物联网在精致农业中的应用.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,物联网概论,年8月,第4章 物联网在精巧农业中应用,物联网在精致农业中的应用,第1页,目 录,4.1,精巧农业,概述,4.2,“精准农业”到“精巧农业”,4.3,无线传感网基础作用,4.4,精巧农业领域应用案例,物联网在精致农业中的应用,第2页,学习目标,1）了解精巧农业基本内涵,2）了解物联网在精巧农业中应用,3）了解物联网在精巧农业应用基本技术,构架,物联网在精致农业中的应用,第3页,4.1 精巧农业概述,国内外现实状况,基辛格博士说：“二十一世纪，谁控制了石油，谁就控制了全部国家；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。”,我国伴随各地城市化建设加速，可耕地面积、浇灌用水和生态与环境压力将连续加大。,物联网在精致农业中的应用,第4页,4.1 精巧农业概述,国内农业发展面临大课题,转变传统农业耕作方式，降低浪费，降低成本，尽可能提升每一寸土地、每一滴水利用率和产能，降低每一克农药、化肥用量，发挥机械化、自动化、信息化作用。,物联网在精致农业中的应用,第5页,4.1 精巧农业概述,微电机技术发展推进了农业工程长足进步，美国开始在农业机械中推广光机电一体化分析装置和控制技术，使得对农田浇灌与农肥农药受控喷施在硬件上成为可能，大型农机作业可实现精细化作业。,上世纪七十年代,物联网在精致农业中的应用,第6页,4.1 精巧农业概述,八十年代,计算机技术起飞，微处理器成本不停下降而功效日益强大，各种大型农机专用计算机普及，实现了对各作业点测量数据进行分析、并能结合各种优化模型进行多原因比较，为科学农耕提供了聪明“脑袋”。,物联网在精致农业中的应用,第7页,4.1 精巧农业概述,九十年代,美国政府鼓吹“信息高速公路”,海湾战争后GPS技术民用化,戈尔提出1米分辨率“数字地球”,物联网在精致农业中的应用,第8页,4.1 精巧农业概述,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康拜因，它能在作业过程中自动采集12-15m,2,单元内小面积土壤和农作物位置坐标，经过含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“眼睛”。,九十年代,物联网在精致农业中的应用,第9页,4.1 精巧农业概述,美国国家研究委员会于1997年发表了二十一世纪精准农业-地理空间与信息技术应用于作物管理，全方面阐述了信息技术将为改进作物生产管理和提升农业产能与经济效益提供巨大潜力，正式提出了“精准农业”技术体系研究现实状况，阐述了精准农业概念，总体功效和发展前景等。,精准农业提出,物联网在精致农业中的应用,第10页,4.1 精巧农业概述,“精准农业”基本内涵,精准农业将传统作物学、农艺学、土壤学、植保学、资源测量学和优化控制技术等集成在农机装备上，与田间信息采集技术、优化与决议支持技术等融为一体，在,3S（即GPS空间定位系统、GIS地理信息系统、RS遥感监测系统）,技术支持下，实现小范围农田定位。控制当代农业机械，实测作物生长情况和土壤条件等差异，动态修改对定位单元范围内作物分析、按土壤需要改变进行施肥、病虫害管理、植物保护等方面作业，形成所谓“处方式耕作”方式。,物联网在精致农业中的应用,第11页,42 从“精准农业”到“精巧农业”，从3S技术到物联网,二十一世纪,信息技术深入发展，各类应用门槛大大降低。,物联网出现，使原先以定位为主功效扩展到自动识别、农产品流通跟踪、环境感测、耕作优化、辅助决议等领域，从而极大地丰富了“Precision Agriculture”技术内涵与应用，并孕育着划时代农业革命。,物联网在精致农业中的应用,第12页,42 从“精准农业”到“精巧农业”，从3S技术到物联网,在微观上,它经过分布在田间或大棚内各种传感器，自动感测并跟踪控制作物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生产导向转向“生产、生活、生态”“三生并重”绿色环境保护导向农业。其内涵已不但包含农田种植，还扩展到园艺经营、集约化养殖、产品加工及主副食品生产管理，涌现出越来越多创新性应用。,物联网在精致农业中的应用,第13页,43 无线传感网基础作用,无线传感网（Wireless Sensor Network,WSN）,它将布置在一个特定区域内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基础架构，用于监测环境改变、对象定位、观察特定参量等，进而做出对应操作、传输数据以及其它辅助作业。