. 物聯網技術, 2014(6):29-31.

[12]李道亮. 農業物聯網導論[M]. 北京:科學出版社, 2012.

[13]葛文杰,趙春江. 農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J]. 農業機械學報, 2014,45(7):222-230.

[14]朱德峰,陳惠哲. 水稻大棚育秧及機插技術:上[J]. 農民科技培訓, 2013(6):29-32.

[15]呂文龍,孫炎輝,白航,等. 一種基于ZigBee網絡的農業物聯網管理系統設計[J]. 物聯網技術, 2014(7):78-79.

[16]鄢長卿. 物聯網技術在農業中的應用[J]. 電子制作, 2015(4):143.

Application of IOT technology in cold shed seedlings cultivation of rice of Liaoning province

LYUHongjing1,2

(1. College of Engineering, Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, China;2. Liaoning Province Agricultural Mechanization Technology Extending Organization, Shenyang 110034, China)

In recent years, IOT technology has been dramatically developed, which has already operated in agricultural production. This new trend has been well known, so Ministry of Agriculture and Ministry of Science and Technology togetherproposed IOT as new Internet technology to increase the modern agriculture productionlevel. Liaoning Province rice transplanting has entered the comprehensive mechanized production stage. However, to makerice transplanter fully operated,only massive greenhouses (cold shed)cultivationcould guarantee the quality and quantityof rice seedlings. Rice seedling cultivation requires high technology, and because during the lifetime of seedling, seeds required different critical environment factors in different time. The failures of seeding works could cause total ruin, which occurred in Liaoning Province several times. This disaster not only wasted money, but also missed the planting time. IOT could monitor the seeds growing environment in real time, by using the IOT, we can adjust the environment factors which completely matchthe suitable cultivation parameters. Take Qianshan County IOT seedlings cultivation greenhouseas for example,this article introduces the structure, functions, operation results and problems of greenhouses’ IOT system. To protect IOT technology operated healthily in agricultural production, government policy support is indispensability.

internet of things; rice; cold shed; grow seedlings

2015-05-26。

農業部公益性行業(農業)科研專項基金項目(201203059-1)。

呂宏靖(1980-),男,遼寧沈陽人,沈陽農業大學博士研究生,遼寧省農業機械化技術推廣總站高級工程師。

1673-5862(2016)01-0033-04

S237

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.008