基于物联网技术的精细农业解决方案

一、现代农业发展的趋势

国际农业的发展经历了原始农业、传统农业和现代农业三个主要发展阶段。本世纪以来，农业的发展在取得成就的同时，带来了严重的环境问题。对此，人们提出了一系列的替代农业对策，如回归型农业、生态农业、有机农业、综合农业等发展模式。自90年代以来，随着全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、变量处理设备（VRT）和决策支持系统（DSS）等技术的发展，精细农业作为基于信息高科技的集约化农业问世了，并成为农业可持续发展的热门领域。精细农业的核心是指实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到{zd0}限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境的污染的目的。

近几年来，美国、欧洲一些技术先进的农场在精细农业方面已经进入中等规模的实施阶段。国外精细农业的实践表明：精细农业不仅具有重要的经济效益，而且其获取的详细耕作信息有助于解决许多未知问题。精细农业的根本效益体现在降低作物的生产成本和过量施用农化产品的污染风险。“精细农业”研究的革命性的意义是提出了一种经营现代农业的新技术思想并付诸于实践，发展前景已在国际上具有广泛的共识。

图1 以色列的现代农业

同时，为提高农业生产的效益并增强农作物的抗灾能力，设施农业 (又称工厂化农业)已成为一种新兴的农业产业。设施农业是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新农业生产方式，是农业摆脱自然制约的有效手段，是对常规农业的革命性发展，是高产、高效、优质和技术密集型的农业。近年来，国外如以色列、荷兰等国在设施农业中研究和生产方面已达到很高水平。我国近年来，塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正迅速发展，但与国外相比，普遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下。因此，迫切需要技术改进，以提高我国设施农业的整体水平。

要实现高水平的设施农业，实现我国农业向精细化、集约化方向发展，利用科技进步，特别是重视信息技术在农业领域的应用至关重要。2009年8月7日下午，国务院总理温家宝在无锡考察时指出，物联网是新世纪影响人类发展的重要技术之一，并提出了“感知中国”的发展设想。实现物联网技术在农业领域中的应用是改善我国农业生产手段、提高农业生产效率和生产水平的有益尝试。

二、环境对作物生长的影响

    植物只有在一定的环境范围内才能够生长。环境对生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。

(1) 温度和湿度：作物的生长与温度和湿度有密切关系，塑料大棚的控制参数中，温度与湿度检测、控制是主要参数之一。

(2) 土壤干燥度：作物生长需要水份，在设施农业中如何灌水，做到既不影响作物生长又不浪费水资源是至关重要的问题。土壤干燥度的检测，需要用干燥度传感器。目前较广泛采用的干燥度传感器是由负压传感器与陶瓷过滤管组成的。

(3) CO₂：农作物生长发育离不开光合作用，而光合作用又与CO₂有关，所以控制CO₂的浓度，有利于作物的生长发育。

(4) 光照度：设施农业中，采用栽培管理自动化系统其光源xx为人工光，而不用太阳光，采用光传感器来检测和控制光照强度，使作物可以得到均匀一致的光照。

(5) 土壤养分：土壤养分依赖于施肥，合理施肥不仅可以提高作物产量，而且可以避免过施肥而造成不必要的损失。土壤养分的测定包括土壤有机质、pH值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的检测。土壤养分测定，广泛采用离子、生物传感器。

相关资料表明，在可自动控制室内的温度、湿度、灌溉、通风、二氧化碳浓度和光照的温室中，每平方米温室一季可产番30kg～50kg，黄瓜40kg，相当于露地栽培产量10倍以上。其他各类作物在这种环境下的产量也将得到明显的提升。

图2 不同耕作环境单位产量比较

对于温室作物生产过程中环境条件调控的好坏直接影响着温室作物栽培的成败。因此,环境调控成为生产中的关键技术。如何科学、合理地调节温室内的温度、湿度、光照、水分、气体等生态环境因子使之能更好地促进作物的生长发育,对于温室作物生产有着重要意义。

三、物联网技术在国外精细农业中的应用

1、物联网技术应用于精细农业

将物联网布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息，精准地获取土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息，这些信息在数据汇聚节点汇集，为xx调控提供了可靠依据。

网络对汇集的数据进行分析，帮助生产者有针对地投放农业生产资料，智能地控制温度、光照、换气等动作，从而更好地实现耕地资源的合理高效利用和农业的现代化精准管理，推进我国耕地资源的高效管理和利用、农田管理水平和农业生产效能的提升。

图3 精细农业生产示意图

2、在国外的应用案例

2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上{dy}个无线葡萄园。物联网传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能xx的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。

图4 美国俄勒冈无线葡萄园

    我国是农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重大。在这些方面，物联网有着{zy1}的技术优势。它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测。

四、系统技术方案

    基于物联网的精准农业监测系统可应用于葡萄园、大棚等场所，布设在葡萄园或大棚中的无线传感器节点实时采集农作物生长所需的空气温度，空气湿度，土壤温度，土壤湿度，光照强度，二氧化碳浓度等参数，并通过一种低功耗自组网的短程无线通讯技术实现传感器数据的传输，所有数据汇集到中心节点，通过一个无线网关与互联网相连，利用手机或远程计算机可以实时掌握农作物现场的环境状态信息，专家系统根据环境参数诊断农作物的生长状况与病虫害状况。

