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基于物联网技术的精细农业解决方案 北京中能普瑞技术有限公司 北京中能普瑞技术有限公司 基于物联网技术的精细农业解决方案 一、现代农业发展的趋势 国际农业的发展经历了原始农业、传统农业和现代农业三个主要 发展阶段。本世纪以来，农业的发展在取得成就的同时，带来了严重 的环境问题。对此，人们提出了一系列的替代农业对策，如回归型农 业、生态农业、有机农业、综合农业等发展模式。自 90 年代以来， 随着全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、变 量处理设备（VRT）和决策支持系统（DSS）等技术的发展，精细农业 作为基于信息高科技的集约化农业问世了，并成为农业可持续发展的 热门领域。精细农业的核心是指实时地获取地块中每个小区土壤、农 作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并按每一 个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以 达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环 境的污染的目的。 近几年来，美国、欧洲一些技术先进的农场在精细农业方面已经 进入中等规模的实施阶段。国外精细农业的实践表明：精细农业不仅 具有重要的经济效益，而且其获取的详细耕作信息有助于解决许多未 知问题。精细农业的根本效益体现在降低作物的生产成本和过量施用 农化产品的污染风险。精细农业研究的革命性的意义是提出了一 种经营现代农业的新技术思想并付诸于实践，发展前景已在国际上具 有广泛的共识。 1 北京中能普瑞技术有限公司 图 1 以色列的现代农业 同时，为提高农业生产的效益并增强农作物的抗灾能力，设施农 业 (又称工厂化农业)已成为一种新兴的农业产业。设施农业是借助温 室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新农业生产方式， 是农业摆脱自然制约的有效手段，是对常规农业的革命性发展，是高 产、高效、优质和技术密集型的农业。近年来，国外如以色列、荷兰 等国在设施农业中研究和生产方面已达到很高水平。我国近年来，塑 料大棚和日光温室为主体的设施农业正迅速发展，但与国外相比，普 遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下。因此，迫切 需要技术改进，以提高我国设施农业的整体水平。 要实现高水平的设施农业，实现我国农业向精细化、集约化方向 发展，利用科技进步，特别是重视信息技术在农业领域的应用至关重 要。2009 年 8 月 7 日下午，国务院总理温家宝在无锡考察时指出， 物联网是新世纪影响人类发展的重要技术之一，并提出了感知中国 2 北京中能普瑞技术有限公司 的发展设想。实现物联网技术在农业领域中的应用是改善我国农业生 产手段、提高农业生产效率和生产水平的有益尝试。 二、环境对作物生长的影响 植物只有在一定的环境范围内才能够生长。环境对生长的影响是 综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通 过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直 接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。 (1) 温度和湿度：作物的生长与温度和湿度有密切关系，塑料大棚的 控制参数中，温度与湿度检测、控制是主要参数之一。 (2) 土壤干燥度：作物生长需要水份，在设施农业中如何灌水，做到 既不影响作物生长又不浪费水资源是至关重要的问题。土壤干燥度的 检测，需要用干燥度传感器。目前较广泛采用的干燥度传感器是由负 压传感器与陶瓷过滤管组成的。 (3) CO 2：农作物生长发育离不开光合作用，而光合作用又与 CO 2 有 关，所以控制 CO 2 的浓度，有利于作物的生长发育。 (4) 光照度：设施农业中，采用栽培管理自动化系统其光源完全为人 工光，而不用太阳光，采用光传感器来检测和控制光照强度，使作物 可以得到均匀一致的光照。 (5) 土壤养分：土壤养分依赖于施肥，合理施肥不仅可以提高作物产 量，而且可以避免过施肥而造成不必要的损失。土壤养分的测定包括 3 北京中能普瑞技术有限公司 土壤有机质、pH 值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的检测。土壤养 分测定，广泛采用离子、生物传感器。 相关资料表明，在可自动控制室内的温度、湿度、灌溉、通风、 二 氧 化 碳 浓 度 和 光 照 的 温 室 中 ， 每 平 方 米 温 室 一 季 可 产 番 30kg50kg，黄瓜 40kg，相当于露地栽培产量 10 倍以上。