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基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统设计

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资料介绍

农业是我国第一大生产业,目前我国农业病虫害监控主要是依靠人工多年积累的经验和农业病虫害专业的书籍资料等,具有人工劳动量较大和工作效率低的问题;为此提出一种基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统设计方法,该系统硬件由用户管理模块、数据查询模块、图片管理模块、接收数据模块、设备控制模块和预警模块等构成,并且通过物联网资源对农业病虫害监控系统进行优化,进而实现物联网簇间优化农业病虫害数据的传输,最后利用簇间优化机制解决物联网病虫害监控系统中监控点区域路径抖动问题,使农业病虫害监控系统可以稳定运行;实验结果表明,采用物联网技术设计的监控系统可以有效地提高数据传输的效率,保证病虫害数据传输实时性,有利于农业发展.

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文献标识码：A

中图分类号：S126

DOI：10．16526／1．cnki．11—4762／tp．2018．02．023

文章编号：1671—4598(2018)02—0089—04

基于物联网技术的现代农业病虫害

监控系统设计

傅晓耕

(农业部规划设计研究院，北京

100125)

摘要：农业是我国第一大生产业，目前我国农业病虫害监控主要是依靠人工多年积累的经验和农业病虫害专业的书籍资料等，具有

人工劳动量较大和工作效率低的问题；为此提出一种基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统设计方法，该系统硬件虫用户管理模块、

数据查询模块、图片管理模块、接收数据模块、设备控制模块和预警模块等构成，并且通过物联网资源对农业病虫害监控系统进行优化，

进而实现物联网簇间优化农业病虫害数据的传输，最后利用簇间优化机制解决物联网病虫害监控系统中监控点区域路径抖动问题，使农

业病虫害监控系统可以稳定运行；实验结果表明，采用物联网技术设计的监控系统可以有效地提高数据传输的效率，保证病虫害数据传

输实时性，有利于农业发展。

关键词：物联网；农业病虫害；监控系统；数据传输

of Modern

Diseases and Insects

Monitoring System

Design

Agricultural

Internet of

Based on

Things Technology

Xiaogeng

100125，China)

(Chinese

Academy

Agricultural Engineering，Beijing

is China‘S

industries，the current

in China

on artificial

experience

Abstract：Agriculture

largest

agricultural pest professional

agricultural

agricultural pests monitoring

mainly rely

accumulated over the

and

books，with amount of labor andlow

large

method is

based

years

efficiency problems．This

on the lOT_technologyOf modern

of user

manage—

monitoring system design

system

module

pest

proposed．This

control

composed

and moduleetc，and

warning

ment

module，data

query module，image management

receiving module，equipment

resources for

was

then realize data transmission and

optimization

throughnetworking

agricultural pest monitoring system

optimized，and

area

between

the

mechanism between

path jitter optimization clusters，

agricultural pest networking

the

dusters，finally using

monitoring point

show

pest

system

results

that the the In—

monitoring system designed by using

agricultural

monitoring

stably．The experimental

ternet of

the

of data transmission．ensure the real——time transmission of anddisea—

pests

things technology

effectively improve

efficiency

ses data，and is conducive tO the

agriculture．

development

and

transmission

diseases；monitoring system；data

Keywords：Internet

things；agricultural pests

虫害监控系统设计方法。该技术中农业病虫害图像信息是利用

图像传感器进行采集的，并将采集到的图像形式信息转化为数

字信息，通过提取农业病虫害图像信息中的特征对病虫害进行

分析识别。该技术可以快速的收集病虫害信息，但是信息收集

范围较小，容易出现误差。文献[9]提出了一种分布式移动

农业病虫害信息采集与诊断系统设计方法。该系统含有信息处

理服务器和小型图像采集设备，小型图像采集设备可以通过自

身的小巧性采集到人视线盲区的病虫害图像信息。该技术实现

了农业病虫害的精准定位，但是系统设备费用较高，而且农业

病虫害监控系统的服务器负载较大。文献Elo]提出了一种基

于云视频监控的病虫害监控系统设计方法。该系统可以在监控

农作物生长状况的同时观察农作物的病虫害发生情况，并将相

关数据保存到服务器，工作人员可以通过服务器来了解农作物

的生长和病虫害发生的情况。但该系统的监控范围较小，及时

性较差。

引言

随着科学技术的不断进步以及数据传输和无线通信技术的

不断完善，为了满足农业市场的需求，很多农业生产企业设计

了农业病虫害监控系统n。]。目前，因为病虫害的问题，我国

传统农业存在生产效率低，农业资源匮乏、农产品质量不过

关、环境污染等问题，使农业生产不能持续高效的发展D-C。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于物联网技术的现代农

