物联网技术在辽宁水稻冷棚育秧中的应用

吕 宏 靖

(1. 沈阳农业大学 工程学院, 沈阳 110866; 2. 辽宁省农业机械化技术推广总站, 沈阳 110034)



物联网技术在辽宁水稻冷棚育秧中的应用

吕 宏 靖1,2

(1. 沈阳农业大学 工程学院, 沈阳 110866; 2. 辽宁省农业机械化技术推广总站, 沈阳 110034)

近年来随着物联网技术的不断发展,其技术应用已经渗透到农业领域。在这一趋势下,农业部和科技部提出利用网络新技术促进农业现代化水平明显提升。辽宁水稻机械插秧已经跨进全面机械化阶段,但要想发挥机械插秧的高效率的特点,就需要培育高质量壮秧,只有大棚集中育秧才能确保提供高质高量的秧苗。由于水稻育秧工作专业性很强的,不同生长时期秧苗对环境要求十分苛刻,近年来经常发生育秧失败的情况,这不单造成经济损失更耽误农时;通过物联网技术能够监控大棚内环境参数,通过自动控制确保秧苗处于最佳生长环境。以千山物联网水稻冷棚为例,介绍其架构和运作模式和应用成效及现阶段存在问题,只有配套相应政策才能保证农业物联网健康发展。

物联网; 水稻; 冷棚; 育秧

辽宁省的第二大粮食作物水稻的总产量占粮食总产量的23%左右,但是作为辽宁省的主食作物有着举足轻重的地位[1]。辽宁的水稻种植机械化水平逐年提高,尤其在2013年辽宁省水稻生产机械化水平有了质的飞跃;在省委、省政府提出全省要基本实现水稻生产全程机械化的目标,在全省范围内开展了“千万亩水稻生产全程机械化工程”。经过各级政府和有关部门的共同努力,全省水稻生产综合机械化水平达到80%以上,其中机插率达83%,按照我国基本实现全程机械化的评价标准80%来衡量,辽宁省基本实现水稻生产全程机械化[2]。要发挥水稻机械插秧的高效率,除了机手机具等因素,育秧质量是最直接影响插秧的效果;同时育出壮秧也是水稻高产的基础。我国历来就有“秧好半年稻”之说[3]。故此辽宁省水稻育秧的好坏成为机械化移栽质量的瓶颈,同时也是辽宁省水稻稳产高产的重要环节。冷棚育秧是辽宁省水稻育秧使用最广泛的方式,它比地膜育秧更保温、育秧量大;冷棚棚架在育秧结束后可拆卸节,提高土地利用率,其育秧效果和设施农业品质一样,但其投入成本比设施农业低,具有很好的实用性。现阶段辽宁省的冷棚育秧质量主要受冷棚内环境因素影响,主要的影响因素是土壤水分和棚内温度。秧苗会通常在上午喷灌一遍水调节土壤水分,棚内的温度则是人工通过温度计测量,采取卷膜通风降温的方式完成。这种方式依赖种植户的个人经验,调节精度不高,调节不及时,浪费人力资源,难以保证最佳的育秧环境[4-5]。通过在水稻育秧冷棚内部署物联网监控系统,育秧管理人员可以通过电脑或手机等设备随时了解育秧大棚内环境并可远程遥控或者自动控制大棚内的设备,实现农艺最优化管理,可提升壮秧率,最终实现水稻稳产增产[6-7]。

1 物联网技术应用

1.1 物联网简介

2005年ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了“物联网”的概念,并随后发布了《ITU Internet reports 2005— the Internet of things》,ITU在报告中指出,新的通信时代即将到来,信息与通信技术(ICT)己经从满足人与人之间的沟通,发展到人与物、物与物之间的连接,无所不在的物联网通信使我们在信息与通信技术的世界里达到了全新的深度和广度,任何时间、地点、连接任何人,变成任何时间、地点、连接任何物品,这种全新的连接就是物联网[8-9]。

1.2 物联网信息功能模型

图1 物联网信息功能模型

物联网的关键环节通过信息科学视点围绕信息的流动过程抽象出物联网信息功能模型[10],如图1所示。信息的获取包括信息的感知和识别,感知事物的状态和变化,识别事物的运动状态并能记录和表达出来;信息传输包括信息的发送、传输和接收环节;将事物的状态和变化的记录信息从一个点传输到另外一个点的过程就是信息传输;信息处理就是对信息的加工,以某种处理方式将数据进行变化形成新的信息,即制定策略的过程;信息施效是信息最终发挥效果的过程。通过仪器和设备干预对象事物的状态、运动和变化方式等,使对象按预期效果进行变化。通过信息循环,物联网实现了“感-知-行”的功能。

