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摘要：农作物“五情”监测设备及系统基于目前成熟发达的网络技术、大数据及云计算技术，配合先进的光谱传感器技术、局域无线物联网技术、太阳能环保绿色供电技术，在现代先进农业理论的指导下实现了农作物的“五情”（肥情、苗情、墒情、虫情、灾情）监控和管理，在大田种植产业化中发挥了越来越重要的作用，是农业精确管理的重要体现，是精确农业的重要组成部分。
关键词：物联网；多光谱；智能传感器；智慧管理；农作物“五情”
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0090-03
1 农作物信息精确管理的必要性
我国是世界水稻和小麦种植面积最大、消费量最高的国家之一。发展优质、高产、高效、生态、安全的稻麦生产对于保障我国粮食安全，提高人民生活质量，促进社会经济发展具有重要作用。农作物精确管理是精确农业的重要内容之一，其中包括：肥情、墒情、虫情、苗情、灾情等五情。农作物“五情”信息的转化和监控为农业精确管理提供十分必要的手段，专家决策系统指导实现了农作物的精确管理。
传统的农作物生长信息是通过“看苗施肥”的定性方法以及叶色卡比对的半定量方法获取，这种方法缺乏定量化诊断指标，主观性较强，依赖于经验，易出现误判。作物的肥情、墒情、苗情监控管理就是实时地获取作物生长信息。施肥的精确管理不光关系到农业生产成本问题，也关系到环境保护问题，所以说，施肥的精确管理是一件重要大事。另外田间虫情和灾情信息的获取也是农作物精确管理的重要组成部分[1]。
2 监测设备的技术可行性
随着电子技术的飞速发展，尤其是物联网技术、电子微控技术、传感器技术、生物分子学技术、大数据存储技术、云计算技术的发展，为监测设备的研制提供了可靠的技术保证。
已有研究表明，农作物体内尤其是作物叶面的大多数生理变化会引起某些特定波段反射光谱的变化，利用这些特定的光谱信息可检测作物生长信息。近年来，基于作物光谱特性的遥感技术的研究获得了迅猛发展，可以实时、精确、大范围、无损获取作物生长信息及植株生化组分的信息[2]。
在遥感技术中，运用传感器来获取光谱信息，经光电转换，运用目前十分成熟的电子技术、单片机处理器技术，在程序指令的控制下完成电信号的采集和处理。
其中水分、温度、湿度、二氧化碳含量的信息也均通过相应得传感器实现电信号变送输出，使得这些物理成分含量电子信息化。
基于目前高速的3G/4G网络通讯为大容量视频数据实时传递提高了技术保障。用于查看苗情、虫情的视频监控，可以高清晰、高分辨率、24h不间断的田间监控。这些视频可实时保存，可长期保存。
灾情监控主要通过环境传感器采集天气及环境信息，包括雨量、风速、风向、光辐射度、大气压强、温度及湿度等信息[3]。
这些信息经采集终端自由无线组网，传输至该系统中的网关设备，再经GPRS、CDMA等公网上传服务器，再经专家系统决策形成管理措施，网络化为这些信息的流转提供了平台和通道。
3 系统及平台构成
农作物“五情”监测设备及平台包括：作物生长信息无线采集终端、小型气象站、高清摄像头、感知与智慧管理系统（系统如图l所示）。
3.1作物生长信息无线采集终端
研究表明：每一种物质对不同波长的电磁波的吸收和反射都不同，这种对不同波段光谱的响应特性称为光谱特性，物质的光谱特性是光谱无损监测的依据。作物组织中的各种蛋白质、氨基酸、叶绿体及其它氮素形态组分的分子结构中的化学键在一定辐射光能的照射下会发生振动响应，对某些波长的光产生吸收和反射差异，形成了不同的反射、吸收和透射光谱，这些特征与作物的发育、生长状况以及生长环境等密切相关，在可见光一一近红外波段范围内，植被反射光谱存在明显的反射、吸收特征。在作物生长过程中，不同的肥水管理条件下，不同的栽培措施条件下，作物生长状况会发生变化，会引起作物冠层反射光谱特性的变化，进而形成独特的光谱特征[3]。