业病虫害监控系统设计方法。该方法的提出可有效缓解因病虫

害问题给农业产业带来的影响[s-6]。并引起了许多专家和业内

人士的广泛关注，也提出了很多关于农业病虫害监控系统的意

见和方法o“。

随着监控技术水平的不断提高，人们对农业病虫害监控系

统也提出了很多意见，本文对农业病虫害监控系统进行深入的

分析。文献[83提出了一种基于物联网技术的图像传感器病

收稿日期：2017一07一01；修回日期：2017—07—29。

作者简介：傅晓耕(1965一)，男，河北唐山人，高级工程师，主要从事

项目工程设计、农业工程设计、研究、咨询、设计、涉外大型农业工程设计

方向的研究。

基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统

设计

农业病虫害监控系统可将病虫害的位置、病虫害信息和和

万方数据

病虫害发生时间通过物联网技术传输到病虫害监控服务器的平

台，适用于各种农田类型的环境。物联网技术的现代病虫害监

控系统应该建全用户的权限设置，并保证系统的安全运行，从

而使物联网技术的现代农业病虫害监控系统能够不受限制的运

作。基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统中用户只需要

登录网站并通过验证，就可以查看所有监控点采集的农作物信

息数据，基于物联网技术的现代农业病虫害系统设计图如图1

所示。

系统的用户不仅能够查询数据开始和结束的时间还可以指定查

询监控点及农作物和病虫害的种类。现代农业病虫害监控系统

数据查询模块图如图4所示。

图4现代农业病虫害监控系统数据查询模块图

2．3现代农业病虫害监控系统图片管理模块

现代农业病虫害监控系统中的图片管理模块可以让用户直

接观察到农作物受病虫害危害的程度。同时监控系统设置了上

传模块，其功能是确定农作物的病情。用户可以利用摄像设备

拍摄农作物的照片，并将照片上传到监控系统的服务器，服务

器可以按照照片的种类和时间将照片保存到制定的位置。这种

上传方式较为灵活，用户在上传照片的同时，还应填写照片拍

摄的时间和监控地点方便监控系统服务器的储存。专家和学者

可以通过系统看到用户上传到服务器的照片，进行分析和

解答。

图1 基于物联网技术的现代农业病虫害系统设计图

2现代农业病虫害监控系统硬件设计

基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统的硬件由用户

管理模块、数据查询模块、图片管理模块、接收数据模块、设

备控制模块和预警模块等模块构成。基于物联网技术的现代农

业病虫害系统硬件总模块图如图2所示。

2．4农业病虫害监控系统接收数据和设备控制模块

农业病虫害监控系统中接收数据模块的功能是接收监控点

采集的农作物数据。监控点采集农作物生长环境的信息和病虫

种类的信息，然后将采集的数据信息通过物联网传送到服务

器。设备控制模块的功能是控制监控点传送的数据信息，专家

和学者可以有目标性的收取有用的农作物数据信息。农业病虫

匝矗匝南

图2 物联网技术的现代农业病虫害系统硬件总模块图

^{害监控系统接收数据和设}厂^备控雨^制研^{模块图如图5所示。}

蓝产—商

2．1现代农业病虫害监控系统用户管理模块

接收数据模块l

I设备控制模块

监控系统的访问采用的是权限验证，系统管理员可以制定

普通用户、高级用户和管理员等不同的访问权限，并将其保存

在农业病虫害监控系统的数据库中。当用户登录系统时，每种

用户所对应的服务器页面是不相同的，普通用户登录系统时，

系统中只显示监控点农作物的环境信息和病虫害发生情况信

息；高级用户不仅可以看到农作物的基本信息，还可以实现与

监控点的数据传输。而系统管理员除了拥有普通用户和高级用

户的权限外，还可以查看所有用户的信息、修改用户信息、用

户的访问权限和密码、新增或参数用户等权限，农业病虫害监

控系统用户管理模块图如图3所示。

病虫害数据f

f设置传感器采集问隔

图5病虫害监控系统接收数据和设备控制模块图

2．s现代农业病虫害监控系统预警模块

现代农业病虫害监控系统的预警模块主要功能是在危害发

生前发出警示信号，并采取有效的控制病虫害的措施，减小给

用户带来的损失。农业专家和学者对病虫害的图像和数据进行

分析，进一步确定病虫害的种类，并设置病虫害发生程度的报

警临界点，其目的是为了使病虫害监控系统预警模块能够准确

