基于物联网技术的粮食作物生长远程监控与诊断平台研究

第３６卷第４期　２０１５年７月　中国农机化学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｖ０１．３６　ＮＯ．４　

Ｊｕ１．　２０１５　

基于物联网技术的粮食作物生长远程监控　与诊断平台研究＊　

臧贺藏，张杰，王来刚，胡峰，李国强，杨春英　（河南省农业科学院农业经济与信息研究所，郑州市，４５０００２）　

摘要：为提高大田粮食作物生产效益，基于视频监控、物联网传感器和网络通信等技术，本文初步设计并实现了粮食作物远程监测与智能　诊断管理平台。该平台通过远程监控技术可以实时监测粮食作物生长过程中的关键环境因子、作物长势以及视频图像等参数信息，从而　实现信息的实时采集，进而保证大田粮食作物最适宜的生长环境。该平台在大田粮食作物生产中进行试用，能同时实现生产现场远程视　频监视和咨询诊断功能，有利于提高农业精细化管理水平。　关键词：物联网；粮食作物；系统构建；远程视频监控；咨询诊断　中图分类号：Ｓ１２６　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５—５５５３（２０１５）０４—０１８５—０５　

臧贺藏，张杰，王来刚，胡峰，李国强，杨春英．基于物联网技术的粮食作物生长远程监控与诊断平台研究ＥＪ］．中国农机化学报，２０１５，３６　（４）：１８５～１８８，２０８　Ｚａｎｇ　Ｈｅｃａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｅ，Ｗａｎｇ　Ｌａｉｇａｎｇ，Ｈｕ　Ｆｅｎｇ，ＩＡ　Ｇｕｏｑｉａｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｃｈｕｎｙｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｇｒａｉｎ　ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＥＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１５，３６（４）：１８５￣１８８，２０８　

０　引言　中国农业发展面临着资源短缺、生态环境恶化、资　源的高投入、粗放式经营、农产品质量安全等问题的严　峻挑战，发展现代农业已成为必然选择［１］。作为人口　大国，要保障粮食生产的安全性和可持续发展，必须大　力发展现代农业信息技术［２　］，尤其是以物联网技术为　代表的高新技术。物联网作为现代信息技术的新生力　量，是推动信息化与农业现代化融合的重要切人点。　在粮食作物生长发育过程中，易受环境复杂多变影响，　如何准确预测环境胁迫和作物长势等重大农情，实现　远程监控与诊断管理，是目前精准农业管理中亟待解　决的重大技术难题。因此，必须大力发展农业物联网　技术，这对于保障国家粮食安全、提高我国农业可持续　发展和国际竞争力均具有重要意义。　我国物联网技术的研究仍处于初步探索和试验　示范阶段，尤其是在大田粮食作物生产中的研究非　常少。近年来，主要粮食作物易受环境和灾害影响，　其监测的自动化和生产管理过程的智能化水平低，　信息获取滞后且综合性差等问题，严重影响粮食作　物生产过程快速决策管理　］。夏于等　设计了小麦　苗情远程诊断管理系统，可对小麦生产过程和主要　气象灾害进行精准监测和快速诊断；孙忠富等［７　开发　的温室远程数据采集和信息发布系统，可以获取环　境信息和作物生长信息；张琴等［８］构建了小麦苗情远　程监测与智能诊断管理系统，可以获取田间现场环　境信息，并结合专家知识数据库，可对小麦长势、干　旱和冻害进行监测。于海洋等＿９　开发了农作物苗情　监测系统，可实现对农作物长势、产量及品质监测。　但这些系统大多数存在结构设计简单、功能单一、采　集的数据未进行深层次挖掘和处理、研发与应用成　本过高等问题，无法实现大面积对粮食作物生长环　境进行远程监控和视频诊断。为此，本研究设计并　构建了粮食作物远程监控与诊断平台，可以对粮食　作物生长过程进行综合监控与智能诊断，进而满足　对试验田进行远程监测、远程控制、专家会诊等在线　管理和服务要求的综合性物联网平台，为农业进行　科学管理提供辅助决策支持，对提高资源利用率和　劳动生产率，加快农业发展方式转变和农业现代化　进程具有重要意义。　

