基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精細(xì)農(nóng)業(yè)解決方案23

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精細(xì)農(nóng)業(yè)解決方案 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精細(xì)農(nóng)業(yè)解決方案 一、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢 國際農(nóng)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三個主要 發(fā)展階段。本世紀(jì)以來，農(nóng)業(yè)的發(fā)展在取得成就的同時，帶來了嚴(yán)重 的環(huán)境問題。對此，人們提出了一系列的替代農(nóng)業(yè)對策，如回歸型農(nóng) 業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)、綜合農(nóng)業(yè)等發(fā)展模式。自 90 年代以來， 隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）、變 量處理設(shè)備（VRT）和決策支持系統(tǒng)（DSS）等技術(shù)的發(fā)展，精細(xì)農(nóng)業(yè) 作為基于信息高科技的集約化農(nóng)業(yè)問世了，并成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的 熱門領(lǐng)域

2、。精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心是指實時地獲取地塊中每個小區(qū)土壤、農(nóng) 作物的信息，診斷作物的長勢和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并按每一 個小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地在每一個小區(qū)上進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥，以 達(dá)到最大限度地提高水、肥和殺蟲劑的利用效率，增加產(chǎn)量，減少環(huán) 境的污染的目的。 近幾年來，美國、歐洲一些技術(shù)先進(jìn)的農(nóng)場在精細(xì)農(nóng)業(yè)方面已經(jīng) 進(jìn)入中等規(guī)模的實施階段。國外精細(xì)農(nóng)業(yè)的實踐表明：精細(xì)農(nóng)業(yè)不僅 具有重要的經(jīng)濟效益，而且其獲取的詳細(xì)耕作信息有助于解決許多未 知問題。精細(xì)農(nóng)業(yè)的根本效益體現(xiàn)在降低作物的生產(chǎn)成本和過量施用 農(nóng)化產(chǎn)品的污染風(fēng)險。"精細(xì)農(nóng)業(yè)"研究的革命性的意義是提出了一 種經(jīng)營現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的

3、新技術(shù)思想并付諸于實踐，發(fā)展前景已在國際上具 有廣泛的共識。 1 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 圖 1 以色列的現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 同時，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益并增強農(nóng)作物的抗災(zāi)能力，設(shè)施農(nóng) 業(yè) (又稱工廠化農(nóng)業(yè))已成為一種新興的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是借助溫 室及其配套裝置來調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件的新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式， 是農(nóng)業(yè)擺脫自然制約的有效手段，是對常規(guī)農(nóng)業(yè)的革命性發(fā)展，是高 產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和技術(shù)密集型的農(nóng)業(yè)。近年來，國外如以色列、荷蘭 等國在設(shè)施農(nóng)業(yè)中研究和生產(chǎn)方面已達(dá)到很高水平。我國近年來，塑 料大棚和日光溫室為主體的設(shè)施農(nóng)業(yè)正迅速發(fā)展，但與國外相比，普 遍存在科技含量低、勞動強度大、生產(chǎn)水平和效益低下

4、。因此，迫切 需要技術(shù)改進(jìn)，以提高我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的整體水平。 要實現(xiàn)高水平的設(shè)施農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)向精細(xì)化、集約化方向 發(fā)展，利用科技進(jìn)步，特別是重視信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重 要。2009 年 8 月 7 日下午，國務(wù)院總理溫家寶在無錫考察時指出， 物聯(lián)網(wǎng)是新世紀(jì)影響人類發(fā)展的重要技術(shù)之一，并提出了"感知中國" 2 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 的發(fā)展設(shè)想。實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是改善我國農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)手段、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平的有益嘗試。 二、環(huán)境對作物生長的影響 植物只有在一定的環(huán)境范圍內(nèi)才能夠生長。環(huán)境對生長的影響是 綜合的，它既可以通過影響光合、呼吸、蒸

5、騰等代謝過程，也可以通 過影響有機物的合成和運輸?shù)却x過程來影響植物的生長，還可以直 接影響土溫、氣溫，通過影響水肥的吸收和輸導(dǎo)來影響植物的生長。 (1) 溫度和濕度：作物的生長與溫度和濕度有密切關(guān)系，塑料大棚的 控制參數(shù)中，溫度與濕度檢測、控制是主要參數(shù)之一。 (2) 土壤干燥度：作物生長需要水份，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中如何灌水，做到 既不影響作物生長又不浪費水資源是至關(guān)重要的問題。土壤干燥度的 檢測，需要用干燥度傳感器。目前較廣泛采用的干燥度傳感器是由負(fù) 壓傳感器與陶瓷過濾管組成的。 (3) CO 2：農(nóng)作物生長發(fā)育離不開光合作用，而光合作用又與 CO 2 有 關(guān)，所以控制 CO 2 的濃度，有利于

