大田農業信息監測管理系統設計開發

王聰 裴莉 徐勇 張煜晗

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130021)

前言

吉林省正在全面推進“數字吉林”建設。發展“智慧農業”，促進吉林從農業大省向農業強省邁進。重點發展數字農業應用，大力推進農業物聯網推廣與應用[1]。信息化背景賦予智慧農業新的定義與生命力，不但拓寬了智慧農業的應用渠道，而且豐富了智慧農業的內涵，以互聯網、物聯網、計算機、大數據等多樣化信息技術為載體的智慧農業體系，進一步優化農業生產模式，促進農作物產量與質量的提高，增加廣大農民的經濟收入，為現代農業的成功轉型注入源源不斷的驅動力，開辟農業生產的嶄新局面[2]。本研究應用農業物聯網技術采集大量的農田環境數據，設計開發大田農業信息監測管理系統，該系統可為政府及農民提供農業生產的合理化建議，推進“數字吉林”建設，讓傳統農業煥發生機。

1 系統簡介

大田農業信息監測管理系統應用于大田，該系統利用互聯網技術、信息技術及無線通信技術，將氣象信息、大田現場實況信息、農作物生長信息、土壤相關參數，以及灌溉和施肥的控制等農業生產進行管理。

本系統采用B/S架構，分為數據層、業務層、交互層3層設計搭建：能夠完成數據采集、數據傳輸和數據存儲的數據層，實現數據處理、分析、控制等功能的業務層，以及通過可視化方式向用戶傳遞數據及信息的交互層。數據層，包括數據采集、數據傳輸、數據存儲3個部分，本系統的數據主要來自通過傳感器采集的數據，數據傳輸主要采用4G網絡。系統數據庫管理具有3個特性：數據信息綜合多樣性；數據訪問開放性，系統開發對外訪問接口，方便二次開發；信息安全性，保障網絡安全，設置多層訪問權限。業務層，主要設計為系統要實現的功能。大田農業信息監測管理系統功能主要包含：土壤墑情監測、土壤鹽分監測、田間氣象監測、蟲情采集、灌溉運行監控、圖像信息采集、農事操作信息采集、農機作業管理以及基礎信息管理等功能。根據監測點不同進行分類，將監測點劃分為墑情站、鹽分站、氣象站、蟲情站、施肥點、主干管、圖像站、農事操作調查點、農機、地塊等分類(如圖1)。

圖1 系統綜合界面

2 農田環境數據監測

2.1 土壤墑情監測

水利部農村水利司下發了《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》[3]，本系統采用“首尾測算法”開展土壤墑情測算分析工作。通過本系統監測各監測點的土壤墑情參數，可查看所有監測點的當前土壤墑情參數，也可以通過左邊欄查看某一監測點的土壤墑情參數。土壤墑情監測參數包含名稱、設備地址、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(℃)參數包含不同土層數據。

2.2 土壤鹽分監測

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

2.3 田間氣象監測

我國作為一個農業大國，農業生產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生頻率明顯加大，農業生產遭受氣象災害的風險日益增加。因此，圍繞氣象開展為農服務，在長期的農業防災減災、農業生產活動等服務中發揮著重要作用，為國家和各級政府制定農業戰略、農業結構調整、布局優化、農業生產管理、農業防災減災、應對氣候變化和合理利用農業氣候資源等提供科學依據[4]。大田農業生產依然需要“靠天吃飯”，風調雨順則豐收，出現自然災害則歉收，農業氣象決定了收成、品質和成本，同時影響著農民的生活。

本系統中田間氣象監測具有多指標、多模型、多數據特性，在實時業務環境中能夠穩定運行。通過本系統監測各監測點的田間氣象數據，可查看所有監測點的當前田間氣象參數，也可查看某一監測點的田間氣象參數。田間氣象監測參數包含名稱、設備地址、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)兩種數據；相對濕度(%)包含實時、最高、最低3種數據；氣溫(℃)包含實時、最高、最低3種數據；氣壓(kPa)包含實時、最高、最低3種數據。

