农业物联网及其关键技术

1 农业物联网的概念


  农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用。按照物联网技术架构,农业物联网仍然通过“感知—传输—应用”的途径来实现在农业的应用。“感知”就是运用各类传感器,如温度传感器、湿度传感器、光传感器、PH值传感器、CO2传感器等设备,广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数信息;“传输”就是建立数据传输和格式转换方法,通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网络交互传递,实现农业信息的有效传输;“应用”就是将获取的海量农业信息进行融合、处理,使技术人员对多个大棚的环境进行监测控制和智能管理,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境,达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的,进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。   

2 农业物联网关键技术
  按照物联网的技术架构,综合已有的技术研究,农业物联网关键技术主要包含农业信息感知技术、农业信息传输技术和农业信息处理技术。


3 物联网技术在农业生产中的有效应用
  虽然农业物联网技术逐渐成熟,在农业发展应用中具有广阔的前景,但是,物联网技术应用成本较高,对于低利润、低效益的

农业来说,显然存在市场推广困难的问题,所以,物联网技术比较普遍的还是在设施农业上应用。
  设施农业具有高投入高产出,资金、技术、劳动力密集型的特点。它利用人工建造的农业专用设施,使传统农业逐步摆脱自然的束缚制约,走向
现代农业的规模化、工厂化,推动农业生产的生态、环保、安全,同时通过反季节新鲜农产品上市销售,打破传统农业的季节性限制,提高农产品经济效益,满足市场多元化、多层次的消费需求。其主要的设施包括玻璃或PC板连栋温室(塑料连栋温室)、外遮阳连栋温室、塑料大棚、日光温室、小拱棚(遮阳棚)等,用于蔬菜、水果、花卉种植以及养殖业。其中,塑料大棚是我国南北方农业生产普遍采用的温室形式,塑料大棚的结构分为竹木结构、全竹结构、钢竹混合结构、钢管装配结构、钢管(焊接)结构以及水泥结构等。由于塑料大棚成本相对日光温室较低,通风透光效果好,使用年限较长,农民专业合作社及农户易于接受。
  因此,在
塑料大棚推广应用物联网技术,能够改变自然环境,为农作物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件,从而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖,进行有效的生产管理,是当前最具活力的现代新农业


  4 物联网技术在蔬菜温室

大棚的应用
  温室大棚主要用于不适合蔬菜生长的季节,模拟蔬菜生长的自然条件,提供蔬菜适合生长的环境,而这个环境的实现不能凭感觉,需要引入物联网技术解决蔬菜生长环境的可控性,达到提高蔬菜生产效益的目的。
  4.1 蔬菜温室大棚控制系统构建
  一个完整的蔬菜温室大棚自动控制系统包括数据采集、数据传输、数据分析和生产操作系统等部分,每个部分在蔬菜生产中具有不同的功能,这些功能组合起来完成蔬菜生产的全过程。图1所示是基于物联网技术的蔬菜温室大棚的自动化结构图。
  
蔬菜温室大棚物联网自动控制系统主要包括以下几个分系统:
  4.1.1 数据采集系统
  数据采集系统由无线发射模块、太阳能电池板、支架、蓄电池等组成;现场的监测元件包括温度监测、湿度监测、CO2浓度等监测元件。数据采集系统主要负责
温室大棚内部的光照、温度、湿度和土壤含水量以及视频等数据的采集和控制。
  4..1.2 数据传输系统
  数据传输系统由数据采集传感器,包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、光合有效辐射传感器、土壤温湿度传感器、CO2传感器、风向传感器等组成。传输方式:外部网络以基于IP网络技术和GPRS通信网络为基础进行传输;内部网络则采用短距离、低功率的ZigBee无线通信技术。基于ZigBee的无线传输模式中,传感器采集的数据通过ZigBee发送模块传送到中心节点上,同时,用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也传送到中心节点上,中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令发送到上位机的业务平台。技术人员可以通过有线网络/无线网络访问上位机系统业务平台,实时监测
大棚现场的传感器参数,控制大棚现场的相关设备[5]。
  4.1.3 数据分析系统
  数据分析及显示部分包括电脑、软件、无线接收模块、报警系统,依据不同的环境、作物、生长期,实施不同的控制方案。
  4.1.4 生产操作系统
  该分系统包括的灌溉控制系统可进行滴浇灌和微喷雾系统的控制,实现远程自动灌溉;土壤环境监测系统则利用土壤水分传感器、土壤湿度传感器等来实时获取土壤水分、湿度等数据,为灌溉控制系统和温湿度控制系统提供环境信息;温湿度监控系统可利用高精度传感器来采集农作物的生长环境信息,设定环境指标参数,当环境指标超出参数范围时,可自动启动风机降温系统、水暖加温系统、空气内循环系统等,以进行环境温湿度的调节[6]。
  4.2 蔬菜温室大棚控制系统的主要功能
  利用物联网技术建设的蔬菜温室大棚,主要的功能就是搭建温室大棚来控制蔬菜的生长环境,使蔬菜获得最佳的生长环境,增加产量,以实现跨季节的蔬菜培育。