6、作物的生長發(fā)育。 (4) 光照度：設(shè)施農(nóng)業(yè)中，采用栽培管理自動化系統(tǒng)其光源完全為人 工光，而不用太陽光，采用光傳感器來檢測和控制光照強度，使作物 可以得到均勻一致的光照。 (5) 土壤養(yǎng)分：土壤養(yǎng)分依賴于施肥，合理施肥不僅可以提高作物產(chǎn) 量，而且可以避免過施肥而造成不必要的損失。土壤養(yǎng)分的測定包括 3 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 土壤有機質(zhì)、pH 值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測。土壤養(yǎng) 分測定，廣泛采用離子、生物傳感器。 相關(guān)資料表明，在可自動控制室內(nèi)的溫度、濕度、灌溉、通風(fēng)、 二 氧 化 碳 濃 度 和 光 照 的 溫 室 中 ， 每 平 方 米 溫 室 一 季 可 產(chǎn) 番 30kg50

7、kg，黃瓜 40kg，相當(dāng)于露地栽培產(chǎn)量 10 倍以上。其他各類 作物在這種環(huán)境下的產(chǎn)量也將得到明顯的提升。 圖 2 不同耕作環(huán)境單位產(chǎn)量比較 對于溫室葡萄生產(chǎn)過程中環(huán)境條件調(diào)控的好壞直接影響著溫室 葡萄栽培的成敗。因此，環(huán)境調(diào)控成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)。如何科學(xué)、 合理地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、水分、氣體等生態(tài)環(huán)境因子 使之能更好地促進(jìn)葡萄的生長發(fā)育,對于溫室葡萄生產(chǎn)有著重要意 義。 三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國外精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 4 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè) 將物聯(lián)網(wǎng)布設(shè)于農(nóng)田、園林、溫室等目標(biāo)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大量實 時地采集溫度、濕度、光照、氣體濃度等環(huán)境信息，精準(zhǔn)地

8、獲取土壤 水分、壓實程度、電導(dǎo)率、pH 值、氮素等土壤信息，這些信息在數(shù) 據(jù)匯聚節(jié)點匯集，為精確調(diào)控提供了可靠依據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)對匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助生產(chǎn)者有針對地投放農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 資料，智能地控制溫度、光照、換氣等動作，從而更好地實現(xiàn)耕地資 源的合理高效利用和農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理，推進(jìn)我國耕地資源的高 效管理和利用、農(nóng)田管理水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能的提升。 圖 3 精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示意圖 2、在國外的應(yīng)用案例 2002 年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡 萄園。物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢 5 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 測一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確

9、保葡萄可以健康 生長。研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細(xì)微變化可極大地影響葡萄酒的 質(zhì)量。通過長年的數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)分析，便能精確的掌握葡萄酒的 質(zhì)地與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。這是一個典 型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實例。 圖 4 美國俄勒岡無線葡萄園 我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對國家的經(jīng)濟發(fā)展意義重 大。在這些方面，物聯(lián)網(wǎng)有著卓越的技術(shù)優(yōu)勢。它可用于監(jiān)視農(nóng)作物 灌溉情況、土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表 檢測。 四、系統(tǒng)技術(shù)方案 基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可應(yīng)用于葡萄園、大棚等場所， 布設(shè)在葡萄園或大棚中的無線傳感器節(jié)點實時采集農(nóng)作物生長所需 6 北京中能