2.4 蟲情采集

本系統蟲情采集采用遠程無線傳輸方式，主要包含誘蟲陷阱和利用微型高清攝像頭進行圖像識別兩大功能。蟲情采集測報裝置主要以遠程視頻監控系統的智能拍照功能為基礎，集合4G無線傳輸技術，實現圖像的定時采集和回傳。當誘蟲陷阱將害蟲引入容器后，傳感器感知新蟲進入，向圖像采集設備發送指令，圖像采集設備將害蟲圖像傳到服務器中，數據處理程序對不同種類的誘蟲圖片進行圖像預處理，構建SVM識別模型，根據害蟲數據庫，判斷害蟲種類，并將病蟲害信息存儲數據庫中。通過本系統監測各監測點的蟲情數據，可查看所有監測點的當前蟲情采集數據，也可以通過左邊欄查看某一監測點的蟲情采集。蟲情采集數據參數包含名稱、采集地址、蟲態、作物類型、害蟲種類、調查總株數、蟲口密度(頭·株-1或頭·m-2)/發病率、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。當系統發現蟲情后，會自動定時采集并存儲圖片，同時對病蟲害進行判斷，當未發現病蟲害時，系統不會存儲圖片及病蟲害數據。

2.5 閥門控制

田間終端控制閥是田間自動化灌溉應用的關鍵技術之一。目前制約我國大田農業發展的關鍵因素就是水資源的短缺，我國水資源僅占世界總量的6%，而我國的農業灌溉用水量就占據了總用水量的69%以上，更為嚴重的是，我國農業灌水利用系數僅為0.47。因灌溉用水方式不合理造成了大量的水資源浪費，加劇了我國水資源緊缺的現狀[5]。本系統的閥門的控制，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置開啟時長，定量開啟閥門需設置水量(m3)。設定完定時定量功能后，需勾選應用到全部閥門還是某一個或某幾個閥門。因此通過本系統可實現節水灌溉閥門的遠程控制功能，從而實現自動化、精準化節水灌溉。

3 農事操作調查功能

系統根據地理位置設置農事操作調查站點列表及方位地圖按鈕。

3.1 圖像信息采集

選擇某一農事操作調查站點可查看當前站點周邊圖像及視頻實況數據，可查看定時采集的圖像數據。

3.2 作物全生長期圖片數據采集

全生育期的長短是區分作物品種成熟早遲的依據。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和環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]。根據播種—出苗、出苗—拔節、拔節—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據，并按各年不同作物狀態及生長時間進行對比。同時提取當時的田間關鍵環境數據，包含名稱、調查點地址、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、采集時間等參數。

3.3 肥料施用表

為了保障農作物的質量，避免因化肥的使用不當對農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、調查點地址、地塊名稱、作物類型、施用時期、肥料名稱、用量(kg·667m-2)、品牌、供應商、采集時間、操作以及歷史記錄。合理施肥有利于提高農作物的產量、品質、增加農民收入；不合理施肥會造成農作物營養比例失調，影響其正常生長發育和營養品質，尤其是降低農作物抗逆性，加劇環境污染。施入過量無機氮肥可使農作物積累大量硝態氮，導致農作物中硝酸鹽含量超標，影響農作物的品質與安全。來自化肥產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據，包含名稱、調查點地址、地塊名稱、作物類型、銨態氮(mg·kg-1)、硝態氮(mg·kg-1)、尿素氮(mg·kg-1)、有效磷(mg·kg-1)、鉀(mg·kg-1)、農藥殘留(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 農機作業任務記錄

農機作業任務記錄功能，為農機作業質量測算提供了數據支持，同時為農機作業工作人員和管理人員提供了監測工具。利用農機行駛軌跡數據和車載作業傳感器采集的耕作數據可以估算出作業質量參數和作業地塊信息，為區域作業的宏觀調控提供數據支持。農機調度與任務規劃問題的求解可以提高農業機械的資源利用率和區域作業效率，對于節能減排也有重要意義[8]。通過本系統的農機作業管理模塊，進入到“農機作業任務記錄”的詳情頁面，了解其最新的農機操作信息。包含農機作業路線、農機時速、農機當前坐標、農機耗油量等數據(如圖2)。通過對農機作業任務的記錄，可測算農機作業合格率、農機作業面積、農機作業重耕率以及農機作業漏耕率。根據定位情況，可以知道駕駛員進行農機作業，減少重耕和漏耕的幾率。

圖2 農機作業任務記錄

4 結語

本研究采集大量的農田環境數據，設計開發大田農業信息監測管理系統，通過硬件平臺、軟件流程實現進行設計，實現農田環境數據監測和農事操作調查功能，主要包含土壤墑情監測、土壤鹽分監測、田間氣象監測、蟲情采集、灌溉運行監控、圖像信息采集、農事操作信息采集、農機作業管理以及基礎信息管理等。本系統工作性能穩定、響應靈敏性高、易于操作、可視化程度高。

本項目在推廣應用過程中，還面臨著建設和運維成本高、帶動效益不明顯等方面的問題[9]，希望政府進行合理規劃和正確引導，出臺扶持智慧農業發展的政策措施。