基于物联网技术的水稻生长信息动态监控系统研究

滕雯馨，苏 菁，黄德豪，聂天军，吕 玲，韦柳红

（1.南宁市青秀区长塘镇农业和农机技术推广站，广西 南宁 530212；2.广西力拓米业集团有限公司，广西 530021）

目前结合物联网技术，进行水稻生长动态监控系统工作具有非常大的意义。水稻作为我国主要的粮食作物，种植历史悠久，积累了很多种植经验。但是采用传统的作业方式，不仅难以保证水稻的质量、效率，还需要花费非常多的经费，水稻种植期间会受到土壤肥力、水分、病虫害等因素的影响，导致水稻产量以及质量大幅度下降。如何才可以在水稻生长期间做好防控工作，将外界环境对水稻种植的影响降到最低，是水稻种植工作需要重点研究内容。在物联网技术出现后，使水稻管理工作有了极大的发展。

1 系统考核指标

水稻物联网信息智能管理平台需要申请专利，同时还应该制定生产技术规程，培养相应工作人员进行水稻种植。在水稻生产管理中，还应该实现项目精细化管理。比如，广西力拓米业集团农业开发有限公司，应用基于物联网技术的水稻生长动态监控系统，进行有机水稻种植作业，可以保障每年水稻种植节约用肥每亩460元，年亩节省人工成本25万400元，同时节省农药每亩250元，实现项目新增效益。

在物联网技术作用下，可以使动态监控效果大幅度提升，通过精准调控掌握水稻生长的动态信息。除此之外，在物联网技术作用下，还可以提升动态监控水平，实时掌握水稻生长情况。在水稻种植期间，根据种植水稻试验田的工作情况，选择有效穗数、株高、叶绿素含量这三种性状作为监测对象，通过人工测量数据比对，监控水稻这三方面性状，根据动态监测得到的结果，合理应用生产资源，使水稻管理工作顺利进行，提升水稻种植工作的质量和产量。

2 设计概述

2.1 设计原理

在物联网技术出现后，将其引入到水稻种植作业中，加强动态监控能力，考虑到水稻种植的特征，需要基于物联网技术架构，建立田间信息采集体系，通过动态信息监控系统，提升水稻种植监控水平，加强系统智能分析强度，并借助自动化传输功能，实时监测水稻生长情况，借助网络渠道传递视频监控数据，从而实现远程动态监控。

为了提升远程监控水平，应该在动态监控系统中，融入射频识别技术，动态监控能否真实地反映水稻生长数据，需要强化视频数据生成的精度，所以还应该结合光谱分析技术，通过设备拍摄水稻生长期间的产量现状、形态形状、病虫害程度，光谱分析水平越高便可以使设备生成的视频数据更加精准。水稻生产管理工作各项指标的判定都是基于视频数据基础形成的，所以视频数据是否能还原水稻真实的生长情况异常关键。与此同时，还应该根据水稻生长的不同时期，计算水稻生理状况评定生理指标，计算水稻产量潜力，同时应该根据当地土质条件、自然气候特征，计算水稻生长周期，加强精细生产调控力度，从而在水稻生长期间，及时向其提供生长需要的养分，还能在极大程度上，防止病虫害对水稻质量造成的影响，在一定程度上缩短水稻生长周期。在动态监控期间，实时观察水稻生长情况，做好病虫害防护工作，并根据土质条件以及水稻所需的养分，进行施肥，在保证水稻增产的前提下，大幅度提升水稻质量，从而达到节水减肥的目的，有效地控制住水稻生产的总体成本。

2.2 方案设计

我国目前开展农业生产工作时，根据物联网技术设计出适合于水稻生产管理的方案，借助现代技术如网络信息技术、大数据技术，完成数据采集、视频信息传输、数据后台分析处理等工作，保证每个环节顺利开展，这是实现远程监控的重要基础。除此之外，还应该重视视频数据的收集工作，保证设备可以读取水稻的生长动态信息，并将其传送到后台中进行处理，设备拍取水稻的动态信息越精确，便可以更精准地分析水稻在当前阶段的生长情况，通过数据采集水稻生长信息，在感知获取控制等工作下，完成视频信号的传输，并使用4G网络感应启动信息传输渠道，将视频数据传送到后台进行分析，在数据分析模块中整理出水稻生长的情况，并根据数据库匹配信息，分析视频数据结果，调取管理方案，实现水稻生长的精准调控。

水稻生长调节系统作为整项方案的中枢环节，起到传递信息发送指令的作用，并根据分析得到的结果，整合当地资源，实现针对性智能化、自动化种植作业。在物联网技术应用下，可以使水稻生长管理更为科学，还可以降低人力输出，节省工作成本。进行水稻动态监控生产管理期间，在物联网技术的作用下，植物工厂可以根据视频数据，调节系统发出的管理指令进行管理工作。除此之外，还可以通过视频监控系统，执行水稻生产精细管理作业，合理利用当地资源，防止外在光照温度对水稻生产造成不良的影响，提高水稻的产量和质量。基于物联网技术进行水稻生产管理，其目的性非常强，可以按照设计人员的设计方向进行管理工作，这样还能极大程度地简化工作难度，保证管理工作取得良好的效果。

