物聯(lián)網(wǎng)在智能農(nóng)業(yè)中的應用(終稿)

1、 物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用摘 要人類歷史進入新的時期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也隨著人類文明的發(fā)展而有了巨大的飛躍。從生產(chǎn)工具、生產(chǎn)方式的不斷更新中，我們的農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提升。刀耕火種的日子一去不復返，人們的生活水平也有了很大的提升。進入21世紀以后，科學技術的發(fā)展也帶動著農(nóng)業(yè)技術的革命。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代網(wǎng)絡聯(lián)姻，將農(nóng)業(yè)和因特網(wǎng)技術聯(lián)系在一起，創(chuàng)新了生產(chǎn)方式，也催生了現(xiàn)代的智能精確農(nóng)業(yè)。本文試著將所學的物聯(lián)網(wǎng)技術用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，名為“精確農(nóng)業(yè)”的高科技農(nóng)業(yè)工程，即利用衛(wèi)星、遙感、計算機和自動控制等高新技術于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以提高產(chǎn)量，降低能耗。這項國際先進的農(nóng)田耕作技術成熟后將向全國推廣，以解決我國地少人多的農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶

2、頸、減少污染和浪費，走農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的道路。高科技可以促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，智能管理可以實現(xiàn)各類農(nóng)業(yè)資源的高效利用，也可以實現(xiàn)改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標；不但可以最大限度的提高農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)出、低能耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展型農(nóng)業(yè)的高效途徑。關鍵詞：精確農(nóng)業(yè); 物聯(lián)網(wǎng); 智能農(nóng)業(yè) 目錄引言31 研究背景和意義31.1研究的背景31.2 智能精確農(nóng)業(yè)實例介紹41.3 研究的現(xiàn)實意義52 研究目標52.1 無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺52.2 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)62.3 農(nóng)業(yè)大棚信息系統(tǒng)63 農(nóng)業(yè)應用中各類傳感器簡介73.1 各類傳感器產(chǎn)生背景73.2 各類傳感器簡介84 研究內(nèi)容94.1

3、精確農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺94.2 精準農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)104.3 物聯(lián)網(wǎng)感應的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)105 在農(nóng)業(yè)中的應用125.1 典型應用之智能農(nóng)業(yè)大棚125.1.1溫室信息環(huán)境采集125.1.2無線傳感器網(wǎng)絡自動灌溉系統(tǒng)135.1.3 系統(tǒng)功能特點145.2 智能農(nóng)業(yè)在應用領域的未來145.3 智能精確農(nóng)業(yè)的特點15結束語16參考文獻16致 謝17 引言物聯(lián)網(wǎng)基本定義：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“The Internet of things”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴

4、展的網(wǎng)絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間，進行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡1?，F(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的定義：“精確農(nóng)業(yè)”（Precision Agriculture），指的是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、連續(xù)數(shù)據(jù)采集傳感器（CDS）、遙感（RS）、變率處理設備（VRT）和決策支持系統(tǒng)（DSS）等現(xiàn)代高新技術，獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結構

5、、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間及時間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，并采取技術上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，區(qū)域?qū)Υ?，按需實施定位調(diào)控的“處方農(nóng)業(yè)”；它是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術支持的根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀，調(diào)節(jié)對作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標，進行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術組裝、科學管理”，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益

6、和環(huán)境效益2。1 研究背景和意義1.1研究的背景傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的運行模式已適應不了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，對于產(chǎn)品質(zhì)量問題，資源分配不均、嚴重不足且普遍浪費，環(huán)境污染，農(nóng)產(chǎn)品種類需求多種多樣等諸多問題使農(nóng)業(yè)的發(fā)展陷入不良循環(huán)，而精確農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一條光明道路，精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比而言最大的特點是以高新技術和合理管理換來了對資源的最優(yōu)利用。它是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，讓我國的農(nóng)業(yè)實現(xiàn)低能耗、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保等目標，是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展新的趨勢，同時也讓我國農(nóng)業(yè)邁向21世紀。1.2 智能精確農(nóng)業(yè)實例介紹精確農(nóng)業(yè)是最近幾年來在美國、加拿大和歐盟一些國家發(fā)展起來的高新技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結合的新型