,精巧农业关键技术,物联网在精致农业中的应用,第14页,43 无线传感网基础作用,农业领域无线传感网结构主要分两个方向,Wi-Fi遵照 IEEE 802.11（IEEE 1999b）,以日本农业总合研究所创田间服务器（Field Server,FS）为代表,ZigBee遵照IEEE 802.15.4（IEEE）通讯协议,以美国柏克利大学以Mote为基础WSN和NASA喷射引擎试验室（JPL）感测网为代表,物联网在精致农业中的应用,第15页,43 无线传感网基础作用,Wi-Fi,Wi-Fi为Wireless Fidelity缩写，是无线数据传输技术协议，当前普遍使用。IEEE对无线网络制订了802.11标准协议，包含不一样无线AP之间传输器802.11f（用于漫游），以及不一样传输频率和速度802.11（a,b,g）。802.11b 有两种运作模式，一个是无线网卡和AP之间建立网络，另一个是称为Ad Hoc 客户端对客户端传输模式，在这一模式中，每组使用无线网卡客户端均需要在对方信号范围内。,物联网在精致农业中的应用,第16页,43 无线传感网基础作用,Zigbee,Zigbee遵照IEEE 802.15.4 协议，是一个新短距离无线通讯标准，最大优势在于低成本、低耗电及应用范围广。主要用于改进蓝芽缺点，因蓝芽技术只能撷取7个无线设施，而ZigBee却能控制6万多个；且从开启蓝芽耳机到接收蓝芽手机讯号约需34秒，Wi-Fi系统也如此，但ZigBee接口传输仅要30 毫秒。这种 802.15.4/Zigbee能够设置在手机或遥控器上，在一个空间内可快速抓取各个配置一样接口无线设施讯号，故应用面非常广泛。,物联网在精致农业中的应用,第17页,43 无线传感网基础作用,Mote是无线传感节点，极小尺寸又称为智能灰尘（Smart dust），特征是含有智能性与极小尺寸。Mote相关产品均使用柏克利大学研发TinyOS和TinyDB为操作系统与数据库系统。,Mote,物联网在精致农业中的应用,第18页,43 无线传感网基础作用,用于植物生长环境监测无线传感节点示例,物联网在精致农业中的应用,第19页,43 无线传感网基础作用,田间服务器（FS）与Mote已成工业标准，分别被企业界广泛使用，且伴随FS日益缩小和Mote功效日趋强大，二者间区分也在缩小。,物联网在精致农业中的应用,第20页,43 无线传感网基础作用,无线传感网在农业上应用,在农业作物培育空间应用上，无线传感网可与田间服务器、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辽阔应用，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，并能定时或依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、浇灌设备、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。,物联网在精致农业中的应用,第21页,43 无线传感网基础作用,在农产品生长时间管理上，主要用于农产品生产履历跟踪统计、农业环境信息跟踪搜集、温室与种苗花卉生产远程监控、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应用,物联网在精致农业中的应用,第22页,43 无线传感网基础作用,无线传感网农业应用意义,无线传感网农业应用发展很快，不单改变了原有精准农业观念，而且经过越来越多高科技感测与识别技术引进，将为农业生产管理带来如丰田式“精实生产（Lean Production）”模式。,物联网在精致农业中的应用,第23页,43 无线传感网基础作用,无线传感网农业应用面临问题,一是农业生产多在室外，大雨或雷电等均易造成系统受损（包含硬件与通讯质量），故环境耐候性将是首要问题。,二是能源确保，即使无线传感网感测节点或传输节点，普通干电池可支持数月至一年，但有地点偏远及实施面积较大问题，更换电池或重新开启休眠不起节点均会造成困扰。,物联网在精致农业中的应用,第24页,54 精巧农业领域应用案例,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。详细内容是在一块马铃薯试验田中安置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，以监测马铃薯长势，疫病霉变发生。