基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻生長環(huán)境智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究

摘" 要：本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用，通過實(shí)施智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)優(yōu)化水稻生長環(huán)境，可以提高生產(chǎn)效率，提升水稻作物質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合田間安裝的各類傳感器，實(shí)時(shí)收集水稻生長狀況的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)預(yù)測未來的環(huán)境變化，及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)實(shí)踐，減少不可預(yù)見因素帶來的損失。通過智能監(jiān)測與控制顯示，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅可以顯著提升水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量，也可為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水稻；生長環(huán)境；智能監(jiān)測

收稿日期：2024-01-12

中圖分類號(hào)：S511"""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673－6737（２０24）05－００61－０3

作者簡介：王福（1973—），男，在職研究生，高級(jí)講師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)的教學(xué)與研究。

水稻作為主要的糧食作物之一，確保水稻作物質(zhì)量是重點(diǎn)方向。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨資源利用效率較低的問題，限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的潛力。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來變革。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過在農(nóng)田中部署傳感器和其他智能設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻作物生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此開展精準(zhǔn)管理，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用將使種植管理更加科學(xué)，通過智能決策優(yōu)化水稻生長環(huán)境，從而提升水稻的產(chǎn)量，保證水稻作物的品質(zhì)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1" 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用主要是將傳感器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理技術(shù)結(jié)合，全面提高水稻種植的效率，滿足糧食產(chǎn)量需求，同時(shí)確保水稻作物的可持續(xù)性。在水稻種植過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過安裝傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和作物狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳感器收集土壤的濕度和溫度、光照強(qiáng)度、植物生長狀況的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成，并利用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行分析，使農(nóng)業(yè)專家可以精確了解水稻的生長需求，開展科學(xué)調(diào)整。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過預(yù)測模型來預(yù)測天氣變化和病蟲害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，幫助農(nóng)民提前做好準(zhǔn)備，減少因天氣異?；虿∠x害造成的損失。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的應(yīng)用可以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，使種植管理更為精細(xì)化，全面提高水稻產(chǎn)量，同時(shí)也推動(dòng)農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用。

2" 智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)在水稻種植中的潛在價(jià)值

智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)在水稻種植中的潛在價(jià)值表現(xiàn)為多個(gè)方面，主要是通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行分析，優(yōu)化種植策略，提高水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低實(shí)際操作成本。通過將傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)，采用智能算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以為水稻種植提供精確指導(dǎo)。智能監(jiān)測系統(tǒng)通過分析植物的生長數(shù)據(jù)，判斷水稻的營養(yǎng)狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理。[1]還能幫助農(nóng)民提高肥料的利用效率，減少環(huán)境污染。智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)還具備病蟲害早期診斷功能，能夠避免大規(guī)模的作物損失。智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)可以有效減少生產(chǎn)過程中的資源浪費(fèi)，避免對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生不良影響，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。

3" 水稻生長環(huán)境要素分析

3.1" 溫度要素

水稻對(duì)溫度非常敏感，生長發(fā)育以及產(chǎn)量都會(huì)受到溫度條件的影響。水稻從播種到成熟，需要經(jīng)歷不同的生長階段，每個(gè)階段對(duì)溫度的需求各不相同。種子發(fā)芽的最佳溫度在10至35攝氏度，其中25至30攝氏度是最理想的發(fā)芽溫度。在分蘗和抽穗期，溫度對(duì)水稻的生長尤為關(guān)鍵。分蘗期需要較低的溫度以促進(jìn)分蘗增多，而抽穗期則需要較高的溫度以促進(jìn)花粉的成熟和提高授粉效率。適宜的晝夜溫差能夠促進(jìn)水稻的光合作用，有助于提高產(chǎn)量、改善稻米質(zhì)量。部分水稻病害在特定的溫度條件下會(huì)迅速發(fā)展，因此，對(duì)溫度的精確控制是防控水稻病害的重要措施之一。

3.2" 濕度要素

水稻是喜水作物，對(duì)濕度的依賴性較強(qiáng)，需要充足的水分來維持生命活動(dòng)。在種子發(fā)芽期間，高濕度條件能夠促進(jìn)種子吸水，提高發(fā)芽率。進(jìn)入分蘗期，適度的濕度可以有效促進(jìn)養(yǎng)分的吸收，使水稻形成健康的植株。水稻田的高濕度環(huán)境容易引發(fā)病害，如稻瘟病。在高濕度條件下，葉片氣孔的開閉會(huì)受到影響，可能會(huì)導(dǎo)致光合作用效率降低。同時(shí)，過高的濕度會(huì)限制空氣流通，影響作物的呼吸作用，從而可能抑制水稻的生長速度。