7、農(nóng)業(yè)模式。它的特點是“精確”，它利用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)、遙測遙感技術和計算機，做到精確作業(yè)、精確施肥和精確估產(chǎn)。 波特是美國明尼蘇達州的農(nóng)民，他駕駛拖拉機在田里工作，表面上看它和別的農(nóng)民沒有什么區(qū)別。但是，他的拖拉機上裝了一部586電腦，從屏幕上可看到面積達700公頃的玉米和大豆田的地圖，計算機還會告訴他哪個地方需要施肥，施多少肥；如果再裝一個衛(wèi)星信號接收器，就可以收到全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)出的遙感遙測信息，根據(jù)這些信息可進行精確的土壤調(diào)查、合理施肥、作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和土地合理利用等10。 土壤調(diào)查和合理施肥可減少用肥量，減少浪費、減少投入，從而提高經(jīng)濟效益。土壤調(diào)查首先要采集土壤樣品，如在播

8、種之前，農(nóng)民駕駛適合地形的車輛在土地上行駛一遍，采集土壤樣品數(shù)據(jù)，并輸入計算機；同時全球定位系統(tǒng)精確記錄下樣品采集地的位置，繪出土壤成分分布圖。另外，存入計算機的施肥軟件就能根據(jù)不同土壤、不同肥料類型和不同作物的施肥標準，推薦最佳方案，做到合理施肥。 作物估產(chǎn)不但能較準確監(jiān)測產(chǎn)量，還能繪出產(chǎn)量分布圖。當農(nóng)民駕駛聯(lián)合收割機收割玉米時，玉米棒就碰動收割機上計數(shù)器的開關，從而計算出收割的玉米棒子數(shù)；與此同時，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)記錄收割這些玉米棒時收割機所處的地理位置，這樣就可畫出產(chǎn)量分布圖和計算出每塊土地的產(chǎn)量，根據(jù)產(chǎn)量分布圖也可判斷出何處缺肥，需要施多少肥。 精確農(nóng)業(yè)能針對各條塊農(nóng)田的土壤結構。肥力

9、狀況和作物生長情況等因素的精確測量和計算，提出種子、化肥、生長劑、除草劑、殺蟲劑等的合理用量。美國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部依阿華州艾姆斯土壤耕作實驗室制訂了一項“衛(wèi)星指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)合計劃”，在種植大豆、玉米、燕麥和苜蓿的450公頃農(nóng)田上進行試驗，每隔13米收集一組農(nóng)田各種數(shù)據(jù)信息，輸入計算機，并同時在拖拉機上安裝了無線電信號接收系統(tǒng)，接收衛(wèi)星信號，并確定自身位置。拖拉機即可根據(jù)聯(lián)合計劃，進行各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。1.3 研究的現(xiàn)實意義通過分析，讓我們知道，在實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的道路上，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)依然存在著諸多問題，因為現(xiàn)有的技術是基于有線的；而基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)無疑更具發(fā)展?jié)摿Γ瑹o線網(wǎng)絡系統(tǒng)具有較高

10、的帶寬傳輸能力，抗干擾能力強、安全保密性良好，而且功率譜密度低。我們可以利用上述特點，針對農(nóng)田信息采集和管理組建新的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)農(nóng)田信息的無線、實時傳輸。同時，可以給用戶提供更多的決策信息和技術支持，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠程管理。對比國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在精確農(nóng)業(yè)發(fā)展模式上的弊病，沒有在應用的結合點上技術熟練的人才，信息標準不統(tǒng)一和技術不成熟。最為尷尬的是，國內(nèi)更多的是示范工程和項目，僅僅停留在試驗和演示階段而沒有能夠形成產(chǎn)業(yè)的應用項目。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則致力于將精確農(nóng)業(yè)從概念化轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化，更專注于應用領域和產(chǎn)品化，力圖為智能精確農(nóng)業(yè)的大規(guī)模推廣應用

11、打下良好的基礎。綜上所述，智能精確農(nóng)業(yè)取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然，更是符合我國國情的選擇，智能精確農(nóng)業(yè)可以促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標，不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。 2 研究目標2.1 無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺建立無線的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺，對農(nóng)作物的生長過程進行多方面監(jiān)管和精確調(diào)控。在大棚控制系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、CO2傳感器等設備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等物理量參數(shù)，通過各

