基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的病蟲草害農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

朱靜波　李閏枚　董偉

摘要 針對現(xiàn)今農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差問題和病蟲草害發(fā)生影響因素的研究，本文介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，并以此設(shè)計基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的病蟲草害農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)集成多類型傳感器，采集的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)并利用Zigbee無線傳輸至數(shù)據(jù)預(yù)處理節(jié)點，再使用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器端，從而完成農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)的采集、處理與上傳，用戶可通過電腦或手機實時監(jiān)控農(nóng)田小氣候信息。測試結(jié)果表明，該農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)可提供農(nóng)田小氣候監(jiān)測的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)預(yù)處理；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)田小氣候；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號 S431 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0277-03

Abstract Aiming at error data in farmland microclimate monitoring system and the influencing factors of disease pest and weed，a preprocessing method of farmland microclimate data based on wireless sensor networks was developed in this paper，and then it also proposed farmland microclimate monitoring system for plant diseases and insect pests based on wireless sensor networks. The monitoring system integrating multiple types of sensors collected the data of farmland microclimate and transmitted to the data processing node through Zigbee wireless network，then used GPRS communication network to upload to server mode，which could complete the acquisition，processing and uploading of farmland microclimate data.Users could monitor the real-time farmland microclimate information by computer or mobile phone.The testing results showed that the system could enhance the stability and reliability of farmland microclimate monitoring.

Key words data preprocessing；wireless sensor network；farmland microclimate；monitoring system

為了積極主動預(yù)防病蟲草害，快速掌握作物田地的農(nóng)田小氣候動態(tài)，避免或減少病蟲草害造成的損失，逐步建立起廣泛覆蓋的農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為病蟲草害預(yù)測的一大任務(wù)[1]。農(nóng)田小氣候監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤溫度、土壤濕度、土壤pH值、光照強度、日照時數(shù)、降水量等信息及時獲取，為病蟲草害的預(yù)防提供了充分的農(nóng)田小氣候分析數(shù)據(jù)點。

浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的林蘭芬等[2]提出一種基于GIS的農(nóng)田小氣候環(huán)境可視監(jiān)測系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)可視化、地理信息系統(tǒng)的融合，以GIS為基礎(chǔ)，設(shè)計了多種可視化方法實時展示農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，設(shè)計開發(fā)智能移動端應(yīng)用，可提供檢測服務(wù)，方便農(nóng)業(yè)參與者隨時隨地掌握農(nóng)田小氣候。哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院的李雙全等[3]提出了一種基于ARM+STM32的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計，通過分析現(xiàn)有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)出一個以STM32F103芯片為分采集器控制核心、GPRS無線傳輸功能和CF接口的數(shù)據(jù)采集器，能保證數(shù)據(jù)實時上傳和長期存儲。

現(xiàn)有的農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)并未考慮采集的原始數(shù)據(jù)的誤差，即使監(jiān)測傳感器出現(xiàn)故障，依然會發(fā)送錯誤的數(shù)據(jù)到服務(wù)器，一方面消耗了網(wǎng)絡(luò)資源造成浪費，另一方面上傳至服務(wù)器的錯誤數(shù)據(jù)增加了數(shù)據(jù)處理的負擔(dān)。因此，本文通過研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，減輕數(shù)據(jù)傳輸負擔(dān)，實現(xiàn)對土壤溫濕度、土壤pH值、光照強度、光照時間、降水量等信息及時獲取和處理，準(zhǔn)確實時地監(jiān)控各監(jiān)測點的農(nóng)田小氣候狀況，為病蟲草害的預(yù)防提供依據(jù)。

1 農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

由于傳感器技術(shù)限制，農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元包含的多種傳感器的測量精度有差異，加上長時間持續(xù)供電導(dǎo)致的傳感器靈敏度降低，在同一監(jiān)測點區(qū)域內(nèi)設(shè)置的不同農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元，所獲取的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)差異會更加明顯。因此，將任意一個監(jiān)測單元作為匯聚節(jié)點，接收多組農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點利用正態(tài)分布公式，計算農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)的各單項因子數(shù)據(jù)的期望值μ，按照原數(shù)據(jù)格式組合成一組新的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，上傳至服務(wù)器[4]。