无误的进行报警，将用户的损失降到最小。

3现代农业病虫害监控系统软件设计

基于物联网技术的农业病虫害监控系统软件设计中，数据

传输可以方便地实现物联网文件和多媒体信息数据的传输。通

过对物联网农业病虫害的资源进行分割和优化，实现物联网农

业病虫害的数据传输，利用簇问优化机制解决物联网病虫害监

控系统中监控点区域路径抖动的问题，最终使农业病虫害监控

系统稳定运行。

图3现代农业病虫害监控系统用户管理模块图

2．2现代农业病虫害监控系统数据查询模块

基于物联网技术的现代农业病虫害监控系统中数据查询模

块的主要功能是查询监控点农业病虫害的信息数据，使用监控

物联网中的传感器开始工作时，负责病虫害上传工作的物

联网节点将数据信息以数字的形式发送，物联网节点i接收到

万方数据

其中：r／代表监控节点中的个数的倒数，实质为调节参数。

物联网中的节点对病虫害数据完成分割后，用CH节点将

监控点中的Num个独立病虫害数据传输到下一个CH节点时，

若下一个节点是j节点，那么雎、Time(i)就能与节点J形成

最大化比例，即1．t：、Time(j)与肚、Time(j)的比值都为最大

时，病虫害数据传输中节点i所消耗的能量最少，所用的时间

最短，满足函数F。。。：

病虫害数据信息后，将病虫害发生的位置和物联网节点间的距

离进行计算，计算完成后得到最近的节点作为物联网簇头节点

(CH节点)。确定了病虫害的物联网簇间区域后，节点i被记

为物联网节点(PCH节点)，并将病虫害数据信息以Hello形

式传播到物联网CH节点中。因为Hello形式包含了物联网节

点的全部能量消耗信息，可以计算出物联网病虫害监控网络节

点的能量消耗速率。但CH节点需要首先考虑监控区域内的其

他节点能量的消耗情况，再根据物联网节点的排序情况进行更

新，从而可以对当前物联网CH节点的情况进行估算。

(5)

Fco。一P等+肚，(1一P’丽Time(i

』

)zme ～7，

其中：妒为病虫害数据传输节点中的比例系数。

CH节点在接收到Hello形式分组之后，计算节点i的物

通过计算CH节点与监控点中其他节点之间的函数关系，

选取最大函数所对应的节点j作为物联网中下一跳的节点，完

成物联网技术的病虫害数据传输路径的优化选取过程。

物联网CH节点在选取病虫害数据传播路径时，对监控点

中的下一个节点进行搜索，并通过公式(4)、(5)计算得到最

好的数据传输函数，实现了物联网的病虫害数据传输。

联网能量自感阈值H一，(i)：

(1)

丛L

H(j)

式中，H(i)表示物联网中节点i已经消耗完的能量，j属于节

点i同一监控点的其它PCH节点。

若节点i要成为CH节点，必须通过公式(1)计算物联

网路径自感阈值，由于监控点中的任意一个节点都有可能被选

为物联网中的CH节点，设任意一个节点为i，它的物联网自

感阈值为H。，(i)，物联网的阈值越大，表示节点的病虫害数

据传输性能就越好，一旦物联网中CH节点出现故障，那么i

4测试与验证

整个系统在东北农业大学玻璃温室实地测试。以农业病虫

害监控系统为基础，利用物联网技术数据传输方式组成测试系

统，网络传输层采用SIMCOM公司的低功耗S1M900A模块。

对现代农业病虫害监控系统工作时数据传输的效果进行测试。

测试选取的病虫害数据都是原始数据，数据传输过程中，

每次发送的病虫害上传数据包为260个，现代农业病虫害监控

系统工作时物联网的带宽速度为20～30 kb／s。分别在物联网

技术下和原始网络技术下进行病虫害数据传输实验。实验数据

如表1、表2所示。

节点被选中几率就越高。通过计算的阈值加权>：H。，(i)，

并考虑当前节点对下一时间段的监控节点阚值存在的正向数据

传输反馈，计算出系数雎进行CH节点判断：

(2)

雎一半盟Hm(CH)

己H阶(j)

只有当雎的数值比H。，(CH)大时，才能对物联网簇头

节点进行替换。因为公式(2)中得到的结果对节点替换的影

响较大，所以在一定时间范围内的监控点周期T中，节点i为

物联网CH节点消耗的时间Time(i)为：

表1原始网络技术下的传输数据

测试项

序号

Ping

接收数

丢包数

丢包率

／％

最大值

15 236

14 958

16 785

15 632

最小值

平均值

|令

f令

521

652

178

958

156

293

546

325

213

13．44

11．56

17．64

H(j)

