第四章物联网在精致农业中的应用62

物联网概论2010年8月第4章物联网在精致农业中的应用目录4.1精致农业概述4.2“精准农业”到“精致农业”4.3无线传感网基础作用4.4精致农业领域的应用案例学习目标1）了解精致农业的基本内涵2）了解物联网在精致农业中的应用3）了解物联网在精致农业应用的基本技术构架4.1精致农业概述国内外现状基辛格博士说：“21世纪，谁控制了石油，谁就控制了所有国家；谁控制了粮食，谁就控制了人类；谁掌握了货币发行权,谁就掌握了世界。”我国随着各地城市化建设的加速，可耕地面积、灌溉用水和生态与环境压力将持续加大。4.1精致农业概述国内农业发展面临的大课题转变传统农业耕作方式，减少浪费，降低成本，尽可能提高每一寸土地、每一滴水的利用率和产能，减少每一克农药、化肥的用量，发挥机械化、自动化、信息化作用。4.1精致农业概述微电机技术的发展推动了农业工程的长足进步，美国开始在农业机械中推广光机电一体化的分析装置和控制技术，使得对农田灌溉与农肥农药的受控喷施在硬件上成为可能，大型农机作业可实现精细化作业。上世纪七十年代4.1精致农业概述八十年代计算机技术起飞，微处理器成本不断下降而功能日益强大，各种大型农机的专用计算机普及，实现了对各作业点测量数据进行分析、并能结合各种优化模型进行多因素比较，为科学农耕提供了聪明的“脑袋”。4.1精致农业概述九十年代美国政府鼓吹“信息高速公路”海湾战争后GPS技术民用化戈尔提出1米分辨率的“数字地球”4.1精致农业概述各大农机厂商纷纷向市场提供了装有GPS定位和探测作物生长传感器的康拜因，它能在作业过程中自动采集12-15m2单元内的小面积土壤和农作物位置坐标，通过模糊聚类分析软件生成农田内作物长势分布图，定量分析各田块的作物长势，将块间差异与坐标结合，指挥农机对各块进行优化调控作业，为农机作业提供了敏锐的“眼睛”。九十年代4.1精致农业概述美国国家研究委员会于1997年发表了《21世纪的精准农业---地理空间与信息技术应用于作物管理》，全面阐述了信息技术将为改进作物生产管理和提升农业产能与经济效益提供的巨大潜力，正式提出了“精准农业”技术体系的研究现状，阐述了精准农业的概念，总体功能和发展前景等。精准农业的提出4.1精致农业概述“精准农业”的基本内涵精准农业将传统作物学、农艺学、土壤学、植保学、资源测量学和优化控制技术等集成在农机装备上，与田间信息采集技术、优化与决策支持技术等融为一体，在3S（即GPS空间定位系统、GIS地理信息系统、RS遥感监测系统）技术的支持下，实现小范围农田定位。控制现代农业机械，实测作物生长情况和土壤条件等的差异，动态修改对定位单元范围内作物的分析、按土壤的需要变化进行施肥、病虫害管理、植物保护等方面的作业，形成所谓“处方式耕作”方式。4．2从“精准农业”到“精致农业”，从3S技术到物联网21世纪信息技术进一步发展，各类应用门槛大大降低。物联网的出现，使原先以定位为主的功能扩展到自动识别、农产品流通跟踪、环境感测、耕作优化、辅助决策等领域，从而极大地丰富了“PrecisionAgriculture”的技术内涵与应用，并孕育着划时代的农业革命。4．2从“精准农业”到“精致农业”，从3S技术到物联网在微观上它通过分布在田间或大棚内的多种传感器，自动感测并跟踪控制作物的生长态势并进行最佳管理。在宏观上物联网将促进农业从单纯的生产导向转向“生产、生活、生态”的“三生并重”的绿色环保导向农业。其内涵已不仅包含农田种植，还扩展到园艺经营、集约化养殖、产品加工及主副食品的生产管理，涌现出越来越多的创新性应用。4．3无线传感网的基础作用无线传感网（WirelessSensorNetwork,WSN）它将布置在一个特定区域内的许多传感器以无线通信方式相互连结组成网络，形成精细农业管理信息系统的基础架构，用于监测环境的变化、对象定位、观察特定参量等，进而做出相应操作、传输数据以及其它辅助作业。精致农业的关键技术4．