如圖1所示，具體步驟如下：①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元作為源節(jié)點進行農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)的采集，以m個源節(jié)點構(gòu)成農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元組合，同時任選其中一個源節(jié)點作為匯聚節(jié)點。②m個源節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)將農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)以單播方式分發(fā)數(shù)據(jù)包至匯聚節(jié)點，所述農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)包括土壤溫度、土壤濕度、土壤pH值、光照強度、光照時間、降水量等6種單項因子數(shù)據(jù)。③匯聚節(jié)點接收到的m組農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)利用正態(tài)分布公式f（x）=e，逐一計算各農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)的各單項因子數(shù)據(jù)的期望值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ。④設(shè)置σ可信閾值d，若σ>d，則舍棄該單項因子數(shù)據(jù)；若σ≤d，認定期望值μ為該單項因子數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)均值。⑤將各單項因子數(shù)據(jù)的均值μ按照原數(shù)據(jù)格式保存成一組新的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，其中無有效均值的項為空。⑥通過GPRS或其他通信網(wǎng)絡(luò)把處理后的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。endprint

數(shù)據(jù)預(yù)處理能夠有效減小由于長時間運行或其他原因?qū)е碌霓r(nóng)田小氣候傳感器測量結(jié)果誤差過大，同時處理后的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)量更小，減少GPRS/GSM或其他移動網(wǎng)絡(luò)通信消耗，且數(shù)據(jù)更能代表該監(jiān)測單元內(nèi)農(nóng)田小氣候的整體情況。還能將測量誤差大的農(nóng)田小氣候單元編號反饋，方便以后針對性維修。

2 病蟲草害農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外專家學(xué)者在各類病蟲草害研究方面進行了大量的病害與農(nóng)田小氣候相關(guān)的研究，逐步求證各個農(nóng)田小氣候因子對病蟲草害發(fā)生的影響情況。例如在早稻稻瘟病的研究中，于 雷等[5]指出，稻瘟病病原菌的發(fā)育和侵入的主要因子是溫濕度，早稻稻瘟病發(fā)生的最佳溫度為20～30 ℃，濕度在80%以上，若在此期間遇上連續(xù)陰雨，易出現(xiàn)稻瘟病菌孢子高峰。因此，實時監(jiān)測作物生長環(huán)境的農(nóng)田小氣候，研究分析各個農(nóng)田小氣候因子發(fā)展趨勢，對于病蟲草害的預(yù)測是很有必要的[6]。

分析病蟲草害發(fā)生時的環(huán)境數(shù)據(jù)，開發(fā)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)，采用匯聚節(jié)點預(yù)處理數(shù)據(jù)的方法，對土壤溫濕度、土壤pH值、光照強度、日照時數(shù)和降水量等農(nóng)田小氣候信息進行監(jiān)測、保存和分析，結(jié)合上述環(huán)境因子，預(yù)測植株是否會感染病蟲草害，針對預(yù)測的發(fā)生情況提前進行預(yù)防。系統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點用來采集農(nóng)田溫濕度、光照及降水量等環(huán)境數(shù)據(jù)，針對作物易發(fā)生的病蟲草害所需的土壤和時間因素，綜合分析農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，將病蟲草害處理方式從“發(fā)現(xiàn)—治理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)測—預(yù)處理”，為病蟲草害的預(yù)測與治理提供充分的數(shù)據(jù)支持，更好地指導(dǎo)病蟲草害治理進程。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)充分考慮農(nóng)業(yè)地域廣的特點，導(dǎo)致傳感器節(jié)點分布多且雜，因而采用Zigbee技術(shù)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點主要分布于農(nóng)田中，由具有數(shù)據(jù)采集能力的感知節(jié)點和具有無線通信、數(shù)據(jù)處理以及存儲能力的匯聚節(jié)點組成，可實時感知、監(jiān)測作物土壤等信息；Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息以單播方式分發(fā)數(shù)據(jù)包至匯聚節(jié)點，預(yù)處理后，匯聚節(jié)點將農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端；服務(wù)器端將農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的警戒點數(shù)據(jù)對比后，將分析結(jié)果分發(fā)顯示在電腦終端和手機終端，實現(xiàn)農(nóng)田小作物信息的遠程集群化監(jiān)測和管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)由環(huán)境感知節(jié)點通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至可對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的匯聚節(jié)點，再利用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器端，服務(wù)器端接收到匯聚節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)后，對其實現(xiàn)融合處理，終端可以是電腦或者手機，用戶利用終端設(shè)備對農(nóng)田中的遠程環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

2.2.1 農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)流程。系統(tǒng)由眾多傳感器實時采集農(nóng)田小氣候信息和圖像信息，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點對農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[8]，把正常的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)和不符合要求的農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元的序號由GPRS上傳到服務(wù)器端控制中心分析處理后，得出相應(yīng)的需求結(jié)果，進而可以實現(xiàn)對農(nóng)田小氣候的監(jiān)測與預(yù)警。系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中形成的多級自組織的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由一些無線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點組成。如土壤溫度濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照強度傳感器、日照時數(shù)傳感器和降水量傳感器等[9]。1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個傳感器節(jié)點組成了本系統(tǒng)的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲系統(tǒng)，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)與每一個傳感器節(jié)點通訊，是中心的匯聚節(jié)點，傳感器之間不能直接傳輸數(shù)據(jù)[10]。部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是協(xié)同地采集和處理農(nóng)田區(qū)域的農(nóng)田小氣候信息，并將信息上傳至服務(wù)器端做進一步的分析與處理。具體的節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)所組建成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由三大部分組成：農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元、Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器。其中農(nóng)田小氣候監(jiān)測單元由太陽能光伏板、蓄電池、傳感器、微處理器、Zigbee通信模塊、高增益天線通過集成電路板和電纜連接組成[11]。傳感器包括土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照強度傳感器、日照時數(shù)傳感器、降水量傳感器。