1.3 物联网基本架构

物联网系统的基本架构通常由3个部分组成,情景感知系统、情景处理系统和情景应用系统[11-13],如图2所示。其中情景感知系统包括各类传感器设备,无限通讯设备和各类执行功能的设备;通过传感器收集信号向情景处理系统提供数据。情景处理系统处理上传的数据,通过相应模式运算推倒出执行策略;情景应用系统根据执行策略控制各类执行功能的仪器达到预想的效果,从而对感知系统所处环境进行干预。物联网可以实现时时数据传输,借助计算机技术实现优化计算,制定最佳执行方案,进行时时控制。

图2 冷棚育秧物联网架构

2 辽宁省水稻冷棚育秧现状及农艺要求

2.1 辽宁省水稻冷棚育秧现状

辽宁省水稻生产已经实现全面机械化,但机械移栽的效率和质量受到育秧质量的制约;为移栽秧提供优质的配套秧苗离不开水稻的集中育秧。在辽宁水稻集中育秧最广泛采用的方式为水稻冷棚育秧;通过集中管理可以便于保证秧苗素质、控制病虫害、出苗整齐。种子在冷棚里从播种到提供成秧,是水稻生产中最容易出现问题的环节。

辽宁省水稻育秧冷棚规格为:棚宽12 m左右、高3 m左右、长100 m左右。育秧大棚由于棚内空气容量大、昼夜温差小且温度稳定,受棚外环境温度变化的影响小,尤其适合应对北方倒春寒的低温问题。由于棚架高,棚内人工作业方便,为培育壮秧提供基础条件。

2.2 辽宁省水稻出苗期间农艺要求

辽宁省水稻育秧通常在4月中下旬开始,通过苗床播种机在秧盘上播种后,开始水稻出苗管理。水稻出苗的关键因素为适宜的水分和温度,水稻冷棚育秧在出苗期间要求保温保湿,秧盘的苗土的水分管理为底水浇足,一般状态不浇水;在出苗顶土或秧土变白时需要喷灌补水。出苗期间棚内温度应尽量高于20 ℃,温度尽量控制在30 ℃左右,但温度超过35 ℃时则需要通风降温,确保温度适合快出芽;北方春季地温较低,可采用无纺布代替地膜,即能保温保湿还比地膜更透气,促出苗效果更好。

2.3 辽宁省水稻出苗后农艺要求

出苗后的管理根据秧苗的具体情况调节浇水时间和水量大小[14]。1叶1心期应保持旱田状态,这一阶段的浇水原则为“三看”:一看土面是否发白和秧根的发育情况,如果床土发白需要浇水,二看早、晚时叶尖所吐水珠的大小;早晚水珠变小需要浇水,三看午间高温时新叶是否卷曲,如有卷曲,需要浇水。浇水在早上8点钟左右用16 ℃以上的水进行适当浇灌,一次浇足。1叶1心期至3叶期床土宜保持半干状态,并采取干湿较低的灌溉措施,起到以水调气、调肥和调湿的护苗作用。在机械移栽前3～4 d开始通风炼苗,控制床土水分,确保秧苗不蔫萎的前提下,使秧苗处于渴水状态,便于移栽后秧苗生根早、返青快,分蘖提前。

棚内高温高湿,秧苗生长快,但超过35 ℃时秧苗生长过快,秧苗素质下降;湿度大于85%易发叶瘟病。所以棚内温度控制在35 ℃以下,相对湿度控制在85%以下。在秧苗长出2 cm左右时,棚内温度应控制在22～25 ℃,2叶期温度控制在22～24 ℃。3叶期控制在20～22℃,超过25℃需要通风降温。

3 物联网技术在水稻冷棚育秧中的实际应用

辽宁省鞍山市千山区农机推广站是辽宁省农机系统里最先实施物联网水稻冷棚育秧的单位。2013年由于鞍山市的水稻大棚育秧出现诸多问题,20%左右的水稻育秧失败,损失近千万。故此水稻大棚育秧引进科学化精细管理变得十分必要。千山区钟长瑞站长经过多年的物联网技术引进、消化、试验、应用、示范和总结,初步完成了水稻冷棚育秧物联网的系统架构,并通过实际应用取得令人满意的效果,具有推广价值。

3.1 千山区水稻冷棚育秧物联网的架构

按照物联网基本架构将水稻冷棚育秧物联网分为3层结构。在情景获取层中中WSAN为无线传感器和无限执行器的网络,传感器通过Zigbee/WSN及Zigbee-WiFi[15]网关传输到无线路由器上传到Internet的服务器上,软件收集信息并显示在手机和电脑上,设定参数可以提供信息报警,人工可以选择相应应用服务对环境进行干预。

