基于物联网的智能农业应用.docx

1、基于物联网的智能农业应用基于物联网的智能农业应用1. 研究的背景与意义 21.1传统农业面临的问题 31.2精确农业发展现状 31.3 构建智能精确农业系统的目的和意义 41.4小结 42. 物联网在智能农业领域的应用 52.1基于物联网的智能农业系统应用前景展望 52.2基于物联网的智能农业系统应用优势 62.3物联网在智能农业领域的应用技术 62.4典型应用之智能农业大棚 103.研究综述 111.研究的背景与意义我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%。农业作为第一产业，是国民经济的基础。我国农业发展需要从传统农业向现代农业转变。1）中共中央关于制定国民经济和社会发展

2、第十一个五年规划的建议提出 “推进现代农业建设”的战略2）胡锦涛总书记在2010年两院院士大会上指出，要大力发展现代农业科学技术，推进农业信息化、数字化、精准化3）中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议提出要加快发展现代农业，推进农业科技创新，促进农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化1.1传统农业面临的问题传统农业生产的物质技术手段落后，主要是依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。在现实中主要存在的问题是：(1)农业科技含量、装备水平相对滞后。(2)农业生产存在污染和浪费。(3)农业产出少、农民收入低。(4)农产品的品种少。依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技

3、术维持着简单再生产，农业生产率低下，农业的产量增长缓慢，农业得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。于是，传统农业的自身发展陷入恶性循环之中。传统农业在向现代农业发展过程中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。因此,关于智能农业技术的研究，显得非常必要与重要。1.2精确农业发展现状精确农业(Precision Agriculture ) 是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其

4、基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。精确农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精确农业并不过分

5、强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。精确农业主要内涵包括精确土壤测试技术、精确种子工程、精确平衡施肥技术、精确播种、精确灌溉技术、作物动态监测技术、精确收获等。与传统农业相比，精确农业主要有以下特点：1）合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染。2）减少和节约水资源。3）节本增效，省工省时，优质高产。4）使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量。与有线数据传输智能农业相比，基于无线传感网的精确农业物联网系统具有以下优点：1）对于移动测量或距离很远的野外测量,采用无线方式可以很好的实现并节省大量的费用。2）无线传输技术较不易受到地域

6、和人为因素的影响。3）无线通信的接入方式灵活。1.3 构建智能精确农业系统的目的和意义实施精确农业是解决我国农业由传统农业向现代农业发展过程中所面临的确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题的有效方式，将在世纪之交成为我国农业科技革命的重要内容。 1)构建智能精确农业，是应对国际市场机遇和挑战的必然抉择。2)构建智能精确农业，是协调我国人口、资源和环境状况的需要。3)构建智能精确农业，是成功的农业革命实践。1.4小结农业是国民经济发展的命脉。我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，离不开农业劳动生产率的不断提高。物联网产业的发展正在提升我国

7、农业生产效能，促进农业的精准化管理，推进农业资源的合理高效利用。物联网应用于农业领域，将在以下几方面促进中国农业发展：1）通过使用传感器网络(物联网)可以快速、实时、精确获取农田环境数据2）传感器网络采集的信息被传送到后台处理中心，分析后可以进行精准、大规模、自动化管理与控制物联网促进农业信息化，将智能化、自动化、精准化、规模化提升到更高的水平，成为现代化大农业的重要支撑。2.物联网在智能农业领域的应用2.1基于物联网的智能农业系统应用前景展望近年来，随着智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽。在监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境

8、状况以及大面积的地表检测，收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等方面，物联网技术正在发挥出越来越大的作用，从而实现科学监测，科学种植，帮助农民抗灾、减灾，提高农业综合效益，促进了现代农业的转型升级。在传统农业中，人们获取农田信息的方式很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力，而通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。在现代农业中，大量的传感器节点构成了一张张功能各异的监控网络，通过各种传感器采集信息，可以帮助农民及时发现问题，并且准确地捕捉发生问题的位置。这样一来，农业逐渐地从以人力为中心、依

