基于物联网的智能精确农业系统应用研究.docx

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基于物联网的智能精确农业系统应用研究

1研究的背景和意义

1.1传统农业面临的问题

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%o随着经济的飞速发展，人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾却越来越突出。

特别是我国加入世贸组织后，国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国，这对我国的农产品市场构成极大威胁。

因此，如何提高我国农产品的质量和生产效率，如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理，是一个既前沿又当务之急的科研课题。

而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益与环境污染令人惊叹。

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，

⑵农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农民群众饮水安全受到影响。

⑶农业产出少、农民收入低

⑷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（PrecisionAgriculture）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

精确农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多,微量元素少），N、P、K比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。

2减少和节约水资源

目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40%左右，精确农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。

3节本增效，省工省时，优质高产

精确农业采用精确播种，精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来，使农业低耗、优质、高效成为现实。

在一般情况下，精确播种比传统播种增产18%〜30%,省工2〜3个小时。

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

精确农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施。

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。

目前的无线网络可以把分布在数千米范围内不同位置的通信设备连在一起，实现相互通信和网络资源共享。

2无线传输技术较不易受到地域和人为因素的影响。

无线传输中广域网的远程传输主要依靠大型基站及卫星通信,抗干扰能力强，稳定性比有线通信更强。

虽然在恶劣气候和极特殊地貌中传输能力可能降低，但属于极少数个例。

3无线通信的接入方式灵活。

在无线信号覆盖的范围内，可以使用不同种类的通信设备进行无缝接入，例如手持掌上电脑PDA、无线终端设备、车载终端设备、手机、无线上网笔记本、远端服务器等。

精确农业国内外发展现状：

精确农业在国外发达国家发展十分迅速，其应用已涉及到施肥、播种、耕作、水分管理等相关领域。

精确农业已逐渐为各农场经营者了解和熟悉。

欧洲的一项调查表明：

欧洲大约2/5的农场主知道精确农业技术。

发达国家在大型拖拉机上配置GPS进行耕作已较普遍，如英国夏托斯农场在联合收割机上装的GPS和产量测定仪，每隔1.2秒，GPS测量记录一次。

这样，在收割完成的同时，就可以产生当季准确的产量分布图一在施肥方面，明尼苏达的扎卡比林甜菜农场采用精确施肥技术减少了N肥用量，肥料投入每平均减少15.5美元，收益平均每tml2增加358.3美元。

在以色列用水管理已实现高度的自动化，全国已全部实施节水灌溉技术，其中25%为喷灌，75%为微灌（滴灌和微喷灌）。

所有的灌溉都由计算机控制，实现了，因时、因作物、因地用水和用肥自动控制。

1989年，以色列水分利用率为每产粮食2.3kg,与技术使用前1949年相比，平均提高了，到2000年，计划提高到。

荷兰的蔬菜温室生产的自动化水平堪称世界一流，温室的光照、需水量、需氧量等均由计算机自动控制定时定量供给。

其所需数据均来自现场的测试车，平均每20栋温室即备有一辆测试车，24h进行循环流动作业,每2h就能将植株体内营养液的含量以及植株根部酶的活性测定一次，劳动生产率及专业化水平非常高，平均每个劳动力可管理温室的蔬菜生产，产量却比传统农业提高8〜10倍。

我国在精确农业的应用研究方面取得了不少研究成果，但在整体水平上，特别是实用上与发达国家差距很大，主要存在以下几个方面的问题：

一是人才培养滞后。

一般农学专家懂计算机技术的人并不多，而一些计算机专业人员对农业科学又陌生，这样在应用的结合点上就存在较大矛盾；

二是信息标准不统一。

我国计算机农业应用信息管理目前还没有完全做到标准化。

信息库、数据库描述的语言和方法不尽相同，开发的应用系统软件在计算机运行平台、信息接口、软硬件等的兼容性上较差。

这些不利于进行数据的交换、传播和使用，也不便于计算机农业应用网络系统的研究和开发；

三是技术不成熟。

我国计算机农业应用专家系统的知识表述、推理等方面普遍存在不同程度的缺陷，并且整体功能单一。

农用实时控制处理开发成果少，应用范围窄，数据采集和监测手段落后，速度慢，精度低。

已开发的系统功能弱，使用效率不高，不适合推广和使用。

农用模式识别、数字图像处理、计算机农业应用网络由于受人力、物力、财力影响，和农业发达国家相比差距较大，从已开发系统来看，水平档次低，领域窄，可靠性、稳定性还不高。

