运用物联网和大数据驱动的农业病虫害监测技术研究

徐珍玉，梁德明，潘 威

（AWL农业科技（泰州）有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引言

农作物病虫害一直是农业生产管理的一大难题，为避免严重的病虫害带来的损失，不少农户都加大农药使用量，从而引起农产品的农药残留量过大，这也是当前食品农药残留超标问题的根源所在。农业物联网技术在病虫害防治与预警方面的应用使这种情况得到了解决，现阶段我国的农作物病虫害的预警，主要还是依赖人工与自动化相结合的模式进行采集[1]。不过随着当前物联网、大数据技术以及农作物本体感知技术的快速发展，一些地方在农业病虫防治方面，已经开始较大规模地使用自动化采集技术，极大地提高了农业病虫的防治效率。

1 农业病虫害监测系统设计原则

运用大数据、物联网技术的农业病虫害监测系统，针对不同类型农作物病虫害的具体情况和特点，并且需要遵循国家关于农业病虫害防治的相关要求标准，要注意安全性、可靠性以及技术的先进性等，具体如下。

1.1 确保系统设计的安全性和可靠性

安全性和可靠性是农业病虫害监测系统在设计时需要遵循的基础原则，病虫监测系统必须安全，既不能给用户带来安全隐患，也不能对周围的环境造成安全隐患。系统设计还应可靠，包括应用技术可靠，选用的设备、系统架构等方面，要运行稳定。在应用新技术和新设备方面，需要综合考虑病虫害监测的需求，在保证实现监测目标的前提下，综合考虑系统设备的成本等综合因素。设计的系统监测病虫害产生的数据信息等，需要维持在一个相对比较高效、均衡的数值范围内。

1.2 保证系统技术先进性和开放性

在农业病虫害监测系统设计的技术运用方面，系统运用大数据、物联网以及人工智能等技术，应考虑使用目前农作物病虫监测预警领域比较先进的技术，在确保系统能够稳定运行的基础上，尽可能的选择技术水平领先、功能丰富的技术体系，以确保在今后几年时间内，系统应用的技术不落后[2]。另外，系统的设计应该保持一定程度的开放性，为后续相关新的技术、系统的应用和嵌入预留一定的空间。

1.3 系统维护简单具有可延展性

在实践中，病虫害监测系统发生故障或者出现问题，应能够进行维修，如果维护过于复杂，而且每次维护需要耗费较多的时间和人力成本，则会导致使用的成本增加。因此，要考虑病虫监控系统在日常作业过程中可能出现的问题，以及如何才能够更加简单、快捷地进行维护。整体系统不能是封闭的，需要考虑相关功能和技术的延展性，保证前期和后续的投入能够有效衔接。

2 农作物病虫害智能化监测站设计

农作物病虫害智能化监测站建设内容主要包括基地信息化建设和智慧农业物联网平台建设。基地信息化建设通过智能虫情测报系统、智能病害监测系统、生物实时预警监控系统、害虫自动性诱监测仪、农业环境监测系统以及太阳能供电系统等相关设备实现对每个监测点的农作物生长的环境、病虫害情况等详细参数信息的精确化监测。测量结果可以在监测站的大屏电视机和LED屏上实时展示，同时可以将数据上传至综合分析平台，进行智能化的数据分析处理，在结合农作物病虫害防治管理的具体标准，能够提供更加合理的防治策略和具体建议。智慧农业物联网平台建设实现了基地农作物信息化管理。通过网络可以远程实时管理在基地的智能化监测设备，为生产决策提供即时有效的信息和管理工具。

2.1 基地信息化建设

2.1.1 物联网智能虫情测报系统设计

智能虫情测报系统主要由害虫诱捕装置、害虫收集装置、害虫灭杀装置、害虫散虫装置、高清摄像机与光源、履带传送装置、控制器、显示器、电源与防雷系统、网络传输模块等组成。每个监测点安装一套虫情设备，可以安装在监测点的任何位置[3]。测报灯会对设定时间段内收集的害虫分别进行分段存放、拍照与计数，测报灯内置1 200 W高清工业摄像头，通过系统设置或网络远程设置后自动拍照，将现场拍摄的图片发送至监测平台，平台整理并计算每天的数据，形成数据库，以供农业专家远程诊断。

2.1.2 智能病害监测系统设计

智能病害监测系统主要由孢子捕捉装置、孢子承载装置、图像采集装置、网络传输模块、电源与防雷系统等组成。该系统利用现代光电数控技术，实现远程自动捕捉各种花粉和孢子信息、自动更换载玻片、自动拍照、图片数据自动上传、自动运行等功能。可根据需要，实时将环境气象和孢子病害情况上传到指定网络平台，专业分析人员可在平台对每个时间段内收集到的孢子进行手工分类与计数，形成孢子测报数据库，供专家远程对病害的发生与发展进行分析和预测，为现代农业提供服务，满足病情预测预报及标本采集的需要，及时防止病害发生。

2.1.3 生物实时预警监控系统设计

生物实时预警监控系统由摄像、传输、控制、显示、存储五大部分组成。根据不同农作物品种的防虫害预警要求，在农田中的指定区域安装固定式枪式摄像机和360°远红外摄像机各一套，用户通过视频系统可清晰直观的实时查看病虫害情况，并对突发性异常事件的过程进行及时监视和记忆，提供及时高效地指挥和调度，一般情况下，需要在每个监测点安装一套。

2.1.4 农作物病虫自动监测系统

在实现对农作物病虫预警监控的基础上，还要能够对害虫进行自动监测，随时观察农作物病虫情况的变化。在本研究中，借鉴当前农业病虫监测领域应用较多的害虫自动性诱监测仪设备的技术，设计农作物病虫自动监测系统，实现对农作物在生长各个阶段病虫防治的精细化、科学化管理[4]。