9、赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，促进了农业发展方式的转变。目前，一批成本低、高性能的土壤水分和作物营养信息采集技术产品正在农业生产领域发挥着作用，解决了数字农业信息快速获取技术瓶颈问题。譬如具有自主知识产权的新型土壤水分传感器，可以精确地采集土壤和作物养分信息；基于称重传感器的高精度智能测产系统，解决了智能测产与谷物品质监测系统的精度难题形形色色、功能各异的各种物联网传感器系统，使我国农业发展迈出了新的步伐。2.2基于物联网的智能农业系统应用优势农业生产需要大面积采集大量信息以达到农作物生长的最佳条件，而由无线传感器网

10、络组成的物联网系统则有助于实现农业生产的标准化、数字化、网络化。将无限传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地收集温度、湿度、光照、气体浓度等物理量，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，为精确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。2.3物联网在智能农业领域的应用技术物联网面向农业应用，主要包括农业生产环境监测控制和食

11、品安全相关应用。在农业生产环境监控领域，物联网通过装配在温室大棚中的无线传感器和控制设施发挥作用。各种传感器连同数据采集模块检测环境中的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、PH值和土壤养分等参数，经由无线信号收发模块传输数据，再经由控制中心模块开启或者关闭通风、采光、升（降）温、二氧化碳阀、灌溉等设施，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。物联网使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用物联网测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。智能农业应用中，由各种传感器节点构成的监控网络在生产、管理、病虫害防治等全过

12、程实时智能化精准管控，从而提高种植产量并保证农产品质量。智能农业领域蔬菜种植花卉园艺果园茶园水产养殖畜禽养殖食用菌培养信息采集设施温度、湿度、光照、CO2、土壤温度、土壤水份、风速、风向、雨雪感知、降水量、盐度、溶氧、PH值指令执行设施天窗、分组风机、湿帘、内遮阳、外遮阳、循环风机、增氧泵、加湿器、加热器、电磁阀等等核心控制设施控制中心模块，数据存数传输模块、数据采集模块、监控系统视频监控设施球型网络摄像机、枪型网络摄像机、高清网络摄像机数据分析软件环境因子历史曲线展示、数据报表生成、作物生长模型建立、智能控制策略、专家决策模型超限报警软件LED显示、短信提醒、自动语音播报、软件界面弹窗、执行

13、动作提醒表2.3.1种植/养殖环境监控设施功能说明利用物联网技术改造传统农业，对农业生产的各种要素实行数字化设计、智能化控制、精准化运行、科学化管理，是实现农业现代化的必然选择，这些措施将大大提高我国农业的综合生产能力、抗风险能力和市场竞争能力。现有农业物联网主要应用场景：1）温室大棚环境信息采集和控制实时测量空气、土壤的湿度、湿度等环境参数，并进行自动化调节，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 1）动植物生物信息监测对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、环境、生理状况等进行观测监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 2）节水灌溉系统利用传感器感应土

14、壤的水分，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。 3）农产品安全溯源应用利用RFID和二维码等技术对农产品进行标识和管理，监控和记录所有产品流通环节，为政府执法人员、企业以及消费者提供溯源。图2.3.1 现有现有传感网信息监控组网模式图2.3.2智能农业系统构成如图2.3.2所示系统的主要功能：1.数据采集：农业现场温度、湿度、光照度、土壤含水量等数据通过有线或无线网络传递给数据处理系统进行智能分析和处理；2.视频监控用户随时随地通过3G手机或电脑可以观看到农业现场的实际影像，对农作物生长进程进行远程监控；3.数据存储系统可对历史数据进行存储，形成知识库，以备随时进行处理和

15、查询；4.数据分析系统将采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图），提供日报、月报等历史报表；5.远程控制用户在任何时间、任何地点通过任意能上网终端均可实现对农业现场各种设备进行远程控制开关；6.错误报警系统允许用户制定自定义的数据范围，超出范围的错误情况会在系统中进行标注，以达到报警的目的；7.统一认证系统实现统一认证、集中管理控制，包括用户管理、设备管理、认证管理、权限管理等功能；8.手机监控3G手机上可以实现与电脑终端同样功能，实时查看各种由传感器传来的数据，并能调节农业现场的喷淋、卷帘、风机等各种设备智能大棚规模规模部署时充分考虑降低设备投资，在网