3.3" 光照要素

水稻對(duì)光照的需求會(huì)隨生長階段而變化，合理的光照不僅能促進(jìn)光合作用、增加產(chǎn)量，還能改善稻米的品質(zhì)。在水稻生長的早期階段，足夠的光照有助于促進(jìn)幼苗的健康發(fā)育，提高其抗病能力。進(jìn)入分蘗期和抽穗期，適宜的光照條件對(duì)于分蘗數(shù)的增加和有效穗的形成極為重要。光照不足會(huì)導(dǎo)致分蘗不良，影響水稻的生長速度和最終產(chǎn)量。光照強(qiáng)度還直接影響水稻的開花和受精過程，當(dāng)光照充足時(shí)，會(huì)全面提高授粉效率。在稻谷的灌漿和成熟階段，充足的光照能夠促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)一步提高粒重和提升稻米品質(zhì)。

3.4" 土壤要素

理想的水稻土壤應(yīng)具有良好的保水性和透氣性，有助于根系的發(fā)展，促進(jìn)水稻吸收營養(yǎng)元素。[2]土壤中的有機(jī)質(zhì)是提供養(yǎng)分的重要來源，適當(dāng)?shù)膒H值可以確保養(yǎng)分的有效利用。土壤中含有足夠的氮、磷、鉀和其他微量元素是水稻生長不可缺少的營養(yǎng)元素。不同的土壤類型，水分和養(yǎng)分保持能力各不相同，針對(duì)特定土壤類型采取合適的管理措施是提高水稻生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

4" 基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置路徑

4.1" 整體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)水稻生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置涉及構(gòu)建多層次、高度集成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和管理水稻田的生長環(huán)境。系統(tǒng)的整體構(gòu)架主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

感知層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括各種環(huán)境傳感器和執(zhí)行設(shè)備。傳感器負(fù)責(zé)收集水稻種植相關(guān)數(shù)據(jù)，而執(zhí)行設(shè)備則根據(jù)傳感器預(yù)設(shè)指令進(jìn)行操作。設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的其他部分連接，確保數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層的作用是確保數(shù)據(jù)的流動(dòng)和連接性，包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、長距離通信技術(shù)如LoRa或4G/5G網(wǎng)絡(luò)，確保從田間收集的數(shù)據(jù)能安全傳輸?shù)街醒胩幚砥脚_(tái)，同時(shí)也支持遠(yuǎn)程命令的下達(dá)，以控制田間的執(zhí)行設(shè)備。

平臺(tái)層是系統(tǒng)的核心，利用云計(jì)算的數(shù)據(jù)處理分析中心，將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并合理分析。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析并預(yù)測，幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者做出更精確的決策。

應(yīng)用層是與用戶直接交互的界面，包括移動(dòng)應(yīng)用界面。通過實(shí)時(shí)查看水稻生長環(huán)境的數(shù)據(jù)，接收系統(tǒng)分析的結(jié)果，并遠(yuǎn)程控制田間的執(zhí)行設(shè)備，可以使農(nóng)業(yè)管理更加便捷，提高管理效率，有效降低人力成本。

4.2" 選擇傳感器

基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)收集關(guān)于水稻生長條件的各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)。溫度直接影響水稻的生長速度和生物學(xué)周期，濕度傳感器幫助監(jiān)控田間的水分條件，有效調(diào)整灌溉策略，光照傳感器監(jiān)測到達(dá)作物表面的光照強(qiáng)度。[3]為全面監(jiān)控水稻的營養(yǎng)狀況，應(yīng)用土壤pH傳感器和土壤肥力傳感器應(yīng)提供關(guān)于土壤化學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)信息，幫助優(yōu)化施肥計(jì)劃，保證水稻得到所需的營養(yǎng)成分。

水稻易受某些病害和害蟲的影響，病害監(jiān)測傳感器和害蟲監(jiān)測傳感器可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者發(fā)現(xiàn)潛在的病害和害蟲侵襲，啟動(dòng)相應(yīng)的防治措施，減少農(nóng)藥的使用和作物損失。采用水位傳感器監(jiān)測灌溉水渠和田間水位，可以確保適宜的水稻生長環(huán)境。利用傳感器集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水稻的生長環(huán)境，通過數(shù)據(jù)分析提供決策支持，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加精細(xì)和高效。

4.3" 采集數(shù)據(jù)

系統(tǒng)通過傳感器收集的數(shù)據(jù)監(jiān)測田間的水位狀態(tài)，預(yù)防病蟲害發(fā)生。數(shù)據(jù)的采集通常是自動(dòng)進(jìn)行的，傳感器被設(shè)置為按固定頻率收集和發(fā)送數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，應(yīng)對(duì)傳感器的開展維護(hù)和校準(zhǔn)工作。[4]數(shù)據(jù)被傳感器收集，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫，利用加密技術(shù)和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和傳輸。

到達(dá)中央數(shù)據(jù)庫后，數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的清洗和處理，去除異常值，并填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，便于農(nóng)業(yè)管理者能夠直觀地了解當(dāng)前的田間環(huán)境和作物狀況。智能監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長環(huán)境的精細(xì)管理。數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)倪^程不僅可以提升田間管理的效率，還能為水稻種植提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者優(yōu)化作物管理，從而提高產(chǎn)量，全面改善作物質(zhì)量。