作物生长信息无线采集终端监测功能的实现是以作物各组分敏感的反射光谱或吸收光谱与该组分含量或浓度的定量关系为基础的，利用光谱传感器在接触而不损伤作物组织结构或远离作物体的同时，获取作物的特征光谱信息，并分析处理这些信息，判断作物各营养匮缺程度，达到定量反映作物生长信息状况（包括氮含量、氮积累、叶面积指数和叶干重等）的目的[4]。
农作物“五情”监测设备中的肥情监控的光谱监测理论，是依托南京农业大学国家信息农业工程技术中心多年来关于稻麦生长信息敏感光谱波段及适宜带宽的研究成果，选取560nm、710nm、 720nm、810nm这4个稻麦生长信息敏感波段；采用特定波长的滤波片和光电二极管的光电转换，研制出一种实用化的基于冠层反射光谱的光电转化传感器。多光谱作物生长智能传感器设备如图2所示。
除了采集光谱信息外，还采集大气的二氧化碳的含量，土壤水分，作物冠层温度和湿度。采用无线通信的频段780MHz，将各个传感器数据信息采集经过ZigBee无线自由组网，数据上传。
数据传输网关汇集各个采集终端数据，再统一上传至决策平台。
鉴于田间电网走线条件限制，太阳能供电成为一种经济便利的供电方式，采用太阳能供电，大容量蓄电池储备电能，以备阴雨天气，太阳能受限情况。
3.2小型气象站
该系统包括一台微型气象站，其主要用于监控气象指标，为系统决策提供气象数据信息。包括气温、湿度、太阳辐射度、雨量、大气压强、风速和风向等指标，实时采集，实时显示，且保存大容量的历史数据。对于被测试地区的气象指标等参量可常年记录，为系统提供作物种植区第一手气象数据资料。系统结合气象数据合理决策[5]。
3.3高清攝像头 该系统可以监控苗情生长态势，实时远程查勘农作物苗情长势情况，高分辨率的视频摄像头动态的反应苗情长势，生动逼真的实时再现田间作物的生长动态，减少田间巡视体力劳动，这些视频数据，可与标准作物生长态势进行比照，找出差异，发现问题，为决策系统提供高品质、高标准的图片及视频资料。
3.4感知与智慧管理平台系统
基于无线传感器网络技术、数据库技术、GIS技术和农业专家决策系统等技术，耦合不同生育时期的作物生长动态，构建了精确诊断与调控模型。基于物联网技术的农田感知与智慧管理系统平台，通过运行于电脑和手机等客户端，用户通过授权登录，实时直观地了解田间作物生长情况，运用专家系统提供的各种诊断功能获悉相应的栽培、施肥、治虫、管理措施。
农作物“五情”监测设备及平台系统填补了我国目前还没有实用化的作物生长信息实时获取、传输、处理系统的空白；实现了 “五情”信息的采集、传输、处理、决策反馈的这一整套功能；实现了农情信息的监控、改善作物品质、节水节肥、提高产量、减少面源污染、綠色种植的目的。
4 结束语
农作物“五情”监测设备及平台采用成熟的电子技术，尤其是目前迅速发展的物联网技术，使得先进的农业理论及生物分子学技术的运用网络化、智能化。作物生长信息的实时采集、处理，在现代电子技术的支撑下具备了可操作性，排除了过去主观的、定性的或不具有可操作性等弊端，这些监控设备和系统的运用在大田种植产业化中发挥重大作用，为农业信息化提供基本的技术保障，使得大田种植能够实现：精确化、可视化、定量化及作物的生长态势的可持续跟踪。
参考文献
[1] 冯伟，朱艳，姚霞，等.小麦氮素积累动态的高光谱检测[J].中国农业科学，2008，41 （7）：1937-1946.
[2] ZHU Y， TIAN Y， YAO X. Analysis of Common Canopy Reflectance Spectra for Indicating Leaf Nitrogen Concentrations in Wheat and Rice EJl. Plant Production Science， 2007， 10（4）：400-411.
[3] 蒋焕煜，应义斌，谢丽娟光谱分析技术在作物生长信息检测中的运用研究进展[J].光谱学与光谱分析，2008， 28 （6）：1300-1304.
[4] N K， K S， S D. Ground-Based Canopy Reflectance Sensing for Variable-Rate Nitrogen Corn Fertilization. Agronomy Journal， 2010， 102 （1）： 71.