12、種儀器儀表實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。遠程控制的實現(xiàn)使技術人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡來測量來獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準調(diào)控提供科學依據(jù)，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。2.2 農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)感應的農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)，達到節(jié)水、節(jié)能、高效的目的。利用傳感器感應土壤的水分并控制灌溉系統(tǒng)以實現(xiàn)自動節(jié)水節(jié)能，可以構建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺。農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70。據(jù)統(tǒng)計，因干旱我國糧食每年平均受災面積達兩千萬公

13、頃，損失糧食占全國因災減產(chǎn)糧食的 50。長期以來，由于技術、管理水平落后，導致灌溉用水浪費十分嚴重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅40。如果根據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息，實時控制灌溉時機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實時監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，則需要較高的布線成本，不便于擴展，而且給農(nóng)田耕作帶來不便。因此，設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點通過ZigBee自組網(wǎng)方式構成，從而避免了布線的不便、靈活性較差的缺點，實現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測，農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動化控制，既提高灌溉用水利用率，緩解我國水資源日趨緊張的矛盾，也

14、為作物生長提供良好的生長環(huán)境。2.3 農(nóng)業(yè)大棚信息系統(tǒng)構建智能農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)從生產(chǎn)到質(zhì)檢和運輸?shù)臉藴驶途W(wǎng)絡化管理。智能農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)主要研究溫度、化學等多種傳感器對農(nóng)產(chǎn)品的生長過程全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理；結合RFID電子標簽在培育、生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)應用層：精準農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、溫室控制、節(jié)水灌溉、氣象檢測、產(chǎn)品安全與溯源、設備智能診斷管理等物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層：數(shù)據(jù)信息管理中心、2G/3G/4G網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)專家系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)感知層：RFID讀寫器、攝像頭、傳感器網(wǎng)絡圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系構架質(zhì)檢、運輸?shù)冗^程中，進行可識別的實時數(shù)據(jù)存儲和管理。本系統(tǒng)致力于構建基于物聯(lián)網(wǎng)的專用農(nóng)業(yè)

15、評估信息系統(tǒng)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標準化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化。3 農(nóng)業(yè)應用中各類傳感器簡介3.1 各類傳感器產(chǎn)生背景有需求就有市場，當今世界在各項技術方面都有先驅(qū)者，傳感器領域也是科學發(fā)展十分重要的分支。在十五期間，國家863計劃數(shù)字農(nóng)業(yè)重大專項實現(xiàn)了農(nóng)田信息采集技術的突破，推出了一批成本低、高性能的土壤水分和作物營養(yǎng)信息采集技術產(chǎn)品，基本解決了數(shù)字農(nóng)業(yè)信息快速獲取技術瓶頸問題。開展了農(nóng)田水分、養(yǎng)分、作物長勢、冠層生理與生態(tài)因子、品質(zhì)、產(chǎn)量和蟲害草害等信息采集關鍵技術研究，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的新型土壤水分傳感器，研制了土壤和作物養(yǎng)分信息快速采集方法與新型配套儀器設備;在蟲害與雜

16、草動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究方面取得了重大進展，開發(fā)了基于稱重傳感器的高精度智能測產(chǎn)系統(tǒng)，解決了智能測產(chǎn)與谷物品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的精度難題;使我國農(nóng)業(yè)信息快速獲取邁出了新的步伐5。3.2 各類傳感器簡介為了適應現(xiàn)代化溫室和工廠化栽培調(diào)節(jié)與環(huán)境控制 (控制溫度、濕度、光照、噴灌量、通風等)，以培育各種秧苗，栽培各種果蔬和作物。在這個過程中，需要溫度傳感器、濕度傳感器、PH 值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、CO2 傳感器等檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH 值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2 濃度等物理量參數(shù)，通過各種儀器儀表實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生

17、長環(huán)境。在果蔬和糧食的儲藏中，傳感器也發(fā)揮著巨大的作用，制冷機根據(jù)冷庫內(nèi)溫度傳感器的實時參數(shù)值實施自動控制并且保持該溫度的相對穩(wěn)定。氣調(diào)庫相比冷藏庫是更為先進的貯藏保鮮方法，除了溫度之外，氣調(diào)庫內(nèi)的相對濕度(RH)、O2 濃度、CO2 濃度、乙烯(C2H4)濃度等均有相應的控制指標?？刂葡到y(tǒng)采集氣調(diào)庫內(nèi)的溫度傳感器、濕度傳感器、O2 濃度傳感器、CO2 濃度傳感器等物理量參數(shù)， 通過各種儀器儀表適時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證有一個適宜的貯藏保鮮環(huán)境，達到最佳的保鮮效果。在作物的生長過程中還可以利用形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等來監(jiān)測物的外形、顏色、大小等，用來確定物