3无线传感网的基础作用农业领域的无线传感网结构主要分两个方向Wi-Fi遵循IEEE802.11（IEEE1999b）,以日本农业总合研究所创的田间服务器（FieldServer,FS）为代表ZigBee遵循IEEE802.15.4（IEEE2003）通讯协议,以美国柏克利大学的以Mote为基础的WSN和NASA喷射引擎实验室（JPL）的感测网为代表4．3无线传感网的基础作用Wi-FiWi-Fi为WirelessFidelity的缩写，是无线数据传输技术协议，目前普遍使用。IEEE对无线网络制定了802.11标准协议，包括不同无线AP之间传输器的802.11f（用于漫游），以及不同传输频率和速度的802.11（a,b,g）。802.11b有两种运作模式，一种是无线网卡和AP之间建立网络，另一种是称为AdHoc的客户端对客户端的传输模式，在这一模式中，每组使用无线网卡的客户端均需要在对方的信号范围内。4．3无线传感网的基础作用ZigbeeZigbee遵循IEEE802.15.4协议，是一种新的短距离无线通讯标准，最大优势在于低成本、低耗电及应用范围广。主要用于改善蓝芽的缺点，因蓝芽技术只能撷取7个无线设施，而ZigBee却能控制6万多个；且从开启蓝芽耳机到接收蓝芽手机的讯号约需3～4秒，Wi-Fi系统也如此，但ZigBee接口传输仅要30毫秒。这种802.15.4/Zigbee可以设置在手机或遥控器上，在一个空间内可迅速抓取各个配备同样接口的无线设施讯号，故应用面非常广泛。4．3无线传感网的基础作用Mote是无线传感节点，极小尺寸的又称为智能灰尘（Smartdust），特征是具有智能性与极小尺寸。Mote的相关产品均使用柏克利大学研发的TinyOS和TinyDB为操作系统与数据库系统。Mote4．3无线传感网的基础作用用于植物生长环境监测的无线传感节点示例4．3无线传感网的基础作用田间服务器（FS）与Mote已成工业标准，分别被企业界广泛使用，且随着FS的日益缩小和Mote的功能日趋强大，两者间的区别也在缩小。4．3无线传感网的基础作用无线传感网在农业上的应用在农业作物培育的空间应用上，无线传感网可与田间服务器、智能灰尘等结合，在农与大棚作业、气象预报与防灾防治上有广阔的应用，能对温度、湿度、二氧化碳、通光量、土壤含水率、土壤养份等进行动态监测，并能定时或根据感测信号做逻辑判断进而控制通风设备、加热系统、灯光与光照系统、加湿机、灌溉设备、警报器等运行，并发送监控短信、现场图像与视频给管理者等。4．3无线传感网的基础作用在农产品生长的时间管理上，主要用于农产品生产履历跟踪记录、农业环境信息跟踪收集、温室与种苗花卉生产的远程监控、农作物虫害疫病分析预警、鱼塘养殖远程监控管理、粮仓远程监控管理、养鸡场远程监控管理、畜牧场远程监控管理、污染防制点远程监控、野生动物调查、农民生产实时咨询、农产品物流运输等领域。无线传感网在农业上的应用4．3无线传感网的基础作用无线传感网农业应用的意义无线传感网的农业应用发展很快，不单改变了原有精准农业的观念，而且通过越来越多的高科技感测与识别技术的引进，将为农业生产管理带来如丰田式的“精实生产（LeanProduction）”模式。4．3无线传感网的基础作用无线传感网农业应用面临问题一是农业生产多在室外，大雨或雷电等均易导致系统受损（包括硬件与通讯质量），故环境耐候性将是首要问题。二是能源保证，虽然无线传感网感测节点或传输节点，一般干电池可支持数月至一年，但有地点偏远及实施面积较大的问题，更换电池或重新启动休眠不起的节点均会造成困扰。5．4精致农业领域的应用案例农作业长势监测应用荷兰政府近期支持一项农业研究，就有作物生产监测。具体内容是在一块马铃薯实验田中安置150个温湿度感测器和30个信息发射器组成一个小型无线感测网，以监测马铃薯的长势，疫病霉变的发生。5．4精致农业领域的应用案例农作业长势监测应用美国爱荷华州立大学也开发了约5×10×2公分大小的无线感测组件，埋在约30公分深的田地里，用此无线感测组件来持续的探测土壤的湿度、温度和养份等。5．