基于物联网的设施番茄病害预警平台研究与建设

2020-08-27黄媛李瑜玲杨英茹高欣娜武猛李海杰杜亚茹

河北农业科学 2020年3期

黄媛，李瑜玲，杨英茹，高欣娜，武猛，李海杰，杜亚茹

（石家庄市农林科学研究院，石家庄市农业信息化工程技术研究中心，河北石家庄 050041）

病虫害的发生与品种特性、栽培技术、流行病传染、害虫迁移、气象气候等多个因素有关。设施番茄种植户为了增产稳产，通过大量施用农药防治病虫害的发生，农药残留、资源浪费等问题严重。研究表明，设施番茄种植过程中，温室温度和湿度显著影响病虫害的发生[1，2]，成为影响番茄产量的主要因素。因此研究设施番茄温室温湿度与病虫害发生和流行的关系，成为有效控制设施番茄病虫害发生的重要方向。目前我国将物联网列为国家重点发展的战略性新兴产业之一，在现代农业发展过程中，推广应用物联网技术能够精确、实时监测生产环境，促进高效高产现代农业发展进程。通过采集温室环境相关数据，构建设施番茄生长发育、病害流行与设施环境条件的回归模型以及番茄病害预警系统，实现设施环境智能调控，为番茄生产提供相对适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，从而有效减缓病害的蔓延，为设施番茄绿色、高产、高效生产提供科技支撑[3，4]。

1 建设思路及架构

设施番茄病害预警平台主要分为数据层、业务层、通讯层、设备层和应用层（图1）[5]。

1.1 数据层

数据层主要包含数据监测和数据库的构建。数据监测的手段包括人工采集、传感器监测和PDA+GPS数据采集记录。记录多年设施番茄全生育期生长发育所处环境数据，这些数据汇集储存为环境监测数据库、环境因子数据库、蔬菜病害数据库，用以分析番茄不同温棚的环境、各生育期的环境、发生病害并流行蔓延的环境特点。

1.2 业务层

利用环境监测数据库、环境因子数据库、蔬菜病害数据库所得数据，运用Logistics 回归分析，得到番茄病害预警模型和温室环境控制模型，作为设施环境智能化控制的决策核心。

1.3 通讯层

通讯层以Wi-Fi 传输为主，同时保留数据传输协议的多样性，数据采集设备保留多协议接口，为安全的数据通道提供保障。

1.4 设备层

设备层包含摄像头、温室气象站、无线传输网桥、设备控制柜、电脑终端和移动终端等，通过布设设备网，确保在种植过程中可及时收集环境信息、发现病害动态，有效传输环境信息、预测病害走势，精准调控设施设备、阻止病害流行，保障设施番茄病害预警平台可远程监测、可智能控制。

1.5 应用层

设施番茄病害预警平台包含视频监控功能、智能调控功能、病害预警功能和专家视频会商，可精准提升设施农业生产管理水平和科研人员之间协同创新能力，以及行政管理部门培训服务水平。

图1 平台系统架构Fig.1 Platform system architecture

2 模块功能设计

2.1 数据监测

小型气象站是数据监测系统的核心。该气象站集成了无线移动通信网络模块、空气温湿度模块、土壤温湿度模块、光照强度模块等，拥有无线采集的传感设备，可实现多传感器设备数据的协同感知。气象站以嵌入式微处理器MSP430 为核心，外围集成供电单元、数据存储单元、无线收发模块、数字传感器接口与高精度ADC、信号适配调理电路及传感器组。实现了微处理器单元控制其他各个单元模块的供电和工作；由控制环境数据采集、存储、显示、报警和远程传输；对采集的传感器数据进行基本的数据处理，通过无线收发模块连接至远端服务器，发送命令、上报数据以及接收设备配置指令；通过信号适配调理电路，连接多种传感器，实现不同类型环境参数的协同感知[6]。

小型气象所保存气象环境数据。通过“实时数据”“历史数据”2 个平台栏目实现展示、查询、下载功能，并且提供可视化服务（图2）。环境数据分为“正常状态”“预警状态”“异常状态”3 种类别，当预警平台在当天产生预警时，环境数据呈现黄色“预警状态”，当空气温度超过阈值范围（＜5 ℃或＞55 ℃）或数据停止更新时，环境数据呈现橘色“异常状态”，不同颜色的状态提示及数据可视化便于管理者实时掌握设施环境，及时处理突发事件，实现环境优化管理。

图2 实时数据展示页面Fig.2 Page of real-time data presentation

2.2 智能控制

运用Logistic 回归分析与检验，分析设施环境的空气温湿度、土壤温湿度与番茄病害流行之间的关系[7～10]，并通过迭代拟合，构建番茄病毒病流行预警模型（1）和番茄茎基腐病流行预警模型（2），实现平台的智能控制。环境采集系统通过传感器采集的温室内环境数据，自动筛选当天24 h 内采集的空气温度、空气湿度、土壤湿度数据极值，通过模型（1）和（2），计算输出番茄病毒病与茎基腐病的流行概率值，当流行概率＞65%时，将在预警日历上显示红色警铃，并发出预警信息。当预警日历中前一日出现红色警铃时，管理者应密切关注温室空气温湿度和土壤温湿度，及时采取措施，以改变病害易流行的环境状态；当预警日历中连续5 d 出现红色警铃或间隔1～2 d 连续3 次出现红色警铃时，应在及时改变温室环境条件的同时，喷施药剂，预防病虫害的发生。喷施药剂过程中，注意轮换使用推荐药剂，避免产生抗药性。