18、的成熟程度, 以便適時采摘和收獲；可以利用二氧化碳傳感器進行植物生長的人工環(huán)境的監(jiān)控，以促進光合作用的進行4。例如, 塑料大棚蔬菜種植環(huán)境的監(jiān)測等；可以利用超聲波傳感器、音量和音頻傳感器等進行滅鼠、滅蟲等；可以利用流量傳感器及計算機系統(tǒng)自動控制農(nóng)田水利灌溉。生物技術、遺傳工程等都成為良種培育的重要技術，在這其中生物傳感器發(fā)揮了重要的作用。農(nóng)業(yè)科學家通過生物傳感器操縱種子的遺傳基因，在玉米種子里找到了防止脫水的基因，培育出了優(yōu)良的玉米種子。此外，監(jiān)測育種環(huán)境還需要溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器等； 測量土壤狀況需用水分傳感器， 吸力傳感器、氫離子傳感器、溫度傳感器等；測量氮磷、鉀各種養(yǎng)分需要用

19、各種離子敏傳感器7。在動物飼養(yǎng)中也有傳感器應用，如有可用來測定畜、禽肉鮮度的傳感器。它可以高精度地測定出雞、魚、肉等食品變質(zhì)時發(fā)出的臭味成分二甲基胺( DMA ) 的濃度，其測量的最小濃度可以達到1ppm，利用這種傳感器可以準確地掌握肉類的鮮度，防止腐敗變質(zhì)。也有用來檢測雞蛋質(zhì)量的傳感器。4 研究內(nèi)容4.1 精確農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺研究智能農(nóng)業(yè)大棚中的物聯(lián)網(wǎng)技術，建立無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺。密集的網(wǎng)絡是一種無中心節(jié)點的全分布系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網(wǎng)絡系統(tǒng)。其目的是協(xié)作

20、地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡集傳感器技術、微機電系統(tǒng)(MEMS) 技術、無線通信技術、計算技術和分布式信息處理技術于一體，因其廣闊的應用前景而成為當今世界上備受關注的、多學科高度交叉的熱點研究領域6。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式都很有限，主要是通過人工測量，獲取過程需要消耗大量的人力，而通過使用無線傳感器網(wǎng)絡可以有效降低人力消耗和對農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息。目前無線技術在農(nóng)業(yè)中的應用比較廣泛，但大都是具有基站星型拓撲結構的應用，并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡。農(nóng)業(yè)一般應用是將大量的傳感器節(jié)點構成， 通過各種傳感器采

21、集信息，以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且準確地確定發(fā)生問題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力溫度傳感器濕度傳感器 CO2傳感器 光照傳感器 。傳感器無線路由節(jié)點無線路由節(jié)點控制命令監(jiān)測數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡監(jiān)控中心圖2 農(nóng)業(yè)無線網(wǎng)絡示意圖為中心、依賴于孤立機械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式, 從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產(chǎn)設備。圖2所示為該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖。其主控系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，采用ARM9 S3C2410處理器與Linux操作系統(tǒng)，具有通信網(wǎng)絡、通用外設接口，能對其中設備進行控制管理。該嵌入式網(wǎng)關連接內(nèi)、外信息傳輸通道皆采用無線的方式，外部

22、網(wǎng)絡以基于IP網(wǎng)絡技術、提供通用分組無線業(yè)務的GPRS通信網(wǎng)絡為基礎。內(nèi)部網(wǎng)絡采用短距離、低功率ZigBee 無線通信技術，結合農(nóng)業(yè)領域?qū)Ｓ孟盗袀鞲衅鲗r(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境中的溫濕度、PH值、光照以及土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)進行采集和傳輸。4.2 精準農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)數(shù)字化管理技術主要研究溫度、化學等多種傳感器對農(nóng)產(chǎn)品的生長過程全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理；結合RFID電子標簽在培育、生產(chǎn)、質(zhì)檢、運輸?shù)冗^程中，進行可識別的實時數(shù)據(jù)存儲和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標準化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化。數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)集成網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和動態(tài)數(shù)據(jù)服務。生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理系統(tǒng)以一定物理模式和邏輯模式