收稿日期：２Ｏ１４年４月３日　修回日期；２０１４年５月２７日　＊基金项目：河南省重大科技专项项目（１２１１００１１０９００）；河南省农业科技创新项目（豫财贸Ｅ２ｏ１３］１５６号）；河南省重点科技攻关（１４２１０２１１００７１）；河南　省财政支持农业科技创新项目（豫财贸１－２０１２］１７９号）　第一作者：臧贺藏，女，１９８３年生，河南驻马店人，博士，助理研究员；研究方向为农业物联网技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚａｎｇｈｅｃａｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ　通讯作者：杨春英，女，１９６３年生，河南镇平人，研究员；研究方向为农业信息技术　Ｅ—ｍａｉｌ：Ｃｈｕｎｙｉｎｇｙａｎｇ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｒｎ　！里奎　兰堡　！！　！！　监测系统研究ＥＪ］．自动化技术与应用，２００９，２８（１０）：６１～６３．　Ｗａｎｇ　Ｆｕｌｕ，Ｆａｎｇ　Ｊｕｎｌｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉｈａｉ．Ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ｛ｏｒ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ＥＪ］．Ｔｅｃｈ—　ｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００９，２８（１０）：６１～６３．　Ｅ２１３纪建伟，鲁飞飞．ＺｉｇＢｅｅ技术在农业环境监测系统中的应用与研　究［Ｊ］．农业网络信息，２０１１，（１）：２４～２７．　Ｊｉ　Ｊｉａｎｗｅｉ，Ｌｕ　Ｆｅｉｆｅｉ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ＥＪ３．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，　２Ｏｌ１，（１）：２４～２７．　Ｅ２２］赵炜，唐振民，曹洪鑫，等．设施农业无线传感器网络系统设计与　实现ＥＪ］．中国农机化，２０１２，（６）：１２６～１３０，１３４．　Ｚｈａｏ　Ｗｅｉ，Ｔａｎｇ　Ｚｈｅｎｍｉｎ，Ｃａｏ　Ｈｏｎｇｘｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎ—　ｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ＥＪ］．　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｈｕｒｅａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１２，（６）：１２６～ｌ３０，１３４．　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｃｕｉ　Ｚｈｏｎｇｈｕｉ’～，Ｚｈａｏ　Ｊｉａｎｐｉｎｇ’，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉｎ　，Ｌｉｕ　Ｘｉｎ　，Ｚｈｅｎｇ　Ｗｅｎｇａｎｇ　（１．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｑｕｆｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｕｆｕ，２７３１６５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００９７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＡＤ　ｈｏｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｓｉｎｇｌｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｓｅｎｓｅ　ｎｏｄｅ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ＺｉｇＢｅｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｍｅｒｉｃａ　ＤＩＧＩ　ｃｏｍｐａｎｙ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＸＢｅｅ　ｍｏｄ—　ｕｌｅ　ａｎｄ　ＴＩ　ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ＭＳＰ４３０Ｆ５　ｓｅｒｉｅｓ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ａｄｏｐｔｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ＺｉｇＢｅｅＭｅｓｈ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｔｙｐｅｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ　ｄｉｇｉｔａｌ，ａｎａｌｏｇ，ＳＤＩ一１　２　ａｎｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｔｙｐｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｌｏｗ　ｐａｃｋｅｔ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔｓ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｕｐ　ｔｏ　１．３　ｋｍ，ａｎｄ　ｗｈｏｌｅ　ｄｏｒｍａｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｓ　ｌｏｗ　ａｓ　ｌＯＯｕＡ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｐｏｗ—　ｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｐａｎｅｌｓ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｒａｐｉｄ，ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ；ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ＺｉｇＢｅｅ　

（上接第１８８页）　［８］张琴，黄文江，等．小麦苗情远程监测与诊断系统口］．农业工程学　报，２０１１，２７（１２）：ｌ１５～１Ｉ９．　Ｚｈａｎｇ　Ｑｉｎ，Ｈｕａｎｇ　Ｗｅｎｊｉａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｆｏｒ　ｗｈｅａｔ　ｇｒｏｗｔｈ　ｗｉｔｈ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　２０ｌ１，２７（１２）：１ｌ５～１１９．　Ｅ９］于海洋，刘艳梅，等．基于空间信息的农作物苗情监测系统ＥＪ］．农　业现代化研究，２０１３，３４（２）：２５３～２５６．　Ｙｕ　Ｈａｉｙａｎｇ，Ｌｉｕ　Ｙａｎｍｅｉ，ｅｔ　ａ１．Ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓ　ｔｅｒｎｓ　ｆｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｒｏｐ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｍｏｄｅｒｎｉｚａ—　ｔｉｏｎ，２０１３，３４（２）：２５３～２５６．　Ｅ１０３王志良．物联网现在与未来［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０．　Ｅｎ］董方敏，王纪华，等．农业物联网技术及应用［Ⅳ口．中国农业出版社，２０１２．　［１２］高峰，俞立，等．基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统