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。

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；

面对外国质优价廉的农产品的大量涌入，面对农业的国际资本在资金、管理和人才方面的优势威胁,，我国农业小规模的、单一农户式的生产经营方式也在逐步被大规模现代化经营方式所取代。

如何发展我国的农业，提高我国农产品的质量和竞争力，这都是亟待解决的问题，而发展精确农业不失为一条可行之路。

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；

我国各地的自然条件、社会经济条件差异明显，农业生产水平差距较大，农业自然资源人均指标较低、农户土地经营规模小且利用不尽合理、劳动生产率低、浪费严重。

我国人均耕地面积和人均水资源只有世界平均水平的30%和25%,且现有耕地中2/3是中低产田，农田灌溉水的有效利用率只有30%~40%（发达国家已达50%〜70%）。

化肥、农药等生产资料投入水平高而利用率低并导致了农业生态环境污染和破坏，土壤沙化、碱化、盐渍化严重，耕地单位面积产量与世界粮食高产国家相比甚至要低一半以上,21世纪我国人口增长和土地资源减少的矛盾不可逆转。

与传统农业不能适应农业持续发展的需要相比，精确农业可以实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标，不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

构建智能精确农业，是成功的农业革命实践；

目前农产品市场面临的问题是许多农产品供给总量基本平衡甚至出现相对过剩，与此同时，却普遍存在高产不高效、增产不增收的矛盾。

农民收入问题已经成为农村发展面临的突出问题。

精确农业是在农业产业化成功实践的基础上的延伸和发展。

大量传感器节点构成的精确农业物联网系统促进了农业从以人力为中心的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。

1.4小结

传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而精确农业为现代农业的发展提供了一条光明之路，精确农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。

它是一项综合性很强的系统工程，是农业实现低耗、高效、优质、环保的根本途径，是世界农业发展的新趋势，也是我国农业迈向21世纪的最佳选择。

通过分析我们可以发现在实现精确农业的道路上，现有的基于有线的智能农业系统依然存在着诸多问题，而基于无线传感网的物联网精确农业系统更具发展潜力，无线网络具有较高的传输带宽、抗干扰能力强、安全保密性好，而且功率谱密度低。

利用上述特点,可组建针对农田信息采集和管理的目的无线网络，实现农田信息的无线、实时传输。

同时，可以给用户提供更多的决策信息和技术支持,实现整个系统的远程管理。

对比国内外的发展现状，不难发现国内在精确农业发展模式上的弊病，没有在应用的结合点上技术熟练的人才，信息标准不统一和技术不成熟。

最为尴尬的是，国内更多的是示范工程和项目，仅仅停留在试验和演示阶段而没有能够形成产业的应用项目。

而随着物联网技术的发展，基于物联网的智能精确农业系统则致力于将精确农业从概念化转化为产业化，更专注于应用领域和产品化，力图为智能精确农业的大规模推广应用打下良好的基础。

综上所述，智能精确农业取代传统农业是农业发展的必然，更是符合我国国情的选择，智能精确农业可以促进农业发展方式的转变，可以实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标，不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

2研究内容

2.1研究目标

1建立无线网络监测平台,对农产品的生长过程进行全面监管和精准调控。

在大棚控制系统中，物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、C02传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、C02浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。

远程控制的实现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。

采用无线网络来测量来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。

2开发基于物联网感应的农业灌溉控制系统，达到节水、节能、高效的目的

利用传感器感应土壤的水分并控制灌溉系统以实现自动节水节能，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。

