物联网技术在精准农业领域的应用
黑龙江省科学院自动化研究所
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of
things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思:第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
精确农业(Precision Agriculture ) 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。
1 研究背景和意义
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 研究目标
2.1 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、CO2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、CO2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。
2.2 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,。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，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，实现土壤墒情的连续在线监测，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。
2.3 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。
3 研究内容
3.1 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ARM9 S3C2410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。
3.2 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。
3.3 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igBee自组网，Z监控中心、无线网关之间通过GPRS进行墒情及控制信息的传递。每个传感节点通过温湿度传感器，自动采集墒情信息，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。
物联网技术在精准农业领域的应用
