基于物联网的精准农业玉米长势监测分析系统研究

樊艳英，张自敏，陈冠萍，李碧青

(贺州学院，广西 贺州　542899)

0　引言

我国是农业大国，但由于气候多变，自然灾害也比较多，利用物联网技术实现对作物种植的远程实时检测，是解决“三农”问题的重要手段。玉米是我国主要农产品之一，具有重要营养价值，对玉米种植户而言高产高质是他们所期待的。玉米的生长状态容易受到环境影响，根据农业部统计，对玉米产量影响最严重的灾害为虫灾、旱灾及水灾。因此，本文根据玉米种植特性，结合物联网优越性，依托互联网、物联网、视频图像处理、无线传感器和移动通讯等综合性技术，设计了一套独有的玉米长势监测分析系统。

1　智慧农业与物联网概述

1.1　智慧农业简介

“智慧农业”就是将农业种植与现在电子信息技术结合起来，将互联网、物联网、视频图像处理、GIS、无线传感器、移动通讯、自动控制、3S及专家智慧与知识集成，对作物环境的土壤养分及病虫、灾情等生产信息进行采集与监测，通过物联网、云技术进一步实现作物可视化远距离诊断、无线控制、灾变预警等自动管理，使农产品种植、销售“智慧”化。除了精准感知作物生产状况外，智慧农业还包括农产品电子销售、产品质量跟踪、农村休闲旅游和信息服务等内容。智能温棚物联网智能检测系统示意图如图1所示。

图1　智能温棚物联网智能检测系统示意图

1.2　物联网在智慧农业中的应用

物联网监测系统通过精细化控制及无线传感设备获取农田作物生长信息，让农民实时了解作物生长动态，在提高农产品产量的同时大幅度缩减农民作业时间，节约能源，减少人力物力的投入，提高农民收入。另外，物联网可以将以往和现在的数据进行对比分析，提供更优化方案，实现农业价值的可持续性。农业物联网控制流程如图2所示。物联网可以为农业园区提供温湿度、土壤监测、肥水灌溉、长势分析等远程监控，因此农业物联网同样需要感知层、传输层和应用层。其中，感知层主要是由视频传感器、电磁感应传感器和RFID组成的环境感知模块构成；传输层主要包括ZigBee、WLAN网络、CDMA及4G等通讯设施；应用层则包含农业感知数据管理、农业物联网云存储及农业物联网安全监测中心三大平台。基于物联网的农业控制系统框架如图3所示。

图2　农业物联网控制流程

图3　基于物联网的农业控制系统框架图

2　玉米长势监测试验与方法

2.1　试验设计

为了对玉米长势进行分析，本文在某高效生态示范农业园玉米种植区进行了检测试验。其中，主要对玉米种植面积、环境因素、长势进行分析，然后预测农作物产量。试验主要通过视频传感器、温湿度传感器、光谱传感器、CO2传感器、ZigBee和4G通讯模块等物联网技术，对玉米生长期的重要参数指标进行检测和数据回传，为预测玉米产量提供有力依据。

为了实现对作物生长高度的判断，在玉米种没有种植之前，先在种植中心区域选择1块2m×2m的监测区，在检测区放置1根高度标示杆，并在4个角上安放区域标示杆，双目CCD摄像机安放在高度标示杆正对面。在玉米生长期内每日17:00时由摄像机拍摄图像并回传给控制系统。玉米生长高度监测示意如图4所示。

图4　玉米生长高度监测示意图

2.2　玉米长势实时图像获取方法

1)视频模块。视频模块采用德国耶拿(Jenoptik)公司的SpeedXT Core 5CCD，该摄像机使用USB2.0接口，其安装方便的特点及高性能的图像处理能力保证了及时、快速的处理，能够最大程度地保存图像信息。根据试验需求，本文根据双目视觉定位原理，采用双CCD摄像机对高度标示杆进行图像采集。相机架设过程中，以能够完全检测目标区域为标准，并且两个相机高度一致、光轴平行。

在试验过程中，通过双CCD摄像机采集图像信息，利用视频解码器对视频信息进行简单的预处理，然后将预处理信息进行颜色分割，得到二值化图像，并打包传回给后台分析中心进行数据的处理。视频模块运行框架如图5所示。

2)传感器模块。在农业物联网中，传感器网络的具有非常重要的作用，是进行数据采集的关键终端设备。在农业种植方面，无线传感器节点分布在作物种植区域，可以对种植区域的温湿度、土壤pH、光照强度、照射时长、氧气浓度和CO2浓度等进行检测。