    同时在环境参数超标的情况下，系统可以远程对遮阳帘、风机、灌溉装置等进行控制，实现农业生产的智能化管理。

    本系统可以实现所有农作物的监控联网，农作物研究人员或农户可以根据环境状况制定合理的生产管理方案，提高农作物的产量与质量，走品牌化的发展道路，提高农作物的竞争力与生产效益。

图5 方案示意图

五、系统组成部分

1、传感器单元

（1）气体温湿度传感器：SHT 1x / SHT 7x              

特性：选用瑞士进口高精度、低功耗智能化传感器探头，精度高、功耗低、体积小，可实现温湿度值的一体化测量。

图6 温湿度传感器

（2）百叶窗式温、湿度传感器防护罩：

“百叶窗护罩”能使气流均匀平行流过传感头，并且能遮蔽直射光以减少对温度的测量影响，同时，可防止冷凝水或雾喷系统从任何角度射来的水流的浸入。

图7 传感器防护罩

（3）土壤湿度传感器：

    该传感器采用先进的“时域反射原理”，杆式设计，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，测量xx，性能稳定可靠。

图8 土壤湿度传感器

（4）光照传感器

体型小巧，安装方便、壳体结构设计合理，使用寿命长密封性好，测量精度高，稳定性好，传输距离长，抗外界干扰能力强，结构设计合理，外观质量佳，可广泛用环境、温室、现代农业等的光线强度测量。

图9 光照传感器

2、数据采集单元

(1)无线温湿度采集器

图10 无线传感器节点

?       采集温室的温度湿度清况，并无线传输到管理系统，

?       本采集器集数据采集传输一体，电池供电时间长，

?       安装简便，成本低。

?       适合于只需要采集温度湿度的温室应用。

(2)多通道无线数据采集器

应用在多种数字信号、模拟信号的采集，可应用于不方便布线的场合。

1、功能特点：

?       实现4-20mA信号，0-5V信号，数字信号的采集

?       太阳能供电、220V电源供电、电池供电可选，

?       ZigBee协议、美国TI专有协议

?       可视传输距离100m

?       对等网络，点对点，点对多点，Mesh网路

?       安全的数据，128位加密技术，授权与验证，跳频技术

?       防水，防晒，防雷击设计

?       可以定制

图11 无线数据采集器

3、互联互通部分

(1)  ZigBee调制解调器

性能指标

?       ZigBee转RS232、RS485、以太网

?       工作频率为ISM 2.4 GHz

?       传输距离室外1600m，室内100m

?       RF数据传输率：250000bps

?       工业级温度范围(-40 - 85C)

图12 ZigBee无线装置

(2) ZigBee智能网关

应用范围：在现代农业、生态环境等领域数据的跨区域的传输，且不方便布线的场合。

1、主要功能

?       实现ZigBee个域网与WIFI网络的信息互通和多网融合

?       RS232接口，以太网接口，串口可选

?       自带SD存储卡，可数据本地存储

?       彩屏液晶(可选)，数据本地显示

图13 无线网关

4、无线信号检测仪

检测无线信号的强度与通讯成功率测试，便于无线监测与控制系统的安装与实施

图14 无线信号检测仪

5、智能管理与决策系统软件

（1）农业环境监控子系统

通过计算机对农业环境的温度、湿度、光照、气体、土壤温湿度进行实时监测、图像视频监控、曲线显示、数据保存、数据处理等管理功能，同时根据监测的信息对环境进行控制，使植物生长在合适的环境中。

系统具有多种界面显示、数据存储、数据打印、数据查询与统计、超限报警、用户管理等功能。系统支持数据库持久化存储及Excel格式数据导出。采用MySQL开源数据库存储，支持报表打印、历史曲线打印及在Excel里打印。通过输入查询时间，即可查询所需被测点对应时间内的数据记录和曲线记录。可统计某个时段内的温湿度平均值。当监测数值达到报警条件时，以改变相应数据颜色方式发出警报；根据不同的用户设置管理员、监测员等权限，具有实时数显、实时曲线、数据报表等多种数据显示方式，画面具体生动。

图15 部署架构图

图16 系统界面示例

图17 气体温湿度监控界面

图18 温湿度实时显示与报警

图19 曲线自动设定与调整

图20 数据存储、查询与打印功能

图21 用户管理功能

（2）作物生产专家系统

与中国农业科学院合作开发的作物生产专家系统可以根据监测的信息对作物的病虫害清况、生长周期、结果状况进行预测，对作物的生产进行诊断，从而能够控制作物生长最合适的环境，提高作物产量2-3倍，提高作物的品质。

图21 农作物生产专家系统

六、方案实施效益分析

对于农业种植户而言，传感器网在农业中的应用摆脱了传统农业生产依赖天气，凭经验生产的方式，将使现代农业走上工厂化生产，精细化生产的道路，使农业产业工人足不出户即可接受农业专家的指导，农业产量与质量大大提高。

对于运营商而言，物联网在农业生产的应用，有利于拓展无线城市的应用方向，有效地利用无线网络，一旦网络在农业中得到普及，运营商可以获得源源不断的收益。

对于当地政府而言，农产品产量与品质的提高，有利于塑造地方农业品牌，服务三农，惠及广大农民。同时为物联网在现代农业中的应用抢得先机，尽快提升产业升级。

七、应用案例

图22 在农科院示范应用

图23 温室环境数据采集

图24温室环境监控

图25 系统应用中的太阳能供电系统

八、联系方式