农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70%。

据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的50%。

长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40%。

如果根据监测土壤墙情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。

而人工定时测量墙情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。

因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墙情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率,缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。

农业节水灌溉自动控制系统

3构建智能农业大棚物联网信息系统，实现农业从生产到质检和运输的标准化和网络化管理。

智能农业大棚物联网信息系统主要研究温度、化学等多种传感器对农产品的生长过程全程监控和数据化管理；结合RFID电子标签在培育、生产、质检、运输等过程中，进行可识别的实时数据存储和管理。

本系统致力于构建基于物联网的专用农业评估信息系统以实现数据的存储和管理，实现农业生产的标准化、网络化、数字化。

2.2研究内容

1精确农业物联网监测平台

研究智能农业大棚中的物联网技术，建立无线网络监控平台。

图5.1所示为该控制系统网络架构图。

其主控系统为嵌入式系统，采用ARM9S3C2410处理器与Linux操作系统，具有通信网络、通用外设接口，能对其中设备进行控制管理。

该嵌入式网关连接内、外信息传输通道皆采用无线的方式，外部网络以基于IP网络技术、提供通用分组无线业务的GPRS通信网络为基础。

内部网络采用短距离、低功率ZigBee无线通信技术，结合农业领域专用系列传感器对农产品生长环境中的温湿度、PH值、光照以及土壤养分等数据进行采集和传输。

智能农业大棚物联网系统结构图

2精准农业的数字化管理系统

数字化管理技术主要研究温度、化学等多种传感器对农产品的生长过程全程监控和数据化管理；结合RFID电子标签在培育、生产、质检、运输等过程中，进行可识别的实时数据存储和管理，实现农业生产的标准化、网络化、数字化。

数字化农业管理系统集成网络地理信息系统、物联网监控管理系统，可实现数据共享和动态数据服务。

生态农业数字化管理系统以一定物理模式和逻辑模式的形式进行架设。

具体涉及：

遥感影像或相关图像的处理与分析：

包括高分辨率的遥感影像及其它以图像方式提供的各类数据；地物的空间模型：

包括对象、地形、环境、网络和拓朴关系等；属性信息管理：

即动、静态数据管理；空间分析:

包括缓冲区、测量、等值线及地统计分析与图表等；应用程序：

包括服务器和客户端程序，以实现农业生产管理平台的系统功能；其它附属功能：

统计分析等。

此系统在功能上可实现农产品信息查询与发布、专家决策知识库优化决策与分析，达到信息、技术和网络的高效结合，最终实现农业精准数字化控制管理。

3物联网感应的智能农业灌溉系统

本系统采用混合网，底层为多个ZigBee监测网络，负责监测数据的采集。

每个ZigBee监测网络有一个网关节点和若干的土壤温湿度数据采集节点。

监测网络采用星型结构，网关节点作为每个监测网络的基站。

网关节点具有双重功能,一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集;二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。

此系统具有自动组网功能，无线网关一直处于监听状态，新添加的无线传感器节点会被网络自动发现，这时无线路由会把节点的信息送给无线网关，有无线网关进行编址并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。

该系统由无线传感节点、无线路由节点、无线网关、监控中心心四大部分组成通过ZigBee自组网，监控中心、无线网关之间通过GPRS进行墙情及控制信息的传递。

每个传感节点通过温湿度传感器，自动采集墙情信息，并结合预设的湿度上下限进行分析，判断是否需要灌溉及何时停止。

每个节点通过太阳能电池供电,电池电压被随时监控，一旦电压过低，节点会发出电压过低的报警信号，发送成功后，节点进入睡眠状态直到电量充足。

其中无线网关连接ZigBee无线网络与GPRS网络,是基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的核心部分，负责无线传感器节点的管理。

传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络。

温湿度传感器分布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点,路由节点根据路由算法选择最佳路由，建立相应的路由列表,其中列表中包括自身的信息和邻居网关的信息。