各种功能不一样的无线传感器节点分布在监测区域，以无线网络为平台，通过自组织形式，顺着其它节点逐级跳动传递和交换信息；最后，所有信息通过传感器网络传递到汇聚节点，通过网络、卫星通讯传递到远程终端服务器上，为玉米长势分析系统提供了可靠的数据统计。

3)通讯模块。无线通信模块采用SM50系列微功率无线数传模块，该模块采用了微系统控制、模块化设计和断线检测等技术。模块具有如下特点：①微功率发射，发射功率在10mW～1W范围内；②载频频率为433MHz；③高抗干扰能力和低误码率；④SM50系列标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到116信道；⑤采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。通信模块实物如图6所示。

图5　视频模块运行框架图

图6　通信模块实物图

2.3　玉米株高的田间测量

当玉米开花后，玉米就不再长高，一般将从天穗顶端第1花稃向下量一直到地平面称为玉米的株高。为了了解玉米各个周期的株高情况，在玉米生长的三叶期、抽雄期和吐丝期种植区进行株高实际测量。测量时采用便携式玉米株高测量仪，其基于机器视觉技术，利用摄像头获取玉米株高测量尺图像，通过算法现场分析，实时获取玉米株高数据。该仪器最高测量高达3m，满足绝大多数玉米株高测量需求，测量出玉米高度所需时间小于1s，并能够自动调节白平衡。测量不受天气、光照等环境条件的影响，测量的数据可通过无线网络传输至玉米长势分析系统后台服务器。在测量过程中，记录所测玉米株高，然后由系统取其平均值1个周期的株高；同时，与双CCD摄像机测量数据进行对比，寻求视频模块测量与实测值之间的误差值，验证视频模块测量的科学性和可靠性。

3　玉米长势监测分析系统的设计

玉米长势监测分析系统包括传感层、网络层、应用层3方面内容。其中，传感器包括温湿度传感器、光照传感器和CO2等传感器等来获取植物的各类信息；传输层由互联网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息；应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。该系统核心模块包括视频、通讯和传感器三大模块，其根据农业物联网建设标准，采用统一的通信协议、标准的数据接口和信息共享协议，集成玉米长势信息采集和设备控制系统，实现实时感知玉米生长状态信息。其系统架构如图7所示。

图7　玉米长势监测分析系统架构图

4　试验结果与分析

本文取出从播种后的第10、20、30、40、50、60、70、80天玉米监测分析系统采集的气温、太阳辐射、土地湿度、测量株高的数值以及采用便携式玉米株高测量仪测量的实际值，进行试验结果的解析。在数据采集过程中，玉米生长状态信息数据量大，普通的终端设备无法直接进行分析，因此需要采用后台监测平台进行数据的分析。图8为双摄像机拍摄玉米株高图像信息，标志区域为实际测量区域。试验结果表明，该方法能正确提取出作物株高信息。

本文采用OriginLab 公司研发的数据分析软件 Origin8.5分析数据库信息。Origin是一款简单易学、操作灵活且功能强大的专业函数制图分析软件，利用该软件可以对数据信息进行对比分析。玉米株高与环境参数测试对比结果如表1所示。

图8　双摄像机拍摄图像

播种后天数/天气温/℃辐射/W·m-2土湿/%系统测量株高/cm实际测得株高/cm11731715.9000102236612.3089201932214.224223024.538111.00505340284159.65898850294259.3210010160314598.72143145702740810.0020821080304469.01225224

该分析系统可以导出玉米监测信息，系统测量株高与实际测得株高误差在±3cm以内，精确性高，达到了设计的要求。目前，精准农业作物长势监测系统已处于不断测试和改进中，并初步实现了玉米长势远程监控和分析诊断功能。以玉米长势分析为例，该系统利用互联网、物联网、视频图像处理、无线传感器和移动通讯等综合性技术，通过用户登录，可以实时监测其株高长势、土壤养分、虫灾等信息，实现玉米长势可视化远距离诊断的全程管理，保证玉米生长环境良好。

5　结论

近年来，各国家相继开展了农业物联网应用研究，实现了物联网在农业生产中的应用。在精准农业监测管理中，信息交互与精细化农业的实践推广，形成了良好的产业化应用格局，推动了物联网和精准农业研究发展。本文采用物联网技术，设计了一种精准农业玉米长势监测分析平台，可以实现对玉米长势的远程监测和精准分析。试验结果表明：该系统利用互联网、物联网、视频图像处理、无线传感器和移动通讯等综合性技术，通过用户登录，可以实时监测其株高长势、土壤养分及虫灾等信息，实现玉米长势可视化远距离诊断的全程管理，保证了玉米生长环境良好。