3 系统组成

水稻生长信息动态监控系统包含数据处理、服务器采集装置、信号传输装置、视频数据采集设备、后台管理系统，在物联网无线传输技术作用下，使各部分可以连贯在一起。进行视频数据的采集工作时，以计算机视觉技术作为媒介，通过设备采集水稻生长期间的光谱反射率，并以水稻的叶绿素性状作为视频数据采集指标，采用光谱技术在光谱仪中，进行视频数据分析工作。与此同时，需要使用光伏设备了解水稻植株氮氧含量，根据光谱反射率，计算水稻植株中氮素的含量，构建水稻植株含量预测模型，根据正常水稻叶绿素以及氮素含量，考虑水稻生长期间所需的营养成分，从而及时根据视频数据分析得到的结果，发出指令，进行水稻管理工作。

信号传输装置在水稻生长信息动态监控系统中非常重要，可以实现数据处理器与视频采集装置对视频数据信号的传递以及指令的发布，在物联网技术下通过网络平台，传递信号并使用COFDM调制技术，确保数据传输的精准性与可靠性；数据处理服务器可以接收田间视频系统拍摄的视频数据，及时分析数据内容并在操作人员以及技术人员的帮助下，建立水稻生产知识库，根据数据分析得到结果与数据库内容进行匹配，借助信息图谱在windows ce环境的串口分析数据、下达指令，提升系统的运行效率并及时根据数据平台输出管理指令，进行水稻生产管理作业；后台管理系统在水稻生长信息动态监控系统中，可以及时接收数据处理服务器反馈得到的结果，并根据数据库内容，根据水稻生长信号对应的模块信息，及时作出反应，并由计算机控制系统发出指令执行养分供给或除草喷剂等工作。不仅如此，水稻生长信息动态监控系统构建时，根据以往水稻生产管理的工作经验，配备智能化自动化的工作设备，比如光温调节设备、除草剂喷洒设备、施肥设备，在后台管理系统发出针对性指令后，便可以通过控制模块，将工作分配给相应设备进行作业，完成相关的任务。

应用信息技术，通过远程异地监控，掌握水稻生长的情况，通过生长信息的整合处理，能够使水稻生产管理实现自动化、智能化发展。但是在当前阶段，应用物联网技术进行水稻智能管理的研究仍存在一些问题，首先水稻生长受到季节的影响，同时生长各阶段需要注意的问题有极大的差异，在每个生长阶段应该根据以往的种植经验，按照水稻生长特征，合理设计水稻生产管理内容，根据收集的水稻生长动态数据，整合数据内容，并将水稻生产变量参数作为水稻动态管理的凭据，合理使用农药水肥等，降低外在因素对水稻生产的影响。在物联网技术作用下进行动态监控作业，还能减少水稻生产所需的劳动力，简化工作难度，大幅度地提升水稻产量和质量。

4 田间试验

基于物联网技术，构建水稻生长信息动态监控系统，通过现代传感技术结合计算软件，掌握水稻生长情况。通过可视数字化管理以及集成应用传感器网络，实现水稻生产状况的全程跟踪，实现水稻智能化自动化生产，减低水稻种植成本。除此之外，使用稻米全产业链物联网控制溯源系统，可以大幅度提升水稻生产的效率，使水稻生产可以在智能化、自动化作用下，提升水稻生产的质量以及产量。以下针对湖南长沙植物工厂的田间试验，分析水稻生长信息动态监控系统应用情况。

选择的植物工厂，土壤为平原区浅域水稻土，土壤的含氮量、有机质含量、速效磷含量、速效钾含量、pH值均符合水稻种植要求，并在附近等市场中购买水稻种子，分区进行水稻种植作业。

水稻于7月进行播种，并在7月底-8月初按照田间土地规划实行种植，行距为20厘米，株高距为16厘米。在水稻种植期间，根据视频监控系统收集植株生长情况，并将水稻植株生长情况以视频数据的形式，借助物联网络传输到后台，分析系统中通过数据处理，得出分析结果并将其与数据库进行匹配，交由控制系统发出指令。在本次田间试验中，将有效穗数、叶绿素以及株高作为视频监控的性状实时记录，并向系统传递数据分析水稻生长期间叶绿素含量，根据分析结果合理开展管理工作。水稻生长期间根据视频数据，采用水稻生长信息动态监控系统进行生产管理工作，无疑可以降低劳动成本支出，同时还可以有针对性地开展管理干预，从而使水稻生产管理水平直线上升。

在田间实验中还发现，灌浆水稻由于充实度较高，出现了一定的下垂，人工测量株高与物联网监控株高，存在明显的差异。通过各项实验证明互联网监控在水稻植株监测方面精准性更高。借助物联网监控设备以及数据处理系统，可以有效评定水稻有效穗数，并根据建立的数据库设定生产参数，分析水稻品种内叶绿素含量，及时发出指令，由已经匹配好的各种设备开展种植作业。在设备拍摄水稻生长情况，将其以视频数据的形式，由服务器传入后台管理系统，得出视频数据分析结果后，便可以匹配相应的指令开展生产管理工作，提升水稻产量和质量。

5 结语

应用物联网技术提高水稻动态监控水平，收集视频数据，掌握水稻生产的情况，并借助光谱分析以及信息传输技术，分析水稻生长期间所需的营养成分，及时予以提供。在田间试验中，使用互联网水稻生长信息动态监控系统进行水稻种植作业，与传统人工测量方式相比，不仅节省人力输出，同时还能降低工作强度。动态监控系统会收集水稻生长期间有效穗数、叶绿素以及株高等性状，使用数据分析软件分析传送，在光谱分析后，掌握水稻在当前阶段的生长情况，整合当地资源，做好水稻维护工作。通过动态监控，及时为水稻提供所需的养分，并做好病虫害防治工作，从而在极大程度上提高水稻产量和质量。