,物联网在精致农业中的应用,第25页,54 精巧农业领域应用案例,农作业长势监测应用,美国爱荷华州立大学也开发了约5102公分大小无线感测组件，埋在约30公分深田地里，用此无线感测组件来连续探测土壤湿度、温度和养份等。,物联网在精致农业中的应用,第26页,54 精巧农业领域应用案例,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团体，试验小型无线感测器来动态测量养殖池水温、PH值、温度和环境湿度、照度等，并设计了由ZigBee与GPRS做近端与远距传输网关器，可让监测数据经过互联网传输到数据服务器进行分析处理，并将结果动态公布给养殖场主、技师。,物联网在精致农业中的应用,第27页,54 精巧农业领域应用案例,采取,ZigBee,和,RFID,技术鱼塘养殖动态监测系统,发射器、热电偶、,RFID,单元、紫蜂,(ZigBee),模块、实时时钟（,RTC,）等组成系统,布署在水中各处热电偶，RFID标签可打在鱼身上，鱼四处游动时可感测池塘各处水温，温度值和RFID标签数据发送到接收ZigBee接收器，并经过网关聚集到监控服务器上。,物联网在精致农业中的应用,第28页,54 精巧农业领域应用案例,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搜集环境参数，依据微气候侦测系统提供作物生长及环境参数就可确定控制模型，经过环境控设备执行。,物联网在精致农业中的应用,第29页,54 精巧农业领域应用案例,微环境监测系统架构,物联网在精致农业中的应用,第30页,54 精巧农业领域应用案例,微环境监测仍经过各种传感空间布局进行，被控制对象有温度范围、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）,无线通信规则多采取IEEE 802.15.4、Auto-routing、Muli-Hop，远程通信可用GPRS、互联网,微环境监测系统架构,物联网在精致农业中的应用,第31页,54 精巧农业领域应用案例,统计系统为微气候改变数据库，作物生长履历数据；应用软件为监测数据电子表格、微气候改变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,物联网在精致农业中的应用,第32页,54 精巧农业领域应用案例,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服务，使农户用手机就能从观察到自家温室中温度、湿度、降雨量、降雪量、通光量、土壤含水率、土壤养份等情况。,物联网在精致农业中的应用,第33页,54 精巧农业领域应用案例,韩国电信年推出“绿色网络”,农户在一间温室大棚中，经过手机可得知另一间温室大棚中各项参数，并深入可经过手机指令调控其温湿度。,物联网在精致农业中的应用,第34页,54 精巧农业领域应用案例,RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上应用,需求背景,台湾兰花全球著名，而出口价值最高是蝴蝶兰。种植面积及产量不停提升，温室面积逐步增加，且因为每盆花都放在花床上，对花盆数量清点统计（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，越来越难于用人工统计、实时管控，故需借助先进信息系统。,物联网在精致农业中的应用,第35页,54 精巧农业领域应用案例,RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上应用,台湾以蝴蝶兰为对象开展先导性示范应用，将高性能RFID应用于其生产管理，以提升生产效率、流程管控精度、提升其育成率。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，以提升交货期率及出货数量准确度，提升台湾蝴蝶兰在国际上竞争力。,物联网在精致农业中的应用,第36页,54 精巧农业领域应用案例,技术系统,系统利用RFID感测识别与数据传输功效，可定位每盆兰花在花床上位置与相关信息，在信息系统支持下，自动操作各种机械设置，能够设定、查询、建立盘床数据。,RFID在蝴蝶兰温室盘床管理上应用,物联网在精致农业中的应用,第37页,54 精巧农业领域应用案例,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，架上侧边金属盒为RFID感测识别器。系统可用触摸屏进行查询。