其他各类 作物在这种环境下的产量也将得到明显的提升。 图 2 不同耕作环境单位产量比较 对于温室葡萄生产过程中环境条件调控的好坏直接影响着温室 葡萄栽培的成败。因此，环境调控成为生产中的关键技术。如何科学、 合理地调节温室内的温度、湿度、光照、水分、气体等生态环境因子 使之能更好地促进葡萄的生长发育,对于温室葡萄生产有着重要意 义。 三、物联网技术在国外精细农业中的应用 4 北京中能普瑞技术有限公司 1、物联网技术应用于精细农业 将物联网布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实 时地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息，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。 图 3 精细农业生产示意图 2、在国外的应用案例 2002 年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡 萄园。物联网传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检 5 北京中能普瑞技术有限公司 测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康 生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的 质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的 质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典 型的精准农业、智能耕种的实例。 图 4 美国俄勒冈无线葡萄园 我国是农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重 大。在这些方面，物联网有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物 灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表 检测。 四、系统技术方案 基于物联网的精准农业监测系统可应用于葡萄园、大棚等场所， 布设在葡萄园或大棚中的无线传感器节点实时采集农作物生长所需 6 北京中能普瑞技术有限公司 的空气温度，空气湿度，土壤温度，土壤湿度，光照强度，二氧化碳 浓度等参数，并通过一种低功耗自组网的短程无线通讯技术实现传感 器数据的传输，所有数据汇集到中心节点，通过一个无线网关与互联 网相连，利用手机或远程计算机可以实时掌握农作物现场的环境状态 信息，专家系统根据环境参数诊断农作物的生长状况与病虫害状况。 同时在环境参数超标的情况下，系统可以远程对遮阳帘、风机、 灌溉装置等进行控制，实现农业生产的智能化管理。 本系统可以实现所有农作物的监控联网，农作物研究人员或农户 可以根据环境状况制定合理的生产管理方案，提高农作物的产量与质 量，走品牌化的发展道路，提高农作物的竞争力与生产效益。 图 5 方案示意图 7 北京中能普瑞技术有限公司 五、系统组成部分 1、传感器单元 （1）气体温湿度传感器：SHT 1x / SHT 7x 特性：选用瑞士进口高精度、低功耗智能化传感器探头，精度高、 功耗低、体积小，可实现温湿度值的一体化测量。 图 6 气体温湿度传感器 （2）百叶窗式温、湿度传感器防护罩： 百叶窗护罩能使气流均匀平行流 过传感头，并且能遮蔽直射光以减少对 温度的测量影响，同时，可防止冷凝水 或雾喷系统从任何角度射来的水流的浸 入。 图 7 气体温湿度传感器防护罩 8 北京中能普瑞技术有限公司 （3）土壤水分传感器：该传感器采用先进的时域反射原理，杆 式设计，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，测量精确，性能稳 定可靠。 图 8 土壤水分传感器 （4）土壤温度传感器：体积小，使用方便，测量精度高，功耗低， 可广泛应用于固体、液体等需要温度测量的场合 图 9 土壤温度传感器 （5）光照传感器 体型小巧，安装方便，壳体结构设计合理，使用寿命长密封性好， 测量精度高，稳定性好，传输距离长，抗外界干扰能力强，结构设计 9 北京中能普瑞技术有限公司 合理，外观质量佳，可广泛用环境、温室、现代农业等的光线强度测 量。 图 10 光照传感器 2、数据采集单元 (1)无线传感器采集器 图 11 无线传感器采集器 采集温室的温度湿度清况，并无线传输到管理系统， 本采集器集数据采集传输一体，电池供电时间长， 安装简便，成本低。 