23、的形式進行架設。具體涉及：遙感影像或相關圖像的處理與分析：包括高分辨率的遙感影像及其它以圖像方式提供的各類數(shù)據(jù)；地物的空間模型：包括對象、地形、環(huán)境、網(wǎng)絡和拓樸關系等；屬性信息管理：即動、靜態(tài)數(shù)據(jù)管理；空間分析：包括緩沖區(qū)、測量、等值線及地統(tǒng)計分析與圖表等；應用程序：包括服務器和客戶端程序，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理平臺的系統(tǒng)功能；其它附屬功能：統(tǒng)計分析等8。此系統(tǒng)在功能上可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息查詢與發(fā)布、專家決策知識庫優(yōu)化決策與分析，達到信息、技術和網(wǎng)絡的高效結合，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準數(shù)字化控制管理。4.3 物聯(lián)網(wǎng)感應的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡，負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每個

24、ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡有一個網(wǎng)關節(jié)點和若干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。監(jiān)測網(wǎng)絡采用星型結構，網(wǎng)關節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站。網(wǎng)關節(jié)點具有雙重功能，一是充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的角色，負責網(wǎng)絡的自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯集;二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。此系統(tǒng)具有自動組網(wǎng)功能，無線網(wǎng)關一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網(wǎng)關，有無線網(wǎng)關進行編址并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設備關聯(lián)表等。該系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關、監(jiān)控中心心四大部分組成，通過ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關之間通過GPRS進行墑情及控制信息

25、的傳遞。每個傳感節(jié)點通過溫濕度傳感器，自動采集墑情信息，并結合預設的濕度上下限進行分析，判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會發(fā)出電壓過低的報警信號，發(fā)送成功后，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關連接ZigBee無線網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，是基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分，負責無線傳感器節(jié)點的管理。傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主形成一個多跳的網(wǎng)絡。溫濕度傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點，路由節(jié)點根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關的信息。通過網(wǎng)關把數(shù)

26、據(jù)傳給遠程監(jiān)控中心，便于用戶遠程監(jiān)控管理。本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)組成框圖如下圖所示。圖3 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)5 在農(nóng)業(yè)中的應用5.1 典型應用之智能農(nóng)業(yè)大棚由于瓜果蔬菜對生長環(huán)境有著嚴格的要求，所以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)搭建了溫室大棚來控制植物的生長環(huán)境，以實現(xiàn)跨地區(qū)與跨季節(jié)的瓜果蔬菜培育?？梢姡h(huán)境在溫室大棚中起著重要的作用。傳統(tǒng)的大棚環(huán)境控制，是通過全人工的方式來實現(xiàn)的。在每一大棚中放置一個溫度計，濕度計，二氧化碳濃度計等，由技術員巡查每一大棚的環(huán)境參數(shù)后，若發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)不對，就要采取一定的措施來進行補償。比如，溫度過高的話，就要打開卷簾通風或者打開通風機等。這樣的操作方式對于只有

27、少量大棚的農(nóng)戶，還可以應付的過來，但如果大棚數(shù)量多，就需要花費大量的人工去查看各大棚的環(huán)境參數(shù)，對環(huán)境異常的大棚進行操作，大大降低了工作效率。GHM智能溫室系統(tǒng)，可對各不同大棚的環(huán)境參數(shù)進行實時的監(jiān)測并報警，并可遠程控制各大棚不同的電動設備，如卷簾機，灌溉機等。使技術人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制，以使植物獲得最佳的生長環(huán)境。5.1.1溫室信息環(huán)境采集在溫室環(huán)境里，單個溫室即可成為無線傳感器網(wǎng)絡一個測量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點和具有簡單執(zhí)行機構的節(jié)點(風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機構) 構成無線網(wǎng)絡來測量土壤濕度、土壤成分、pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、