[5] 牛铮，陈永华，姚霞，等，基于光谱信息的作物氮素营养无损监测技术[J].生态学杂志，2007 （9）：1454-1463.
关键词：物联网；多光谱；智能传感器；智慧管理；农作物“五情”
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0090-03
1 农作物信息精确管理的必要性
我国是世界水稻和小麦种植面积最大、消费量最高的国家之一。发展优质、高产、高效、生态、安全的稻麦生产对于保障我国粮食安全，提高人民生活质量，促进社会经济发展具有重要作用。农作物精确管理是精确农业的重要内容之一，其中包括：肥情、墒情、虫情、苗情、灾情等五情。农作物“五情”信息的转化和监控为农业精确管理提供十分必要的手段，专家决策系统指导实现了农作物的精确管理。
传统的农作物生长信息是通过“看苗施肥”的定性方法以及叶色卡比对的半定量方法获取，这种方法缺乏定量化诊断指标，主观性较强，依赖于经验，易出现误判。作物的肥情、墒情、苗情监控管理就是实时地获取作物生长信息。施肥的精确管理不光关系到农业生产成本问题，也关系到环境保护问题，所以说，施肥的精确管理是一件重要大事。另外田间虫情和灾情信息的获取也是农作物精确管理的重要组成部分[1]。
2 监测设备的技术可行性
随着电子技术的飞速发展，尤其是物联网技术、电子微控技术、传感器技术、生物分子学技术、大数据存储技术、云计算技术的发展，为监测设备的研制提供了可靠的技术保证。
已有研究表明，农作物体内尤其是作物叶面的大多数生理变化会引起某些特定波段反射光谱的变化，利用这些特定的光谱信息可检测作物生长信息。近年来，基于作物光谱特性的遥感技术的研究获得了迅猛发展，可以实时、精确、大范围、无损获取作物生长信息及植株生化组分的信息[2]。
在遥感技术中，运用传感器来获取光谱信息，经光电转换，运用目前十分成熟的电子技术、单片机处理器技术，在程序指令的控制下完成电信号的采集和处理。
其中水分、温度、湿度、二氧化碳含量的信息也均通过相应得传感器实现电信号变送输出，使得这些物理成分含量电子信息化。
基于目前高速的3G/4G网络通讯为大容量视频数据实时传递提高了技术保障。用于查看苗情、虫情的视频监控，可以高清晰、高分辨率、24h不间断的田间监控。这些视频可实时保存，可长期保存。
灾情监控主要通过环境传感器采集天气及环境信息，包括雨量、风速、风向、光辐射度、大气压强、温度及湿度等信息[3]。
这些信息经采集终端自由无线组网，传输至该系统中的网关设备，再经GPRS、CDMA等公网上传服务器，再经专家系统决策形成管理措施，网络化为这些信息的流转提供了平台和通道。
3 系统及平台构成
农作物“五情”监测设备及平台包括：作物生长信息无线采集终端、小型气象站、高清摄像头、感知与智慧管理系统（系统如图l所示）。
3.1作物生长信息无线采集终端
研究表明：每一种物质对不同波长的电磁波的吸收和反射都不同，这种对不同波段光谱的响应特性称为光谱特性，物质的光谱特性是光谱无损监测的依据。作物组织中的各种蛋白质、氨基酸、叶绿体及其它氮素形态组分的分子结构中的化学键在一定辐射光能的照射下会发生振动响应，对某些波长的光产生吸收和反射差异，形成了不同的反射、吸收和透射光谱，这些特征与作物的发育、生长状况以及生长环境等密切相关，在可见光一一近红外波段范围内，植被反射光谱存在明显的反射、吸收特征。在作物生长过程中，不同的肥水管理条件下，不同的栽培措施条件下，作物生长状况会发生变化，会引起作物冠层反射光谱特性的变化，进而形成独特的光谱特征[3]。
作物生长信息无线采集终端监测功能的实现是以作物各组分敏感的反射光谱或吸收光谱与该组分含量或浓度的定量关系为基础的，利用光谱传感器在接触而不损伤作物组织结构或远离作物体的同时，获取作物的特征光谱信息，并分析处理这些信息，判断作物各营养匮缺程度，达到定量反映作物生长信息状况（包括氮含量、氮积累、叶面积指数和叶干重等）的目的[4]。