16、络组网方面采取了多种制式，远程通讯可采用3G无线网络，近距离传输采取无线ZigBee模式和有线RS485模式相结合，保证网络系统的稳定运行。图2.3.3智能大棚规模部署网络拓扑智能农业信息化系统特色：是一种基于融合传感网、物联网、互联网环境的智能农业解决方案，是电信服务的新模式。实现传感器无线接入（Zigbee）；实现与全球眼、短信等多种电信能力的无缝集成；实现视频展示、传感器数据可视化展示和远程控制；实现基于3G的手机客户端应用；实现集中管理控制，包括用户管理、设备管理、认证管理、权限管理；2.4典型应用之智能农业大棚系统采用无线传感技术，通过安装各类传感器可实时采集温室内温度、露点温度、湿

17、度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度及植物叶绿素、养分和水分等环境参数和植物生长信息，以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并可根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。 智能温室大棚系统利用环境数据与作物信息，指导用户进行正确的栽培管理。该系统的应用表明农业生产自动化水平显著提高，资源占有率明显降低，生产效率及产品质量得到很大提高，为实现对设施农业综合生态信息参数的自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据和装备。该系统具有如下优点：1、连续实时、准确监测和记录所有与设施栽培作物相关的环境因子，以此为基础可建立各作物生长环境数据库

18、，为研究和筛选最佳环境因子组合提供数据平台。 2、控制作物生长营养液：营养液成分、浓度、PH、供肥（水）时间控制； 3、病虫害预防和措施：病虫监测与农药自动喷洒时间及浓度控制；4、通过研究与建立设施作物模拟模型这一有力工具可以帮助人们理解和认识环境因子与生物因子之间的基本规律和量化关系，并对作物生长系统的动态行为和最后生产进行预测，从而辅助进行对作物生长和生产系统的适时合理调控和对作物生长和采收期的智能管理，协调投入产出比，实现高产、优质、高效和持续发展的目标。 5、完全适应实施农业日常管理的需要。不但可以通过系统来进行调控优化设施内的环境和提供栽培措施方案，而且可远距离传输和操控，实现无人值

19、守的安全管理。 6、利用最先进的生物模拟技术，模拟出最适合棚内植物生长的环境，采用温度、湿度、CO2、光照度传感器等感知大棚的各项环境指标，并通过微机进行数据分析，对棚内的水帘、风机、遮阳板等设施实施监控，从而改变大棚内部的生物生长环境。 7、整套系统可随着技术进步升级、功能扩展，多界面人机交流，易操控，易维护。 8、系统实现经济化管理、智能化控制。3.研究综述智能农业是农业现代化的一个极为重要的标志,它将主导一个时期农业发展的方向,成为实现农业健康、高速、可持续发展的强大推动力。国家“十二五”科技发展规划纲要专门把“智能农业装备与设施”列为农村科技计划领域的重大专题，充分表明了国家对于农业现

20、代化发展的高度重视。根据经济理论和发达国家经验，智能农业快速发展将全面推进传统农业改造、升级，智能农业的应用将为传统农业注入新的增长动力。智能农业应用广泛，产业链长，市场前景十分广阔。此领域是通过感测端、控制端和执行端三个工作层面的配合，建立起一个巨大的传感网络，对蔬菜种植、花卉园艺、果园茶园、水产养殖、畜禽养殖和食用菌培养等农业项目的生长环境进行有效监控。从上述领域国内已有的示范基地来看，应用智能农业技术的温室大棚与传统温室大棚相比，既节省了人力投入，也低了生产成本投入。一方面此类农业项目将人工造成的浪费降低到一个极低的水平，另一方面也让农民充分且高效地利用土地，获取更好的经济利益。实践证明，智能农业的应用和推广，实现了农业生产经营的信息化、精准化、智能化和自动化。智能农业应用在引领现代农业驶入信息高速公路的进程中正发挥着举足轻重的作用。