234

261

214

(3)

Tim嘶)：ATw(1一)苛

式中，A [o，1]为物联网数据传输中的路径调整因子，丁

[o，1]所表示的是物联网簇头节点的监控点更新周期，m [o，

1]代表的是物联网数据传输中的路径递归因子。只有当

Time(i)比T大时．才可以进行物联网CH节点更新的程序。

选取某个物联网CH节点在接收病虫害监控系统中PCH

节点发送的病虫害数据，在带宽B网络环境中，将病虫害数

据分割成Num个独立的病虫害信息流进行物联网技术中的数

据传输，在物联网技术中，数据传输CH节点可以作为病虫害

数据传输中的节点，由公式(2)、(3)可通过选取物联网中的

节点可以减小少病虫害数据传输过程所用的能量，因此对物联

网技术下病虫害数据传播的节点i而言，通过计算数据传播过

程中消耗的能量H(i)与网络中其他节点的能量消耗H(j)的

比值，在减少数据传输过程中消耗能量的同时，对物联网数据

传输带宽进行重新分配。而且在数据传输过程中不能超过物联

网带宽B，所以在进行物联网数据传播过程中将病虫害数据

分成Num条子路径，其计算公式为：

lO 235

7．24

14 213

15 365

354

16．53

15．28

157

228

平均

表2物联网技术下的传输数据

测试项

序号

Ping

接收数

丢包数

丢包率

／％

最大值

最小值

平均值

}令

}食

648

237

398

145

028

891

108

048

312

154

069

138

125

426

201

015

314

216

235

9．23

11．32

7．45

213

241

236

225

230

8。23

7．48

平均

8．74

对比表1表2可知，病虫害原始数据在数据传输测试中，

因为网络环境的影响出现了数据丢包问题，其中数据丢包率最

高达到15．28％。使数据传输过程中网络的延迟较为严重。在

原始网络下，数据传输过程中病虫害数据不完整、数据延迟的

H(j)

(4)

Num—r／(1一r／)型*B

万方数据

问题较为严重，不能准确体现实际情况。测试结果表明，在数

据传输过程中传送的数据越少，网络的延迟时间越少，同时数

据的丢包率也就越少。在基于物联网技术的现代农业病虫害监

控系统中，减少数据传输所传输的数据量可以提高数据的传输

速度，确保数据传输的准确性，同时节省了监控系统的费用。

分别采用本文方法和文献[7]方法和文献[8]方法进行

农业病虫害监控系统接收病虫害图像的实时效率(％)测试，

通过对单位时间内监控系统接收图像信息的数量(个)进行对

l‘E．对比结果如图6昕示

响结果。当网络带宽较大时，最大病虫害数据传输位数越大，

系统传输延时就越小。

分析图7可知，不同的网络带宽对采用本文方法设计的现

代农业病虫害监控系统传输病虫害信息传输位数影响不大，相

比文献[9]方法和文献[10]方法设计的监控系统传输病虫

害信息延时较短，使监控系统能够及时收取到信息，保证了系

统运行的整体性能。

结束语

我国现阶段的农业病虫害监控系统面l临着劳动量较大、监

控范围较小及数据的传输较为缓慢等问题。为此，提出一种基

于物联网技术的现代农业病虫害监控系统设计方法。采用该方

法设计的系统可以通过监控点收集和传送图像信息、实现数据

传输的实时性，同时减小了劳动量。最大程度的方便了用户和

专家的工作，为农业病虫害监控系统的稳定运行提供了保障。

牟

＼

糕

毯

受

督

鲻

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图6不同方法监控系统接收病虫害图像实时性对比

从图6中可以分析得出，本文方法接收图像的实施效率要

优于文献1-73方法和文献[83方法。本文中的农业病虫害监

控系统是采用物联网技术完成的，采用物联网技术下的监控系

统可对农作物的图像进行采集和传送，提高了现代农业病虫害

监控系统的实施效率，保障了病虫害监控系统传送信息的准

确性。

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图7 网络带宽变化对不同监控系统运行的影响

乎曲诤9咐9时啦刚渺亭埘啦芦郴蹿垫渺秘渺归她}弹蹿哆鼬蹿啦芦咐韭守韭班蹿韭浏列眇潮蹿啦拍埘啦乒邺9郴崎啵秘埘!’归，潮斟弘湖坩啦芦增2榉沪埘缈妒埘跳乒4’神’

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