2.1.5 利用田间小气候监测技术实现对农业环境的监测

农业环境监测系统由数据采集终端和各种环境传感器组成，仪器可将采集的传感器数值通过GPRS/WIFI网络传输至远端服务器或存储至采集终端待客户下载，也可根据客户需要将采集值实时显示至现场LED屏。现场监测到的数据通过GPRS/3G/4G网络发送到中心云平台，用户可登陆网页查看详细的墒情信息，通过摄像机远程观察植物的生长状况。数据稳定可靠，可及时反应环境中的各项参数状况，为农业病虫防治提供数据化的管理技术支撑，特别适合无人长期观测农作物生长环境与现场状况的场合。

2.2 智慧农业物联网平台建设

智慧农业物联网管理平台以先进的信息采集系统、物联网、云平台、大数据以及互联网等信息技术为基础，各级用户通过Web、PC可以访问数据与系统管理功能，该系统主要包含以下几种模块。

2.2.1 “四情”监测模块

“四情”检测模块包括虫情监测、孢子监测、气象墒情监测和苗情监测，每个模块的主要功能包括虫情、孢子、气象墒情、苗情等信息实时查看、手工录入功能、统计分析功能、预警管理等功能。小气候观测站数据采集模块，按照特定的通讯协议，实现对前端各个气候观测站进行数据采集，同时可灵活设定采集间隔。采集空气湿度、光照时间以及强度和风速、雨量、土壤、土壤pH值等指标[5]。在实际作业中，田间的智能虫情监测设备，对农作物病虫进行捕杀，这种灭虫方法主要是通过物理方法捕杀农作物病虫，符合当前农业病虫防治领域对绿色环保的要求。检测模块中病虫灾情采集信息系统，将采集到农作物病虫数据信息，以图像、视频等方式，通过移动网络传输到智能监控服务平台，技术人员通过智能终端设备就可以随时观察农作物的病虫害情况，从而采取有效的病虫防治措施。

2.2.2 视频监控模块

在农作物的种植区域，安装有视频监控设备，通过系统中的视频监控模块，用户可以比较清晰地观察作物的生长环境及其生长状态，而且该模块系统允许用户选择需要重点监控的位置，还可以快速转换生成视频图像。

2.2.3 设备设置管理模块

通过设备管理模块，用户可以远程控制设备，随时发布拍照指令、转仓指令、开关灯等操作，也可以远程设置采集间隔、时间间隔、工作时段等参数，无需去现场更改。

2.2.4 地图查看模块

通过地图查看模块，用户可以在地图上查看所有设备的位置信息，单击设备点图标，可以查看设备详细信息。还可以设计手机APP端查询模块，从技术上来说，该系统能够与智能终端设备进行数据信息交换，用户借助智能终端设备可以清楚方便地查看相关的数据信息，并对系统的设备进行操作[6]。农作物的虫害灾情数据信息可通过手机APP在线观看，工作人员可随时随地查看相关的检测数据，随时了解气象相关信息。可通过手机对前端采集的情况进行随时监控，有助于管理更便捷化、高效化。

2.2.5 组织架构模块

通过组织架构模块用户可以添加多级子账号，管理员可以根据用户类别设置相应的用户权限。这就使得农业生产管理过程中，用户能够运用该组织架构模块，进行更加合理的职责划分，使得大规模的病虫灾害分级、分类防治更加科学合理。

2.3 动力系统

上述的基地信息化系统、智慧农业物联网平台的需要为其设置电力支持系统，本文在研究过程中，提出的动力系统是太阳能系统。在农田里太阳能资源相对充足，尤其是在我国的北方地区，白天利用太阳能光伏发电为蓄电池进行充电，蓄电池通过控制器进行管理；同时为用电设备提供电源。若阳光资源不好，则控制系统会将蓄电池中的电量释放，为系统提供电源。当太阳光照条件满足充电要求时，控制器控制太阳电池组件就会进行充电。控制系统与蓄电池的功能组合，使得系统的电力供应保障平稳。当遇到连续阴雨天，太阳能发电量不足，蓄电池电压持续下降，到了设定值，系统关闭负载输出功能，保护蓄电池。当蓄电池电压升到设定值，系统自动恢复供电。

3 物联网和大数据驱动的农业病虫害监测技术运用效果

在上述技术的实践应用效果方面，在研究过程中，跟踪调查了一些农户，从其反馈的结果来看，物联网和大数据驱动的病虫害监测技术的应用效果主要体现在以下几个方面：

（1）提高了物力防控的效果，减少了对农药的依赖。通过基于物联网和大数据技术的农作物病虫害监测及防治技术，能够实现较高程度的物理防治，进而减少了对农药灭虫的依赖，总体上农药使用比例呈现较大幅度的下降。

（2）对农作物病虫灾害实现了动态化、自动化的预警处理，而且预警结果能够呈现可视化的数据，用户能够根据预警数据及时采取有效的虫害防治措施，在提高农业病虫防治效果的同时，降低了成本费用。

（3）提升了农产品的品质和质量，保障粮食生产安全。农作物病虫防治更加科学，使得农作物在生长的每个阶段都能够最大限度地避免虫害造成的农作物伤害，保障了农产品的质量和品质。

4 结语

病虫害的监测与防治是农业生产过程中十分关键环节，而物联网、大数据技术等在农业病虫灾监测领域的应用越来越成熟。本文通过对物联网和大数据技术的现代农业病虫害监测系统进行研究设计，提出了农作物病虫监测站点和智慧农业平台的设计理论和方法，对当前农作物的病虫害监测防治等问题具有一定的借鉴和启发意义。