28、光照強度、CO2濃度等來獲得作物生長的最佳條件，同時將生物信息獲取方法應用于無線傳感器節(jié)點，為溫室精準調(diào)控提供科學依據(jù)9。溫度傳感器 濕度傳感器 CO2傳感器 光照傳感器 。傳感器無線網(wǎng)絡控制中心無線網(wǎng)絡加熱器 濕度控制器 CO2控制器 光照控制器 門窗控制器圖4 只能大棚示意圖5.1.2無線傳感器網(wǎng)絡自動灌溉系統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺的建立是通過傳感器對土壤中水分的感應，對灌溉系統(tǒng)進行有效的控制從而達到自動節(jié)水、節(jié)能的目的，完善農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、高效的目標。我國用水總量的七成是用于農(nóng)業(yè)灌溉。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平

29、均每年全國因災減產(chǎn)糧食的近半成是由干旱造成的，由此造成的受災面積也有兩千萬公頃之多。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對灌溉用水的利用率一直不高，導致農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率低、浪費的主要原因是技術和管理水平的落后。為了提高灌溉用水利用率，可根據(jù)土壤墑情信息的監(jiān)測情況，對灌溉時機和水量進行實時控制。若采用人工對墑情進行定時測量的方法，不僅會過度的浪費人力資源，而且不能夠保證監(jiān)控的實時性； 測控系統(tǒng)若采用有線的形式，布線會增加成本，難擴展，影響作物的耕種。所以，節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設計的理論基礎是在無線傳感器網(wǎng)絡，系統(tǒng)采用ZigBee 自組網(wǎng)，把低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點連接起來，這樣就減少了布線成本、布線帶來的農(nóng)田耕作不便

30、和靈活性差的問題，不僅可以實時監(jiān)測到土壤墑情，還可實現(xiàn)自動化控制農(nóng)田灌溉，節(jié)省灌溉用水，緩解用水緊張，保證農(nóng)作物良好的生長環(huán)境。系統(tǒng)是底層為多個具有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能的ZigBee 監(jiān)測網(wǎng)絡構成的混合網(wǎng)，每個網(wǎng)絡都有它們各自的網(wǎng)關節(jié)點及幾個關于土壤濕度的數(shù)據(jù)采集點。ZigBee 監(jiān)測網(wǎng)絡使用的是星型結構，把網(wǎng)關節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站。能夠自動的建立和維護網(wǎng)絡、匯集數(shù)據(jù)，在監(jiān)控中心與監(jiān)控網(wǎng)絡之間傳遞信息成為了網(wǎng)絡關節(jié)點的兩個功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動組網(wǎng)，新添加的無線傳感器節(jié)點會在無線網(wǎng)關處于監(jiān)聽狀態(tài)下被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)關會接收到無線路由傳來的信息，自身進行編址并分析路由信息，并對設備關聯(lián)表及

31、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表等進行更新。智能灌溉系統(tǒng)的基本構成是無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關和監(jiān)控中心，在ZigBee 自組網(wǎng)的基礎上，利用2G/3G 網(wǎng)絡完成無線網(wǎng)關和監(jiān)控中心之間墑情、控制信息的傳輸。墑情信息是利用傳感節(jié)點訪問溫濕度傳感器得到的，并通過分析采集的信息來選擇要實施的灌溉方案，選擇具體方案時依據(jù)預設的濕度上下限。傳感節(jié)點都是利用電池供電，且可實時監(jiān)測電池電壓，如果電壓過低節(jié)點就會報警，節(jié)點接收到報警便會進入休眠狀態(tài)，電充滿時便恢復工作狀態(tài)。這些傳感器節(jié)點主要是由無線網(wǎng)關連接ZigBee 無線網(wǎng)絡與2G/3G網(wǎng)絡進行管理，可以說是整個系統(tǒng)的核心。多跳網(wǎng)絡會由傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主生成。監(jiān)

32、測區(qū)域內(nèi)的溫濕度傳感器會依據(jù)就近的原則選取無線路由節(jié)點來傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，路由節(jié)點遵循路由算法獲得合適的路徑，創(chuàng)建對應的包含自身和鄰居網(wǎng)關信息的路由列表。利用網(wǎng)關傳送數(shù)據(jù)到遠程監(jiān)控中心實現(xiàn)用戶遠程控制。5.1.3 系統(tǒng)功能特點 本智能管理系統(tǒng)具有如下特點：(1) 軟件界面實時顯示各大棚的環(huán)境參數(shù)。(2) 設置報警，軟件可對異常的環(huán)境進行報警，報警記錄可供查詢。(3) 自動控制功能，當計算機檢測到環(huán)境異常，將自動進行操作。如檢測到溫度過高，將自動打開通風。檢測到下雨，將自動關閉卷簾機與天窗。(4) 手動控制功能，由技術人員根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，點擊鼠標對各電動設備進行操作。(5) 遠程控制，即使你不在

