物联网技术在蓝莓病虫害监测预警中的应用初探

引 言

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展 的第三次浪潮。国际电信联盟（ITU）对物联网的定义为 ：物 联网实现物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）和人到人（Human to Human，H2H）的互连。 这里人与物的互连指人使用传感器等设备后与物体的互连，而 人与人的互连指人使用传感系统而不是现在的电脑来实现人与 人之间的互连 [1]。物联网技术是指通过射频识别（RFID）、传 感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定 的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯， 以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术 [2]。

农业作为我国的基础产业，其信息化、智能化程度非常 重要。传统的农田环境监测有诸多局限性，如缺乏灵活性、 耗费人力和物力等，而物联网技术的应用为农田环境监测提供 了全新的方法。鉴于物联网技术的众多优点，构建了基于物联 网的农田环境监测系统，并在此基础上设计了一种基于物联网 技术的蓝莓病虫害监测预警系统。

1 农田环境监测系统体系结构

目前，物联网技术被广泛运用于农业生产中，特别是农田环境监测中，通过分析监测得到的环境及植物的生长信息， 还可进行病虫害的预测预报。

物联网技术是一种全新的数据采集和信息处理方法，将物联网技术应用于农田环境监测已成为当前的热点。应用物联网技术构建的农田环境监测体系结构如图 1 所示。

物联网技术的关键技术之一是传感器网络技术，传感器网络是利用大量传感器节点通过无线通信方式组成的一个多跳自组织网络系统，能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用[3]。在图 1所示的体系结构中，传感层采用的是无线传感网络方式，其由大量的自组织传感节点组成。普通节点采集农田环境数据后通过ZigBee无线传输到簇首节点，簇首节点再通过同样的方式将数据传给汇聚节点[4]。

系统中， 网络层由网关节点、4G 网和 Internet 网组成。监测数据通过网关节点后可直接由串口模块传输到本地监测端。此外，也可通过 4G 模块传给远程监控中心，然后远程监测端和手机端通过Internet 可从远程服务器读取监测信息。

应用层由本地监测端、手机端和远程监测端组成。本地监测中心的技术人员通过本地监测端实时监测农田环境并根据环境变化提供相应的防治措施。农户、网民和技术人员经过注册后，可以用不同身份登录手机端和远程监测端对监测数据进行查询和下载。

2 基于物联网技术的蓝莓病虫害监测预警系统设计

蓝莓（Blueberry）又称越桔、蓝浆果， 果实可食率近100%，果肉细腻、口感好，含有多种人体必需的营养物质，有“世界水果之王”的美誉。目前，全球对蓝莓的需求量在不断增长。贵州是西南乃至全国最早大规模开展蓝莓商业引种的区域。蓝莓驯化和商业化栽培时间不长，规模化种植初期病虫害较少，但随着蓝莓种植面积急剧增大，病原物日积月累，病虫害造成的危害日益严重。经过对各蓝莓种植基地的系统调查，发现贵州蓝莓栽培区都有病虫害发生。病害共分为 11 种，其中生理性病害有4 种，侵染性病害有 7 种，虫害共12 种。除灰霉病、金龟子幼虫和果蝇外，其他侵染性病虫害发生数量少，造成的危害较轻。经调查，2014 年在部分果园中，灰霉病造成的蓝莓减产达 60%。而金龟子幼虫是地下害虫，由于发现较为困难，因此发生程度严重。果蝇在果实接近成熟期会对其造成危害，而有效的防治方法却不多，所以也会造成重大损失 [5]。

因此，通过对蓝莓生长环境进行监测，有助于针对蓝莓进行及时、有效的病虫害预警。病虫害预警是指通过对环境、病原、个体本身等进行监测，分析所获得的监测数据，并根据影响因子之间的相互关系对未来个体的发病情况进行预测， 预测的数据超过报警上限就进行预警 [6]。

以本地监测端为例，通过结合物联网技术，建立蓝莓病虫害监测预警系统，可为广大技术人员提供一个病虫害数据处理分析和数据资料管理及传输的平台，从而加快蓝莓病虫害信息发布的速度，提高蓝莓病虫害预警和防治的工作效率。参照物联网体系结构，基于物联网技术的蓝莓病虫害监测预警系统的结构层次可分为数据接收层、业务处理层和结果显示层三层。基于物联网技术的蓝莓病虫害监测预警系统结构图如图 2 所示。

(1) 数据接收层是蓝莓病虫害监测预警系统中的信息获取部分，由传感器接收的数据和症状信息组成。

(2) 业务处理层通过对两类接收信息进行综合分析和处理，得出预警警级和预警预案，本层包括病虫害预警子系统。蓝莓病虫害的发生情况受温度、湿度等外部环境的影响，据此，可以对病虫害的发生情况进行早期预警。该系统通过安装 RFID传感器等监测蓝莓生长过程中温度、湿度、土壤等环境因素的变化，记录的数据通过业务处理层进行数据库汇总并传送至病虫害预警子系统，系统经过分析处理，及时发布病虫害预警信息，以实现病虫害的早期预警。通过该子系统， 用户还可以浏览监测数据，管理员也可通过系统维护实现数据的添加和用户信息的维护。

(3) 结果显示层将业务处理层处理的结果以短信或网页的方式显示给用户。

病虫害预警子系统流程图如图 3 所示。

病虫害预警子系统的运行主要涉及数据预处理、建立病虫害预测模型和发布预警信息三方面。数据预处理阶段主要对采集的数据和调查资料进行分析，从中找出蓝莓病虫害发生的主要因素以及能够评价病虫害程度的一些指标，从而建立蓝莓病虫害预警指标体系，根据不同指标和因素对病虫害程度进行分析，确定预警阈值。通过对多种方法进行比较，选用专家系统进行病虫害预警子系统的搭建，借助该系统能对蓝莓病虫害类型、病虫害发生时间和病虫害发生范围进行预测。系统还可通过 4G 无线通信模块发布预警信息到远程客户端。

3 结 语

为了更好地实现对蓝莓病虫害的实时预警，设计了一个基于物联网的蓝莓病虫害监测预警系统。该系统的构建不仅可帮助植保技术人员实时查询蓝莓生长环境数据，结合专家系统，还能根据这些数据对蓝莓病虫害舆情进行预测预报。