番茄病毒病流行预警模型为：

式中，Pa为番茄病毒病流行概率（%）；Ta为当日空气最高温度（℃）；Ha为当日空气最低湿度。

番茄茎基腐病流行预警模型为：

式中，Pb为番茄茎基腐病的流行概率（%）；Tb为当日空气最高温度（℃）；Hb为当日土壤最高湿度。

2.3 通讯管理

由于农田设施网络基础环境条件各异，采用平台通讯管理采用无线传输方式为主，节省了有线网络的铺设成本，避免了对耕地的破坏以及复杂野外环境的影响。设施内小型气象站设置了无线传输模块，将数据直接发送至服务器，同时气象站各种传感器保了留COM、GPRS、3G、Wi-Fi、Internet 等多协议接口，管理者可在网络故障等意外情况下进行手动数据下载，确保了数据的安全性与完整性。根据设施番茄管理经验，各个设施之间的控制管理设备（如摄像头、控制柜等）相对独立，每个设施内的控制终端通过无线网桥进行数据通联，确保各个温室的通讯控制圈相对封闭，避免不同管理者交叉操作引起冲突，在发生故障时也便于排查维护。

2.4 设备应用

设施番茄病虫害预警平台的应用设备包含监测设备、控制终端和设施环境调控设备。监测设备包含摄像头、小型气象站等，主要负责数据采集、图像和数据信息保存至平台数据库。控制设备包含控制柜、电脑终端和移动终端，主要对设施环境调控设备发布命令。设施环境调控设备一般包含设施通风、灌溉、补光等设备，通过安装电机、电磁阀、总控开关等，对设施风口、棉被、卷膜、风机、湿帘、灌溉管道等设备进行信息化改造，管理者可根据设施番茄病害预警平台的监测数据及管控建议进行远程调控。

2.5 应用系统

设施番茄病害预警平台是一个基于Web Service的软件服务平台。该平台以Java 语言为基础，在Tomcat 服务器上集成了配置简单明了的Struts2 框架；Spring 框架和Hibernate 框架让用户能够通过网络及时对远程监控端环境进行查看、分析、预警和调控。为番茄病毒病的预警控制系统提供了良好的人机交互界面[11～13]。

3 病虫害预警平台功能实现

3.1 系统登录与用户管理

平台设置了两级用户权限，平台总管理员和平台普通用户。总管理员可以添加设置其他所有普通用户的设备权限，并可以总控系统内所有监测、调控设备，可添加平台内各类视频、图片、文字信息。普通用户作为某一设施或地块的种植管理者，在申请平台使用权限时，由总管理员设置了各自设施内监测控制功能的使用权限，这样避免了不同管理者对平台控制功能的交叉操作引发的管理失误等。

3.2 视频监测与数据查询

设施番茄病害预警系统需要高清视频监控与实时环境数据采集，为管理者进行病害预防管理提供重要参考。视频监控摄像头可进行23 倍光学变焦，500 m内可观察到单叶、单果的生长状态，便于管理者在预警发生时远程观察设施内番茄生长情况，同时可拍摄影片、图片作为参考资料。环境数据采集依靠小型气象站，各类传感器采集数据间隔时间可自行设定，病害高发期可将环境数据采集频次设定为4 次/h，非病害高发期环境数据采集频次可调整为1～2 次/h，数据可随时查询与下载。

3.3 病害预警与专家视频会商

平台通过温室环境智能控制模型和病虫害预警模型，建立了专业的番茄病虫害预警分析数据库，可实现设施番茄病虫害自动预警，补充了平台阈值预警的单一模式，实现了环境参数连续积累的自定义预警[14]。病害预警平台设有番茄常见病介绍、预警信息、药品推荐、专家视频会商等功能，番茄常见病介绍主要包括典型症状、发病原因和防治措施，通过图片集的形式，向管理人员和研究人员介绍番茄的病毒病、茎基腐等病害发病情况（图3）。预警信息功能是基于设施内的全天候实时视频与环境监测数据，以日历的形式展示病害流行威胁的程度，每天根据设施内的空气温湿度数据进行逻辑计算，根据预警概率设定进行判断，当预警概率＞65%时以红色警铃图标提醒“当天的番茄病害发生概率较大”，管理者可根据种植经验及平台管理提示信息及时管控环境，以防止番茄病害的大规模流行（图4）。药品推荐功能是针对番茄常见病害向设施管理者和科研用户推荐药品，早日预防以保证产量（图5）。专家视频会商功能是病害预警功能的延伸，农业专家可远程进行一对一或一对多的咨询、指导和培训，解答设施番茄农户种植过程中的各种问题，及时预防番茄病害的发生与流行（图6）。