  按照物联网技术的功能要求,蔬菜温室大棚控制系统的主要功能[8]有:
  (1)监测和告警功能。对

温室大棚实时监测和告警是基于物联网的蔬菜温室大棚的基本功能。使用无线传感器可以实时采集大棚内的环境因子,包括空气温度、空气湿度、土壤水分、土壤温度、光照强度等数据信息及视频图像信息,再通过GPRS网络传输到数据中心,为数据统计分析提供依据。对不适合作物生长的环境条件自动告警。
  (2)病虫害预警功能。监测影响大棚内病虫害发生的关键因子,建立
蔬菜温室大棚病虫害发生模型,利用智能算法,实现对病虫害预测预报,并进行有针对性的防治指导。
  (3)植物成熟状况预报功能。根据农作物生长积温模型预测植物各个生长期发育成熟程度、可收获程度。
  (4)远程设施控制功能。通过网站,远程控制蔬菜温室大棚的设施,可以对加热器、卷膜机、通风机、滴灌等设备远程控制,实现农业设施的远程手动或自动控制,从而改变大棚内部的蔬菜生长环境。
  (5)远程生产指导功能。根据农作物生长模型库,对蔬菜温室大棚实时环境监测数据对比分析,高于作物生长的上限或低于作物生长下限,系统自动告警。
  (6)远程生产活动跟踪功能根据现场活动监测终端的报告,跟踪蔬菜生产生产活动完成的情况。
  3.3 蔬菜温室
大棚在蔬菜生产各个阶段的应用   按照不同蔬菜品种的生长特性和规律,农业专家或技术人员应根据该品种蔬菜生长所需的条件,如温度、湿度、光照等,制定出与之适应的蔬菜种植方案,利用物联网技术来调节控制,提高蔬菜种植的效率和加强蔬菜种植的精细管理。


  在蔬菜生产过程的各个阶段,主要要抓好以下工作:
  (1)在蔬菜种植准备阶段,技术人员利用在
温室大棚分布的传感器来分析实时土壤信息,以便选择合适的蔬菜品种。
  (2)在育苗培育阶段,技术人员可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息,进行高效的管理,从而应对环境的变化,保证蔬菜育苗在最佳环境中生长。如通过温度控制设备,对大棚进行升温和降温的调节。
  (3)在蔬菜生长环境上,可以利用物联网实时监测蔬菜生长的环境信息、养分信息和病虫害情况。利用相关传感器准确、实时地获取土壤水分、环境温湿度、光照情况,配合控制系统调理蔬菜生长环境,改善蔬菜生长的营养状态,及时发现蔬菜的病虫害爆发时期,维持其最佳生长环境条件。
  (4)在蔬菜生产管理上,技术人员可利用
蔬菜大棚生产操作系统,对各大棚蔬菜浇水、施肥、加温、卷帘进行自动或手动控制,可以降低人工成本,提高蔬菜种植的效益。
  (5)在
蔬菜的收获阶段,技术人员也同样可以利用物联网的信息,把采集到的蔬菜生长的各种信息进行汇总,反馈到前端,从而在蔬菜种植收获阶段进行更精准的测算,为蔬菜销售提供基础信息。

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