10、普瑞技術(shù)有限公司 的空氣溫度，空氣濕度，土壤溫度，土壤濕度，光照強度，二氧化碳 濃度等參數(shù)，并通過一種低功耗自組網(wǎng)的短程無線通訊技術(shù)實現(xiàn)傳感 器數(shù)據(jù)的傳輸，所有數(shù)據(jù)匯集到中心節(jié)點，通過一個無線網(wǎng)關(guān)與互聯(lián) 網(wǎng)相連，利用手機或遠(yuǎn)程計算機可以實時掌握農(nóng)作物現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài) 信息，專家系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)診斷農(nóng)作物的生長狀況與病蟲害狀況。 同時在環(huán)境參數(shù)超標(biāo)的情況下，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程對遮陽簾、風(fēng)機、 灌溉裝置等進(jìn)行控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化管理。 本系統(tǒng)可以實現(xiàn)所有農(nóng)作物的監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)，農(nóng)作物研究人員或農(nóng)戶 可以根據(jù)環(huán)境狀況制定合理的生產(chǎn)管理方案，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì) 量，走品牌化的發(fā)展道路，提高農(nóng)作物的競爭力與生

11、產(chǎn)效益。 圖 5 方案示意圖 7 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 五、系統(tǒng)組成部分 1、傳感器單元 （1）氣體溫濕度傳感器：SHT 1x / SHT 7x 特性：選用瑞士進(jìn)口高精度、低功耗智能化傳感器探頭，精度高、 功耗低、體積小，可實現(xiàn)溫濕度值的一體化測量。 圖 6 氣體溫濕度傳感器 （2）百葉窗式溫、濕度傳感器防護罩： "百葉窗護罩"能使氣流均勻平行流 過傳感頭，并且能遮蔽直射光以減少對 溫度的測量影響，同時，可防止冷凝水 或霧噴系統(tǒng)從任何角度射來的水流的浸 入。 圖 7 氣體溫濕度傳感器防護罩 8 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 （3）土壤水分傳感器：該傳感器采用先進(jìn)的"

12、;時域反射原理"，桿 式設(shè)計，適用于測量任何類型土壤的體積含水量，測量精確，性能穩(wěn) 定可靠。 圖 8 土壤水分傳感器 （4）土壤溫度傳感器：體積小，使用方便，測量精度高，功耗低， 可廣泛應(yīng)用于固體、液體等需要溫度測量的場合 圖 9 土壤溫度傳感器 （5）光照傳感器 體型小巧，安裝方便，殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，使用壽命長密封性好， 測量精度高，穩(wěn)定性好，傳輸距離長，抗外界干擾能力強，結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 合理，外觀質(zhì)量佳，可廣泛用環(huán)境、溫室、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等的光線強度測 量。 圖 10 光照傳感器 2、數(shù)據(jù)采集單元 (1)無線傳感器采集器 圖 11 無線傳感器采集器 Ø

13、 采集溫室的溫度濕度清況，并無線傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)， Ø 本采集器集數(shù)據(jù)采集傳輸一體，電池供電時間長， Ø 安裝簡便，成本低。 10 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 Ø 適合于只需要采集溫度濕度的溫室應(yīng)用。 (2)多通道無線數(shù)據(jù)采集器 應(yīng)用在多種數(shù)字信號、模擬信號的采集，可應(yīng)用于不方便布線的場合。 1、功能特點： Ø 實現(xiàn) 4-20mA 信號，0-5V 信號，數(shù)字信號的采集 Ø 太陽能供電、220V 電源供電、電池供電可選， Ø ZigBee 協(xié)議、美國 TI 專有協(xié)議 Ø 可視傳輸距離 100m 1000m Ø 對等網(wǎng)絡(luò)，

14、點對點，點對多點，Mesh 網(wǎng)路 Ø 安全的數(shù)據(jù)，128 位加密技術(shù)，授權(quán)與驗證，跳頻技術(shù) Ø 防水，防曬，防雷擊設(shè)計 Ø 可以定制 圖 12 無線數(shù)據(jù)采集器 3、互聯(lián)互通部分 (1) ZigBee 調(diào)制解調(diào)器 性能指標(biāo) 11 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 Ø ZigBee 轉(zhuǎn) RS232、RS485、以太網(wǎng) Ø 工作頻率為 ISM 2.4 GHz Ø 傳輸距離室外 1000m，室內(nèi) 100m Ø RF 數(shù)據(jù)傳輸率：250000bps Ø 工業(yè)級溫度范圍(-40 - 85C) 圖 13 ZigBee 無線串口裝置 (2