3.2 信息功能系统架构

上行通道:传感器收集棚内环境信息,通过采集卡----Zigbee/WSN----Zigbee-WiFi网关----无线路由器----Internet,通过手机和电脑可以显示并具有红字报警功能,视频采集器与Zigbee-Wi-Fi网关均通过现场的WiFi-3G路由器连接远程服务器。

下行通道:手机和电脑可以通过软件将指令通过Internet传到物联网大棚的WiFi-3G路由器----zigbee-wifi网关----zigbee协议无线控制节点相应的执行器,对大棚的环境进行干预。

3.3 物联网水稻育秧大棚应用效果

该物联网水稻育秧大棚架设在千山区赵武农机合作社,大棚管理者就是合作社的所有者,经过几年的应用,水稻育秧取得了很好的效果,并且通过物联网技术节省了很多劳力。由于育出的秧苗质量高,被其他农户认可,2015年初已经有人提前预定秧苗,确保育秧的销售收益。

4 物联网在冷棚育秧中的存在的问题

首先,物联网在冷棚育秧应用上存在着最大问题就是成本[16]。如果只为一个或者几个大棚搭建物联网系统,那么后台计算和控制的软件的开发成本将成为最大的支出,如果软件系统只是针对单个大棚开发,这样的软件也变相造成资金上的浪费。降低成本的办法就是成规模的大棚集中使用系统从而摊薄软件开发成本。由于农户只看到传感器和应用设备,对看不见的软件并不容易买账。故此物联网软件平台最好是开放式的公共平台,由政府主持管理,对数据流量进行补贴。

其次,物联网在冷棚育秧中最为核心的功能----智慧管理或专家系统依然缺失。专家系统收集传感设备上传信息,根据秧苗生长阶段最适合的环境条件为执行功能设备提供策,通过报警提示通知管理者进行处置。由于水稻育秧在出芽前和出芽后不同叶龄时期都有生长最佳的环境参数,只有大量记录数据配合育秧效果形成数据库,通过相应的回归分析才能完善专家系统;也只有专业系统才能代替经验,科学管理水稻育秧。

最后,物联网的技术标准尚未统一,而且不同行业标准组织又各有侧重,重叠和交叉较少,标准化工作也处于不同阶段;同时由于物联网技术发展迅速,新的技术和设备也在不断升级中,由于软件开发公司都是独立开发,并且不提供源代码公开,所以后台运行的程序和软件的兼容性不强;这些因素都会制约物联网在农业领域里的使用和推广。

物联网已经被国家列为新兴战略性产业之一,在农业领域里的广泛应用已经成为必然趋势,如果政府提供服务器,开发开源管理软件,完善智能管理,统一技术标准,降低使用成本,将为物联网在冷棚育秧中乃至整个农业领域里发挥其巨大潜力提供必要的条件。

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Application of IOT technology in cold shed seedlings cultivation of rice of Liaoning province

LYUHongjing1,2

(1. College of Engineering, Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, China;2. Liaoning Province Agricultural Mechanization Technology Extending Organization, Shenyang 110034, China)

In recent years, IOT technology has been dramatically developed, which has already operated in agricultural production. This new trend has been well known, so Ministry of Agriculture and Ministry of Science and Technology togetherproposed IOT as new Internet technology to increase the modern agriculture productionlevel. Liaoning Province rice transplanting has entered the comprehensive mechanized production stage. However, to makerice transplanter fully operated,only massive greenhouses (cold shed)cultivationcould guarantee the quality and quantityof rice seedlings. Rice seedling cultivation requires high technology, and because during the lifetime of seedling, seeds required different critical environment factors in different time. The failures of seeding works could cause total ruin, which occurred in Liaoning Province several times. This disaster not only wasted money, but also missed the planting time. IOT could monitor the seeds growing environment in real time, by using the IOT, we can adjust the environment factors which completely matchthe suitable cultivation parameters. Take Qianshan County IOT seedlings cultivation greenhouseas for example,this article introduces the structure, functions, operation results and problems of greenhouses’ IOT system. To protect IOT technology operated healthily in agricultural production, government policy support is indispensability.

internet of things; rice; cold shed; grow seedlings

2015-05-26。

农业部公益性行业(农业)科研专项基金项目(201203059-1)。

吕宏靖(1980-),男,辽宁沈阳人,沈阳农业大学博士研究生,辽宁省农业机械化技术推广总站高级工程师。

1673-5862(2016)01-0033-04

S237

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.008