农作物“五情”监测设备中的肥情监控的光谱监测理论，是依托南京农业大学国家信息农业工程技术中心多年来关于稻麦生长信息敏感光谱波段及适宜带宽的研究成果，选取560nm、710nm、 720nm、810nm这4个稻麦生长信息敏感波段；采用特定波长的滤波片和光电二极管的光电转换，研制出一种实用化的基于冠层反射光谱的光电转化传感器。多光谱作物生长智能传感器设备如图2所示。
除了采集光谱信息外，还采集大气的二氧化碳的含量，土壤水分，作物冠层温度和湿度。采用无线通信的频段780MHz，将各个传感器数据信息采集经过ZigBee无线自由组网，数据上传。
数据传输网关汇集各个采集终端数据，再统一上传至决策平台。
鉴于田间电网走线条件限制，太阳能供电成为一种经济便利的供电方式，采用太阳能供电，大容量蓄电池储备电能，以备阴雨天气，太阳能受限情况。
3.2小型气象站
该系统包括一台微型气象站，其主要用于监控气象指标，为系统决策提供气象数据信息。包括气温、湿度、太阳辐射度、雨量、大气压强、风速和风向等指标，实时采集，实时显示，且保存大容量的历史数据。对于被测试地区的气象指标等参量可常年记录，为系统提供作物种植区第一手气象数据资料。系统结合气象数据合理决策[5]。
3.3高清攝像头 该系统可以监控苗情生长态势，实时远程查勘农作物苗情长势情况，高分辨率的视频摄像头动态的反应苗情长势，生动逼真的实时再现田间作物的生长动态，减少田间巡视体力劳动，这些视频数据，可与标准作物生长态势进行比照，找出差异，发现问题，为决策系统提供高品质、高标准的图片及视频资料。
3.4感知与智慧管理平台系统
基于无线传感器网络技术、数据库技术、GIS技术和农业专家决策系统等技术，耦合不同生育时期的作物生长动态，构建了精确诊断与调控模型。基于物联网技术的农田感知与智慧管理系统平台，通过运行于电脑和手机等客户端，用户通过授权登录，实时直观地了解田间作物生长情况，运用专家系统提供的各种诊断功能获悉相应的栽培、施肥、治虫、管理措施。
农作物“五情”监测设备及平台系统填补了我国目前还没有实用化的作物生长信息实时获取、传输、处理系统的空白；实现了 “五情”信息的采集、传输、处理、决策反馈的这一整套功能；实现了农情信息的监控、改善作物品质、节水节肥、提高产量、减少面源污染、綠色种植的目的。
4 结束语
农作物“五情”监测设备及平台采用成熟的电子技术，尤其是目前迅速发展的物联网技术，使得先进的农业理论及生物分子学技术的运用网络化、智能化。作物生长信息的实时采集、处理，在现代电子技术的支撑下具备了可操作性，排除了过去主观的、定性的或不具有可操作性等弊端，这些监控设备和系统的运用在大田种植产业化中发挥重大作用，为农业信息化提供基本的技术保障，使得大田种植能够实现：精确化、可视化、定量化及作物的生长态势的可持续跟踪。
参考文献
[1] 冯伟，朱艳，姚霞，等.小麦氮素积累动态的高光谱检测[J].中国农业科学，2008，41 （7）：1937-1946.
[2] ZHU Y， TIAN Y， YAO X. Analysis of Common Canopy Reflectance Spectra for Indicating Leaf Nitrogen Concentrations in Wheat and Rice EJl. Plant Production Science， 2007， 10（4）：400-411.
[3] 蒋焕煜，应义斌，谢丽娟光谱分析技术在作物生长信息检测中的运用研究进展[J].光谱学与光谱分析，2008， 28 （6）：1300-1304.
[4] N K， K S， S D. Ground-Based Canopy Reflectance Sensing for Variable-Rate Nitrogen Corn Fertilization. Agronomy Journal， 2010， 102 （1）： 71.
[5] 牛铮，陈永华，姚霞，等，基于光谱信息的作物氮素营养无损监测技术[J].生态学杂志，2007 （9）：1454-1463.