15、) ZigBee 智能網(wǎng)關(guān) 應(yīng)用范圍：在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域數(shù)據(jù)的跨區(qū)域的傳輸，且不 方便布線的場合。 1、主要功能 Ø 通過 GPRS 傳輸，實現(xiàn) ZigBee 個域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息互通和多 網(wǎng)融合 Ø RS232 接口，以太網(wǎng)接口，串口可選 Ø 自帶 SD 存儲卡，可數(shù)據(jù)本地存儲 12 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 Ø 彩屏液晶(可選)，數(shù)據(jù)本地顯示 圖 14 無線智能網(wǎng)關(guān) 4、智能管理與決策系統(tǒng)軟件 （1）農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng) 通過計算機對農(nóng)業(yè)環(huán)境的溫度、濕度、光照、氣體、土壤溫濕度 進(jìn)行實時監(jiān)測、圖像視頻監(jiān)控、曲線顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理等管 理

16、功能，同時根據(jù)監(jiān)測的信息對環(huán)境進(jìn)行控制，使植物生長在合適的 環(huán)境中。 系統(tǒng)具有多種界面顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計、 超限報警、用戶管理等功能。系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫持久化存儲及 Excel 格 式數(shù)據(jù)導(dǎo)出。采用 mysql 開源數(shù)據(jù)庫存儲，支持報表打印、歷史曲線 打印及在 Excel 里打印。通過輸入查詢時間，即可查詢所需被測點對 應(yīng)時間內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄和曲線記錄。可統(tǒng)計某個時段內(nèi)的溫濕度平均 值。當(dāng)監(jiān)測數(shù)值達(dá)到報警條件時，以改變相應(yīng)數(shù)據(jù)顏色方式發(fā)出警報； 13 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 根據(jù)不同的用戶設(shè)置管理員、監(jiān)測員等權(quán)限，具有實時數(shù)顯、實時曲 線、數(shù)據(jù)報表等多種數(shù)據(jù)顯示方式，畫面具體生

17、動。 圖 15 部署架構(gòu)圖 圖 16 系統(tǒng)界面示例 14 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 圖 17 監(jiān)控界面說明 圖 18 曲線顯示圖 實時曲線圖可以切換【溫度】、【濕度】、【土壤溫度】、【土 壤濕度】、【光照強度】、【CO 2 濃度】參數(shù)，當(dāng)光標(biāo)移到曲線所在 的范圍之內(nèi)，將看到任意時段的數(shù)值。 15 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 圖 19 查看詳細(xì)監(jiān)測數(shù)值 若想查看一段時間內(nèi)更詳細(xì)的曲線，則可將鼠標(biāo)點住曲線并拖 動，如圖 19，松開鼠標(biāo)即得到該區(qū)段的詳細(xì)曲線圖，見圖 20。 圖 20 顯示詳細(xì)監(jiān)測數(shù)值 用戶可以選擇查詢方式，有三種查詢方式：按大棚名進(jìn)行查詢、 按數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、按時間查詢，默認(rèn)為按數(shù)據(jù)進(jìn)

18、行查詢。 16 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 圖 21 數(shù)據(jù)查詢 數(shù)據(jù)查詢不僅可以直接在網(wǎng)頁上顯示，還可以直接打印，或者導(dǎo) 出 Excel 格式以供方便查看和記錄。 圖 22 日志管理 17 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 圖 23 閾值設(shè)置 圖 24 用戶權(quán)限設(shè)置 圖 25 密碼修改 （ 2）作物生產(chǎn)專家系統(tǒng) 18 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 中能普瑞開發(fā)的作物生產(chǎn)專家系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測的信息對作物 的病蟲害清況、生長周期、結(jié)果狀況進(jìn)行預(yù)測，對作物的生產(chǎn)進(jìn)行診 斷，從而能夠控制作物生長最合適的環(huán)境，提高作物產(chǎn)量 2-3 倍，提 高作物的品質(zhì)。 圖 26 農(nóng)作物生產(chǎn)專家系統(tǒng) 六、方案實施效益分析 對于農(nóng)業(yè)種植戶而言，傳感器網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用擺脫了傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴天氣，憑經(jīng)驗生產(chǎn)的方式，將使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走上工廠 化生產(chǎn)，精細(xì)化生產(chǎn)的道路，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)工人足不出戶即可接受 農(nóng)業(yè)專家的指導(dǎo)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與質(zhì)量大大提高。 對于運營商而言，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，有利于拓展無 線城市的應(yīng)用方向，有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中得 19 北京中能普瑞技術(shù)有限公司 到普及，運營商可以獲得源源不斷的收益。 對于當(dāng)?shù)卣?，農(nóng)產(chǎn)品