4.4" 儲(chǔ)存數(shù)據(jù)

從各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要被安全地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。其中，云存儲(chǔ)因具有可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問能力被廣泛使用。在使用云服務(wù)器時(shí)，應(yīng)允許農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)訪問存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，方便監(jiān)控和管理。

云服務(wù)還提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)能力，在發(fā)生硬件故障時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整。數(shù)據(jù)的組織和管理非常關(guān)鍵，以時(shí)間序列格式存儲(chǔ)，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)都帶有時(shí)間戳，便于追蹤歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)時(shí)間序列分析，提高查詢效率，有效簡化數(shù)據(jù)處理流程。

在云存儲(chǔ)的情況下，采取加密措施保護(hù)數(shù)據(jù)保證傳輸和存儲(chǔ)過程中的安全，實(shí)施嚴(yán)格的訪問控制策略，可以確保數(shù)據(jù)不被未授權(quán)訪問。通過數(shù)據(jù)儲(chǔ)存策略，水稻生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期保留水稻的生長數(shù)據(jù)，支持農(nóng)業(yè)研究。

5" 基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻生長環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)置路徑

5.1" 控制設(shè)備

控制設(shè)備主要包括自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、施肥設(shè)備、病蟲害管理設(shè)備以及環(huán)境調(diào)控設(shè)備。設(shè)備通過接收來自中央處理平臺(tái)的指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)田間的環(huán)境條件，確保水稻能夠維持最佳生長狀態(tài)。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度傳感器自動(dòng)調(diào)整水量，確保作物獲得適量的水分，優(yōu)化水資源的使用，有助于防止土壤鹽漬化。[5]

施肥設(shè)備根據(jù)土壤肥力傳感器和植物生長狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)施肥量和頻率，通過精確施肥技術(shù)，減少肥料浪費(fèi)。病蟲害管理設(shè)備包括噴藥機(jī)器人和生物誘捕器，檢測到病蟲害發(fā)生后自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)病害或蟲害進(jìn)行全面處理，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，保護(hù)作物免受更嚴(yán)重的損害。

根據(jù)氣象傳感器的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度和濕度，可以為水稻提供穩(wěn)定的生長環(huán)境。整合智能控制設(shè)備需要強(qiáng)大的中央處理平臺(tái)，實(shí)時(shí)接收和分析來自田間傳感器的數(shù)據(jù)，生成和下發(fā)執(zhí)行命令到相關(guān)的控制設(shè)備。系統(tǒng)的用戶界面允許農(nóng)場管理者手動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況或特殊需求。通過智能控制設(shè)備的協(xié)同工作，水稻生長環(huán)境控制系統(tǒng)不僅能精確管理田間的環(huán)境條件，還能提高水稻種植的整體效率和產(chǎn)量，同時(shí)減少環(huán)境影響和降低運(yùn)營成本，大大推動(dòng)水稻種植業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

5.2" 決策系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻生長環(huán)境智能控制系統(tǒng)中，決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析收集數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)生成具體的控制指令，優(yōu)化水稻的生長條件。系統(tǒng)集成先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過人工智能算法，解析來自田間的各種數(shù)據(jù)。通過計(jì)算分析，決策系統(tǒng)能夠識(shí)別出作物生長中的關(guān)鍵需求，并了解潛在問題，制定出科學(xué)的防治策略。[6]

決策系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，清洗過后開始預(yù)處理工作，確保輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用統(tǒng)計(jì)分析來預(yù)測水稻生長模型，根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，預(yù)測水稻未來的生長需求。系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析氣象條件，預(yù)測可能發(fā)生的極端天氣，及時(shí)調(diào)整田間管理措施。

決策系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)特定的農(nóng)業(yè)作物反應(yīng)，不斷優(yōu)化控制策略。例如，系統(tǒng)通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)特定品種的水稻對(duì)光照和溫度的響應(yīng)，更精確地調(diào)節(jié)環(huán)境條件，以符合水稻生長的具體需求，使決策系統(tǒng)不僅可以處理常規(guī)任務(wù)，還能在遇到非標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)做出有效的響應(yīng)。因此，決策支持工具極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和作物的質(zhì)量，是現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)不可或缺的一部分。

6" 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水稻種植中的有效應(yīng)用，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、作物質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。通過集成的傳感器，實(shí)時(shí)采集并分析數(shù)據(jù)，使水稻種植變得更加精準(zhǔn)和自動(dòng)化，有助于實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，減少浪費(fèi)，同時(shí)也為農(nóng)民提供了強(qiáng)大的決策支持工具，使其在面對(duì)環(huán)境變化和不確定因素時(shí)能做出快速且科學(xué)的反應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入能促進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)水稻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的深入研究，對(duì)于優(yōu)化水稻農(nóng)業(yè)具有重要意義。

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