33、大棚基地，也可以實現(xiàn)關閉卷簾等操作，比如下雨天或者起大風時，可以遠程關閉卷簾。(6) 遠程視頻監(jiān)控功能。配合網(wǎng)絡攝像頭，對整個大棚基地進行監(jiān)控，做到心中有數(shù)。 “以信息化引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展將是大勢所趨?！蔽锫?lián)網(wǎng)將是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的重要支撐，同時也為農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、社會發(fā)展、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展提供“智慧”支撐11。5.2 智能農(nóng)業(yè)在應用領域的未來應用自動控制和電子計算機實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的自動化，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一，近年來電子技術和信息技術的飛速發(fā)展，帶來了溫室控制與管理技術方面的一場革命，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，園藝生產(chǎn)，動植物養(yǎng)殖等等方面有著廣泛的運用，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)增

34、質(zhì)增量產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益與社會效應。國內(nèi)溫室大棚控制系統(tǒng)在九五期間有了長足快速的增長，但普遍水平居于低端水平或大部分引自于國外的成熟技術與產(chǎn)品，然而引進費用的昂貴以及維護服務難以跟進等嚴重制約著該產(chǎn)業(yè)的長足快速發(fā)展。但是經(jīng)過科學研究，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域仍然具有遠大應用前景：（1）在農(nóng)田、果園等大規(guī)模生產(chǎn)方面，如何把農(nóng)業(yè)小環(huán)境的溫度、濕度、光照、降雨量等，土壤的有機質(zhì)含量、溫濕度、重金屬含量、PH值等，以及植物生長特征等信息進行實時獲取傳輸并利用，對于科學施肥、灌溉作業(yè)來說具有非常重要的意義。（2）在生鮮農(nóng)產(chǎn)品流通方面，需要對儲運環(huán)境的溫度和農(nóng)產(chǎn)品的水分進行控制，環(huán)境溫度過高可能會發(fā)生大批農(nóng)產(chǎn)品

35、的腐爛，水分不足品質(zhì)會受到影響，在這個環(huán)節(jié)要借助物聯(lián)網(wǎng)的幫助。（3）還有一類具有典型意義的應用是工廠化健康養(yǎng)殖作業(yè)，需要通過實現(xiàn)畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與控制。5.3 智能精確農(nóng)業(yè)的特點在應用領域，智能精確農(nóng)業(yè)在大范圍應用過程中應具有其以下特點:(1) 智能化、傻瓜化的友好人機界面；(2) 突破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的多線路鋪設，工程量大，線路復雜，成本高等缺點，分布式管理，采用多區(qū)化調(diào)控管理，各區(qū)獨立智能化總線尋址控制，系統(tǒng)鋪設簡單，精確度高，可控區(qū)域廣；(3) 遠程自動控制，參數(shù)實時在線顯示，精確度高，真正實現(xiàn)“在家也能種田”；(4) 集成加熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、遮蔭/保溫內(nèi)簾幕系統(tǒng)、外遮蔭系統(tǒng)、C02施肥系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、植物保護系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)、濕簾風機系統(tǒng)、屋頂噴淋系統(tǒng)、補充光照系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)、廢液回收消毒系統(tǒng)、電氣與計算機控制系統(tǒng)等于一體，真正實現(xiàn)多功能，可多場合運用；(5) 由于自主開發(fā)設計，與國外溫室大棚控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)費用低，維護方便；結束語物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術的重要組成部分。它的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的新一代網(wǎng)絡; 但是它在用戶端延伸了新的領域，擴展到了任何物與物之間，以進行信息交換和通信。本文將物聯(lián)網(wǎng)應用于農(nóng)業(yè)，將農(nóng)民從傳統(tǒng)的耕作方式之中解放出來。讓物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代農(nóng)