物联网概论第四章 物联网在精致农业中的应用

物联网概论第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 无线传感网根底作用

4.4

精致农业领域的应用案例2学习目标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开展面临的大课题转变传统农业耕作方式，减少浪费，降低本钱，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精致农业概述上世纪七十年代4.1精致农业概述八十年代4.1精致农业概述九十年代美国政府鼓吹“信息高速公路〞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精致农业概述精准农业的提出4.1精致农业概述“精准农业〞的根本内涵21世纪

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正确管理。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无线传感网的根底作用无线传感网〔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根底架构，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。4．3无线传感网的根底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效劳器〔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为根底的WSN和NASA喷射引擎实验室〔JPL〕的感测网为代表4．3无线传感网的根底作用Wi-Fi4．3无线传感网的根底作用Zigbee4．3无线传感网的根底作用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无线传感网的根底作用用于植物生长环境监测的无线传感节点例如4．3无线传感网的根底作用田间效劳器〔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无线传感网的根底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效劳器、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无线传感网的根底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无线传感网的根底作用无线传感网农业应用的意义4．3无线传感网的根底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效劳器进行分析处理，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，并通过网关聚集到监控效劳器上。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〕无线通信规那么多采用、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效劳，使农户用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，通过可得知另一间温室大棚中的各项参数，并进一步可通过指令调控其温湿度。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项选择项，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背景

据研究，与传统灌溉系统相比，智能灌溉系统的本钱差不多，却可节水16%到30%。我国是个水资源缺乏的国家，西部许多地区常年缺水，更需要科学、经济的灌溉方法以节省水资源。5．4精致农业领域的应用案例智能灌溉是系统自动感测到农作物需要灌溉时，自动开启灌溉系统作业，浇灌作物至最适程度，既不过量、亦不欠量时自动关闭灌溉；可在土壤太干时增大喷灌量，土壤尚湿时那么减少喷灌量。智能灌溉系统可以根据植物和土壤类别，光照度等来优化用水量，还可以在雨后监控土壤的湿度，因此能提高水资源利用率。智能灌溉应用5．4精致农业领域的应用案例智能灌溉的核心--控制系统通过土壤湿度传感器自动感测土壤湿度.对每个根本灌溉单位的浇灌量自动进行差异化调节5．4精致农业领域的应用案例智能灌溉的核心--控制系统控制系统要充分利用可编程控制器。如在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号传输给控制器，当有一定数量的传感器监测到的湿度值到达设定标准时，灌溉系统自动启动运行。5．4精致农业领域的应用案例整个灌溉区通过无线传感网监测作物需水信息，将其聚集到各网关节点并发送给主控中心,中心主机根据信息确定灌溉状态并根据季度差异与作物生长的不同阶段，计算最适灌水量模型，控制灌溉设备工作实现智能灌溉。同时，该系统还能通过互联网实现管理员对系统的远程管理或干预，从而满足规模化的智能灌溉需求。智能灌溉应用5．4精致农业领域的应用案例美国加州政府推动智能型灌溉系统提升家庭用水效率美国SmartWater研发的智能灌溉系统，利用系统接收到的各地气象台的信息来控制灌溉，系统内部含有湿度感应器来测量土壤中水分含量，外部那么有温度感应器判断室外温度。5．4精致农业领域的应用案例美国加州智能灌溉系统5．4精致农业领域的应用案例图中右上侧示意：人工可通过互联网访问“ETWaterCentralServer〞，或将气象台的天气信息传输到该效劳器，启动各家的智能灌溉系统灌溉花草；或由各家花园内的土壤湿度传感器控制系统启动。在三种控制途径中，仍以土壤湿度传感器的为准，即当传感器显示无需灌溉时，其它控制方式可设为失效。图中其他为传感装置与控制系统局部。5．4精致农业领域的应用案例加州预计智能型灌溉系统可节省7,500万美元的水源开支。如有企业原本每年需用掉41.6万加仑的水，使用智能型灌溉系统后只需用21.4万加仑，节水一半。1〕农作物远程传感监测系统实例美国某公司研发了田间农作物监测的专业无线网状〔Mesh〕网络系统，概况如下。该系统结构与功能界面如图4-2所示。图中上半局部为一批ēKo传感器节点MEP600〔如左上角〕组成的无线网状传感网络，用于动态监测田间各种与作物生长相关的参数，所有数据均发到一台Web效劳器中。图中下半局部左侧为各种参数跟踪监测趋势分析界面，右下侧为用户自定义的地图界面。用户可通过互联网开展农田作物监测，可将结果发到上。整个系统安装简便、可靠性高、监测数据精确、使用与维护方便，2〕系统性能与特点〔1〕支持多种外部传感器，可监测如下参数：土壤湿度与温度环境温度&湿度叶面水分太阳辐射气象变化〔降雨量、风速与风向〕水量压力流经水流流量〔2〕传感器每个节点可连接4个传感器可直接插入2~3个传感器外部传感器总线〔ESB〕，可以连接其他类型的传感器〔3〕网关与数据基站使用2.4GHz射频收发器基于Web的可视化数据分析界面基于XML格式远程数据效劳可连接外部室外天线〔4〕功能用户可自定义网络节点地图可为节点和传感器命名可查看每个节点详细数据可设置报警级别，并可以短信和邮件形式通知用户可监测网络性能以及每个节点的健康状态客户可选择时间跨度绘制多个监测节点中的数据趋势图可管理客户自定义图表〔5〕射频芯片&通信性能室外传输距离500~1000米〔可视距离〕，FCC认证5．4精致农业领域的应用案例优质西红柿生长的全程感知与控制台湾一家名为金三角合作社的农业机构，生产的西红柿品质优良、规格划一，为摩斯汉堡，太平洋SOGO、家乐福等商场定点供给商。汉堡中的西红柿片不仅成熟程度与感要好，且其直径与厚度，必须几乎完全一样。这对于西红柿供货商来说是一个较大的挑战，因为在这一要求之后，需要按严格的工业化流程进行稳定的生产，以保证稳定产品质量，而稳定的生产就须保证对西红柿生产的环境与条件实行严格而精细的控制。需求背景

5．4精致农业领域的应用案例在完全与外界阻隔的大棚中，农作物栽种与生长较容易与微观环境平衡，但这种环境长出的作物，就有香味缺乏等缺点。于是，就需要适当地让植物进入大自然开放环境，吸取自然养分让作物长到最好，但这种情况下的环境控制难度就比较大，以西红柿来说，最需要克服的就是台湾的夏天。台湾夏天过于炎热，偶有阵雨等都不利于西红柿生长。5．4精致农业领域的应用案例金三角合作社建立了包含五大感测模块的自动感测系统自动采集信息，其中包括温度、湿度、导电率、