,物联网在精致农业中的应用,第38页,54 精巧农业领域应用案例,触摸屏界面上功效键有设定、查询、建立以及测试等下拉菜单项选择项，画面上小方格代表一个花床床位，格子上会显示其所代表床号及所属颜色，相关数据可经过触摸点选格子显示花床当前内容。可经过画面上盆苗尺寸、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应用,物联网在精致农业中的应用,第39页,54 精巧农业领域应用案例,智能浇灌应用,需求背景,据研究，与传统浇灌系统相比，智能浇灌系统成本差不多，却可节水16%到30%。我国是个水资源缺乏国家，西部许多地域终年缺水，更需要科学、经济浇灌方法以节约水资源。,物联网在精致农业中的应用,第40页,54 精巧农业领域应用案例,智能浇灌是系统自动感测到农作物需要浇灌时，自动开启浇灌系统作业，浇灌作物至最适程度，既不过量、亦不欠量时自动关闭浇灌；可在土壤太干时增大喷灌量，土壤尚湿时则降低喷灌量。智能浇灌系统能够依据植物和土壤类别，光照度等来优化用水量，还能够在雨后监控土壤湿度，所以能提升水资源利用率。,智能浇灌应用,物联网在精致农业中的应用,第41页,54 精巧农业领域应用案例,智能浇灌关键-控制系统,经过土壤湿度传感器自动感测土壤湿度.,对每个基本浇灌单位浇灌量自动进行差异化调整,物联网在精致农业中的应用,第42页,54 精巧农业领域应用案例,智能浇灌关键-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，当有一定数量传感器监测到湿度值到达设定标按时，浇灌系统自动开启运行。,物联网在精致农业中的应用,第43页,54 精巧农业领域应用案例,整个浇灌区经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,中心主机依据信息确定浇灌状态并依据季度差异与作物生长不一样阶段，计算最适灌水量模型，控制浇灌设备工作实现智能浇灌。同时，该系统还能经过互联网实现管理员对系统远程管理或干预，从而满足规模化智能浇灌需求。,智能浇灌应用,物联网在精致农业中的应用,第44页,54 精巧农业领域应用案例,美国加州政府推进智能型浇灌系统 提升家庭用水效率,美国SmartWater研发智能浇灌系统，利用系统接收到各地气象台信息来控制浇灌，系统内部含有湿度感应器来测量土壤中水分含量，外部则有温度感应器判断室外温度。,物联网在精致农业中的应用,第45页,54 精巧农业领域应用案例,美国加州智能浇灌系统,物联网在精致农业中的应用,第46页,54 精巧农业领域应用案例,图中右上侧示意：人工可经过互联网访问“ETWater Central Server”，或将气象台天气信息传输到该服务器，开启各家智能浇灌系统浇灌花草；或由各家花园内土壤湿度传感器控制系统开启。在三种控制路径中，仍以土壤湿度传感器为准，即当传感器显示无需浇灌时，其它控制方式可设为失效。图中其它为传感装置与控制系统部分。,物联网在精致农业中的应用,第47页,54 精巧农业领域应用案例,加州预计智能型浇灌系统可节约7,500 万美元水源开支。如有企业原本每年需用掉41.6 万加仑水，使用智能型浇灌系统后只需用21.4万加仑，节水二分之一。,物联网在精致农业中的应用,第48页,1）农作物远程传感监测系统实例,美国某企业研发了田间农作物监测专业无线网状（Mesh）网络系统，概况以下。,该系统结构与功效界面如图4-2所表示。图中上半部分为一批Ko 传感器节点MEP600（如左上角）组成无线网状传感网络，用于动态监测田间各种与作物生长相关参数，全部数据均发到一台Web服务器中。图中下半部分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地图界面。,用户可经过互联网开展农田作物监测，可将结果发到手机上。整个系统安装简便、可靠性高、监测数据准确、使用与维护方便，,物联网在精致农业中的应用,第49页,物联网在精致农业中的应用,第50页,2）系统性能与特点,（1）支持各种外部传感器，可监测以下参数：,土壤湿度与温度,环境温度&湿度,叶面水分,太阳辐射,气象改变（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23个传感器,外部传感器总线（ESB），能够连接其它类型传感器,物联网在精致农业中的应用,第51页,（3）网关与数据,基站使用2.4 