4精致农业领域的应用案例局部环境监测台湾海洋大学组成一个由养殖、食品科学与系统工程综合组成的团队，实验小型的无线感测器来动态测量养殖池的水温、PH值、温度和环境湿度、照度等，并设计了由ZigBee与GPRS做近端与远距传输的网关器，可让监测数据通过互联网传输到数据服务器进行分析处理，并将结果动态发布给养殖场主、技师。5．4精致农业领域的应用案例采用ZigBee和RFID技术的鱼塘养殖动态监测系统发射器、热电偶、RFID单元、紫蜂(ZigBee)模块、实时时钟（RTC）等组成的系统部署在水中各处的热电偶，RFID标签可打在鱼身上，鱼四处游动时可感测池塘各处的水温，温度值和RFID标签数据发送到接收ZigBee接收器，并通过网关汇集到监控服务器上。5．4精致农业领域的应用案例农业生产微气候监测微气候监测与控制系统，它由感测系统、环控设备与控制模型三要素组成。原始数据来自感测系统收集的环境参数，根据微气候侦测系统提供作物生长及环境参数就可拟定控制模型，通过环境控设备执行。5．4精致农业领域的应用案例微环境监测系统架构5．4精致农业领域的应用案例微环境监测仍通过多种传感空间布局进行，被控制的对象有温度范围、湿度范围、光照度及土壤成份（包含水量、土壤温度、及导电率等）无线通信规则多采用IEEE802.15.4、Auto-routing、Muli-Hop，远程通信可用GPRS、互联网微环境监测系统架构5．4精致农业领域的应用案例记录系统为微气候变化数据库，作物生长履历数据；应用软件为监测数据电子表格、微气候变化与作物生长时间曲线等，用户通信为短、邮件或异常警报等，并可整合环控系统，微气候自动化调控等，用于如温室栽培、森林监测、产销履历微环境监测系统架构5．4精致农业领域的应用案例微环境远程感测控制应用韩国电信为各地农户提供远程感测与控制信息服务，使农户用手机就能从观察到自家温室中的温度、湿度、降雨量、降雪量、通光量、土壤含水率、土壤养份等情况。5．4精致农业领域的应用案例韩国电信2005年推出的“绿色网络”农户在一间温室大棚中，通过手机可得知另一间温室大棚中的各项参数，并进一步可通过手机指令调控其温湿度。5．4精致农业领域的应用案例RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上的应用需求背景台湾兰花全球知名，而出口价值最高的是蝴蝶兰。种植面积及产量不断提升，温室面积逐渐增加，且由于每盆花都放在花床上，对花盆数量的清点统计（即所谓“盘床”）、搬运种苗、移床出货等，作业量日益增大。人工作业耗时费工，且盘床定位及库存管理等，越来越难于用人工记录、实时管控，故需借助先进的信息系统。5．4精致农业领域的应用案例RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上的应用台湾以蝴蝶兰为对象开展先导性示范应用，将高性能的RFID应用于其生产管理，以提高生产效率、流程管控精度、提高其育成率。重点是将RFID用于自动盘床、单株产品定位、库存管理、加速进出货效率等，以提高交货期率及出货数量的准确度，提升台湾蝴蝶兰的在国际上的竞争力。5．4精致农业领域的应用案例技术系统系统利用RFID感测识别与数据传输功能，可定位每盆兰花在花床上的位置与相关信息，在信息系统支持下，自动操作各种机械设置，可以设定、查询、建立盘床数据。RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上的应用5．4精致农业领域的应用案例图中右侧金属格架为花床，其上放置蝴蝶兰花盆，左侧为机械花床架，架上侧边的金属盒为RFID感测识别器。系统可用触摸屏进行查询。5．4精致农业领域的应用案例触摸屏界面上的功能键有设定、查询、建立以及测试等下拉菜单选项，画面上的小方格代表一个花床床位，格子上会显示其所代表的床号及所属颜色，相关数据可通过触摸点选格子显示花床当前的内容。可通过画面上的盆苗尺寸、品种与日期条件等查询信息；也可用显示按钮将其所选位置显示在主界面上，选中花床位置就闪烁显示。RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上的应用5．4精致农业领域的应用案例智能灌溉应用需求