10 北京中能普瑞技术有限公司 适合于只需要采集温度湿度的温室应用。 (2)多通道无线数据采集器 应用在多种数字信号、模拟信号的采集，可应用于不方便布线的场合。 1、功能特点： 实现 4-20mA 信号，0-5V 信号，数字信号的采集 太阳能供电、220V 电源供电、电池供电可选， ZigBee 协议、美国 TI 专有协议 可视传输距离 100m 1000m 对等网络，点对点，点对多点，Mesh 网路 安全的数据，128 位加密技术，授权与验证，跳频技术 防水，防晒，防雷击设计 可以定制 图 12 无线数据采集器 3、互联互通部分 (1) ZigBee 调制解调器 性能指标 11 北京中能普瑞技术有限公司 ZigBee 转 RS232、RS485、以太网 工作频率为 ISM 2.4 GHz 传输距离室外 1000m，室内 100m RF 数据传输率：250000bps 工业级温度范围(-40 - 85C) 图 13 ZigBee 无线串口装置 (2) ZigBee 智能网关 应用范围：在现代农业、生态环境等领域数据的跨区域的传输，且不 方便布线的场合。 1、主要功能 通过 GPRS 传输，实现 ZigBee 个域网与互联网络的信息互通和多 网融合 RS232 接口，以太网接口，串口可选 自带 SD 存储卡，可数据本地存储 12 北京中能普瑞技术有限公司 彩屏液晶(可选)，数据本地显示 图 14 无线智能网关 4、智能管理与决策系统软件 （1）农业环境监控子系统 通过计算机对农业环境的温度、湿度、光照、气体、土壤温湿度 进行实时监测、图像视频监控、曲线显示、数据保存、数据处理等管 理功能，同时根据监测的信息对环境进行控制，使植物生长在合适的 环境中。 系统具有多种界面显示、数据存储、数据打印、数据查询与统计、 超限报警、用户管理等功能。系统支持数据库持久化存储及 Excel 格 式数据导出。采用 mysql 开源数据库存储，支持报表打印、历史曲线 打印及在 Excel 里打印。通过输入查询时间，即可查询所需被测点对 应时间内的数据记录和曲线记录。可统计某个时段内的温湿度平均 值。当监测数值达到报警条件时，以改变相应数据颜色方式发出警报； 13 北京中能普瑞技术有限公司 根据不同的用户设置管理员、监测员等权限，具有实时数显、实时曲 线、数据报表等多种数据显示方式，画面具体生动。 图 15 部署架构图 图 16 系统界面示例 14 北京中能普瑞技术有限公司 图 17 监控界面说明 图 18 曲线显示图 实时曲线图可以切换【温度】、【湿度】、【土壤温度】、【土 壤湿度】、【光照强度】、【CO 2 浓度】参数，当光标移到曲线所在 的范围之内，将看到任意时段的数值。 15 北京中能普瑞技术有限公司 图 19 查看详细监测数值 若想查看一段时间内更详细的曲线，则可将鼠标点住曲线并拖 动，如图 19，松开鼠标即得到该区段的详细曲线图，见图 20。 图 20 显示详细监测数值 用户可以选择查询方式，有三种查询方式：按大棚名进行查询、 按数据进行查询、按时间查询，默认为按数据进行查询。 16 北京中能普瑞技术有限公司 图 21 数据查询 数据查询不仅可以直接在网页上显示，还可以直接打印，或者导 出 Excel 格式以供方便查看和记录。 图 22 日志管理 17 北京中能普瑞技术有限公司 图 23 阈值设置 图 24 用户权限设置 图 25 密码修改 （ 2）作物生产专家系统 18 北京中能普瑞技术有限公司 中能普瑞开发的作物生产专家系统可以根据监测的信息对作物 的病虫害清况、生长周期、结果状况进行预测，对作物的生产进行诊 断，从而能够控制作物生长最合适的环境，提高作物产量 2-3 倍，提 高作物的品质。 图 26 农作物生产专家系统 六、方案实施效益分析 对于农业种植户而言，传感器网在农业中的应用摆脱了传统 农业生产依赖天气，凭经验生产的方式，将使现代农业走上工厂 化生产，精细化生产的道路，使农业产业工人足不出户即可接受 农业专家的指导，农业产量与质量大大提高。 对于运营商而言，物联网在农业生产的应用，有利于拓展无 线城市的应用方向，有效地利用无线网络，一旦网络在农业中得 19 北京中能普瑞技术有限公司 到普及，运营商可以获得源源不断的收益。 对于当地政府而言，农产品产量与品质的提高，有利于塑造 地方农业品牌，服务三农，惠及广大农民。同时为物联网在现代 农业中的应用抢得先机，尽快提升产业升级。 七、应用案例 图 27 在农科院示范应用 20 北京中能普瑞技术有限公司 图 28 温室环境数据采集 图 29 公园温室环境监控 21 北京中能普瑞技术有限公司 八、联系方式 公司名称： 联系人： 联系电话： 传真： 电子邮件： 所在地区： 通讯地址： 邮政编码： 北京中能普瑞技术有限公司 杨丁 010-82150662 010-82150662 sinoprebj 北京市 海淀区 北京市海淀区清华科技园启迪科技大厦 A 座 303 室 100084 22