其中土壤溫濕度傳感器采用的是武漢中科能慧科技的NH133T系列土壤溫度傳感器，具有測量精度高、微功耗、傳輸距離長等特點；土壤pH值的測量主要由河北飛夢的FM-pH土壤pH值傳感器完成，其采用低阻抗敏感玻璃膜制成，能應(yīng)用于各種條件的pH值測量，基本消除了堿誤差，在pH值0～14范圍內(nèi)呈線性電力值，可長期在線檢測[12]；光照強度數(shù)據(jù)的采集主要使用BH1750FVI芯片，可提供充分的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對光照的高精度測量；日照時數(shù)則使用TBS-RT型日照時數(shù)傳感器，光譜范圍為0.4～1.1 μm，可連續(xù)全天候使用，當(dāng)太陽無障礙輻射量超過120 W/m2時，輸出數(shù)字邏輯高電平；降水量數(shù)據(jù)的采集主要使用中科正奇的ZK-YL2雨量傳感器，承水口徑為Ф（200.0 mm±0.6 mm），可實現(xiàn)降水強度的精準(zhǔn)測量。

3 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

針對基于云端的農(nóng)業(yè)病蟲草害大數(shù)據(jù)圖文數(shù)據(jù)庫（http：//nysj.itrew.com/）中涉及的各類病蟲草害信息，分析其產(chǎn)生所需的農(nóng)田小氣候，研制出基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的病蟲草害農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)，目前已經(jīng)正式投入使用。

針對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，開展相關(guān)試驗研究，以此驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。試驗內(nèi)容如下：選取300 m×500 m的水稻田作為試驗用地，將10個傳感器節(jié)點均勻分布在該區(qū)域內(nèi)，并選出2個匯聚節(jié)點，規(guī)律性地采集實驗地各節(jié)點的農(nóng)田小氣候信息，采集規(guī)律為每隔1 h采集1次。每個采集節(jié)點上安放有溫度傳感器、濕度傳感器、pH值傳感器、光照強度傳感器、日照時數(shù)傳感器、降水量傳感器。試驗選取土壤溫度的采集數(shù)據(jù)比較分析，結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)異常丟失率為0，數(shù)據(jù)監(jiān)測誤差<1 ℃，表明農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、可靠地實時采集、上傳農(nóng)田小氣候信息，滿足農(nóng)田小氣候監(jiān)測需求。endprint

實時數(shù)據(jù)頁面與農(nóng)田小氣候匯聚節(jié)點建立連接，可實時獲取匯聚節(jié)點處理后的6種農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，如圖5所示。用戶可利用此模塊快速查詢相應(yīng)時間區(qū)段、不同監(jiān)測區(qū)間的土壤溫濕度、pH值、光照強度、日照時數(shù)和降水量數(shù)據(jù)，并可將其導(dǎo)出至Excel文件中保存。

監(jiān)測預(yù)警頁面則是以地圖的形式展示監(jiān)控數(shù)據(jù)，如圖6所示。用戶可利用此模塊查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)任意監(jiān)控點的照片、溫濕度等信息；可設(shè)置預(yù)警點溫度、濕度和pH值，若有監(jiān)控點異常，系統(tǒng)會自動提示，滿足實時監(jiān)測預(yù)警的作用。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計頁面是針對農(nóng)田小氣候的統(tǒng)計分析，可同時查看多個監(jiān)控點在一段時間的農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)，滿足農(nóng)田小氣候監(jiān)測需求，如圖7所示。

4 結(jié)語

在病蟲草害監(jiān)測和預(yù)警中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，首創(chuàng)匯聚節(jié)點預(yù)處理原始數(shù)據(jù)，減輕數(shù)據(jù)傳輸負擔(dān)，實現(xiàn)對土壤溫濕度、土壤pH值、光照強度、日照時數(shù)、降水量等信息及時獲取和處理，精確地分析處理各監(jiān)測點的農(nóng)田小氣候狀況，為病蟲草害的預(yù)防提供了充分的農(nóng)田小氣候分析數(shù)據(jù)點。

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