GHz射频收发器,基于Web可视化数据分析界面,基于XML格式远程数据服务,可连接外部室外天线,（4）功效,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，并能够短信和邮件形式通知用户,可监测网络性能以及每个节点健康状态,客户可选择时间跨度绘制多个监测节点中数据趋势图,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5001000米（可视距离）,IEEE 802.15.4，FCC认证,物联网在精致农业中的应用,第52页,（6）能源,太阳能供电，没有阳光情况下，节点能够工作3个月,（7）机械性能,IP66级防水封装，尺寸：130 mm x 21 mm x 91 mm，重量：160g,（8）工作环境,温度：-25C 55C，湿度：0 100%,（9）接口,1个RJ45以太网口，2个USB 2.0 host（兼容USB 1.0/1.1）,（10）能源,电压：5V，功率：4W,（11）系统安装设置,几个小内可安装自动进行节点配置,可快速扩展网络范围-自动检索新节点,经过web浏览器对网络进行实时监测-无需软件配置,系统采取含有自愈合功效无线网状网络技术,物联网在精致农业中的应用,第53页,54 精巧农业领域应用案例,优质西红柿生长全程感知与控制,台湾一家名为金三角合作社农业机构，生产西红柿品质优良、规格划一，为摩斯汉堡，太平洋SOGO、家乐福等商场定点供给商。汉堡中西红柿片不但成熟程度与感要好，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挑战，因为在这一要求之后，需要按严格工业化流程进行稳定生产，以确保稳定产品质量，而稳定生产就须确保对西红柿生产环境与条件实施严格而精细控制。,需求背景,物联网在精致农业中的应用,第54页,54 精巧农业领域应用案例,在完全与外界阻隔大棚中，农作物栽种与生长较轻易与微观环境平衡，但这种环境长出作物，就有香味不足等缺点。于是，就需要适当地让植物进入大自然开放环境，吸收自然养分让作物长到最好，但这种情况下环境控制难度就比较大，以西红柿来说，最需要克服就是台湾夏天。台湾夏天过于酷热，偶有阵雨等都不利于西红柿生长。,物联网在精致农业中的应用,第55页,54 精巧农业领域应用案例,金三角合作社建立了包含五大感测模块自动感测系统自动采集信息，其中包含温度、湿度、导电率、光照度、气压及风速等，经过无线网络将信息回传到主机，然后再结合可编程逻辑控制器（PLC）驱动各种机电设备自动进行适当浇水、施肥或是遮阴等作业，将西红柿生长条件时刻调整并保持在最正确状态。,控制系统主要功效,物联网在精致农业中的应用,第56页,54 精巧农业领域应用案例,当前系统不但可依据感测系统探测数据，自动调整温室设施，如当土壤水分不足时，温室设施就会自动开启而且供给养液；而当光照超出设定上限时，则会开启遮阳棚；另外，西红柿最怕得青枯病，其原因是过湿环境。所以，感测系统中一个模块，就是经过气压改变，预估感测范围内下雨概率。该感测模块预报精度比气象预报更准确，因其探测范围仅是合作社厂区，故准确度较高。,物联网在精致农业中的应用,第57页,54 精巧农业领域应用案例,同时还要大幅降低作物病害与大面积感染等问题，但这些都必须依据栽种者经验与积累，再将其上升为知识，优化为作业模型，让系统自动去操作执行。所以，该合作社目标是将产业经验与信息系统亲密结合，让其每一个厂区都能按不一样客户需求，产出规格、数量、药残标准等都能符合要求精品西红柿。,物联网在精致农业中的应用,第58页,54 精巧农业领域应用案例,智能酒场感知系统,Pickberry Vineyard葡萄园，是位于美国北加州索诺玛山谷一个占地30英亩家族式企业，以生产优质酿酒葡萄称著。该园优质葡萄得益于先进信息技术和先进管理。,需求背景,物联网在精致农业中的应用,第59页,54 精巧农业领域应用案例,智能酒场感知系统,技术上采取900MHz无线网络，将分布在葡萄园各处不一样传感器连接成网采集相关数据：如土壤湿度、葡萄叶片水分和空气温度、甚至探测园区内动物等，再经过移动网传输到著名咨询管理企业埃森哲试验室服务器中，经动态分析后由教授们指导以最优方式控制葡萄园内土壤、湿度、温度和施肥等作业，以帮助葡萄园增加产量，降低成本，降低对化学农药与肥料依赖，节约劳力等。,物联网在精致农业中的应用,第60页,54 精巧农业领域应用案例,系统架构,物联网在精致农业中的应用,第61页,54 精巧农业领域应用案例,该无线传感网络节点由30-40个各种传感器组成，包含无线路由器和网关等。因为传感装置长久在户外，必须防水并有很强耐候性，甚至要能预防动物咀嚼。故传感器节点如一块砖头大小，里面包含一个感测装置、发射器、天线、微处理器和内存等。,智能酒场感知系统,物联网在精致农业中的应用,第62页,