通过网关把数据传给远程监控中心，便于用户远程监控管理。

本文设计的基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统组成框图如下图所示。

系统组成框图

本实验室多年来致力于多领域的无线监控技术及节能研究。

完成和正在承担国家级项目2项，省部级项目5项，已获授权专利7项，出版专著及教材6部,发表论文四十余篇。

）

1已完成和正在承担的主要研究项目：

（1） 国家自然科学基金项目：

复杂动态不确定性网络鲁棒自适应同步的稳定性理论与应用，2005-2007；

（2） 国家自然科学基金项目：

北方夜间通风降温设计参数及应用，2006-2009；

（3） 陕西省自然科学基础研究基金项目：

住宅节能的无线监控技术研究，2008-2009；

（4） 陕西省教育厅专项科研项目：

节能与智能住宅中无线网络平台技术研究，2008-2010；

（5） 陕西省建设厅科技发展计划项目：

智能住宅无线网络与节能技术研究，2007-2009；

（6） 西安市工业应用技术研发项目：

室内节能的无线监控技术研究，2008-2009；

（7） 校基础研究基金项目：

大型公共建筑能耗无线远程监控及节能管理系统研究，2008-2010；

（8） 校重大科技基地基金项目：

陕西省智能建筑重点实验室，2005-2007o

2巳获得的国家6项实用新型专利

（1）一种新型小区绿化带喷灌自动控制系统.专利号：

ZL200720032145.5.授权时间：

2008.5；

（2）一种电能自动计量智能插座.专利号：

ZL200820029597.2.授权时间：

2009.3；

（3）一种新型无线远程火灾报警定位系统.专利号：

ZL200820028160.7.授权时间：

2009.4；

（4）一种基于蚁群算法的PID温度控制装置.专利号：

ZL200820030054.2,授权时间：

2009.5；

（5）一种用于住宅节能的无线监控装置.实用新型.专利号：

ZL200820030052.3.授权时间：

2009.6；

（6）一种大型公共建筑水耗无线远程实时计量系统.专利号：

ZL200820228565.5.授权时间：

2009.11.

3研究动态展示

（1）农业气象遥感监测

我们目前的研究工作以eKo套件为平台，建立完善的农田地理信息系统，实现农田遥感监测和环境监测，并可通过Internet浏览器，提供农作物健康生长的实时数据。

使用eKoVIEW显示无线网络拓扑结构，实时监控网络的健康状态，并可实现温湿度数据采集密切监测土壤状况等农田环境。

实验室eKo节点部署图

eKoVIEW温湿度数据采集

（2）陕西省大型混凝土工程耐久性监测与安全保障技术研究

在此项目中，我们承担了大型混凝土结构耐久性传感器和监测平台的研制与

耐久性评估计算机信息系统的开发工作。

健康监测前端数据采集

（3）室内环境监测

室内环境检测是运用现代科学技术方法以间断或连续的形式定量地测定环境因子及其他有害于人体健康的室内环境污染物的浓度变化，观察并分析其环境影响过程与程度的科学活动。

我们基于Crossbow公司Mote系列节点构建环境监测系统，将Mote节点部署于室内特定位置，采集温度、湿度和光照等参数，最后传送至管理中心计算机,完成对数据的显示、分析，监控并完成最后的综合评估和改善。

监控系统硬件组成

Mote节点实时数据采集图

3应用举例

3.1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。

微环境监测传感器

在现代化温室栽培领域，物联网技术精确地呵护着果蔬和作物的秧苗。

在这个过程中，温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、C02传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、C02浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境，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。

在节水灌溉方面，无线传感网自动灌溉系统利用传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，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。

由于传感器网络信息互递、自组网络及实时通信等特点，使灌区面积、节点数量不受到限制，可以灵活增减轮灌组，加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。

可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域,实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水农业的快速和健康发展。

物联网土壤水分测量仪

在农田、果园等大规模生产方面，如何借助物联网技术把农业小环境的温度、湿度、光照、降雨量等，土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH值等，以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用，对于科学施肥、灌溉作业来说具有非常重要的意义，这已成