物联网概论第4章物联网在精致农业中的具体应用

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1、物联网概论 第4章物联网在精致农业中的具体应用 目 录 4 1精致农业概述 4 2 精准农业 到 精致农业 4 3无线传感网基础作用 4 4精致农业领域的应用案例 学习目标 1 了解精致农业的基本内涵 2 了解物联网在精致农业中的应用 3 了解物联网在精致农业应用的基本技术 构架 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 国内农业发展面临的大课题 转变传统农业耕作方式 减少浪

2、费 降低成本 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 微电机技术的发展推动了农业工程的长足进步 美国开始在农业机械中推广光机电一体化的 分析装置和控制技术 使得对农田灌溉与农肥 农药的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 4 1 精致农业概述 八十年代 计算机技术起飞 微处理器成本不断下降而功 能日益强大 各种大型农机的专用计算机普及 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因素比较 为科学农 耕提供了聪明的 脑袋 4 1 精致农业概述 九十年代

3、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 美国国家研究委员会于1997年发表了 21 世纪的精准农业 地理空间与信息技术 应用于作物管理 全面阐述了信息技术 将为改进作物生产管理和提升

4、农业产能与 经济效益提供的巨大潜力 正式提出了 精准农业 技术体系的研究现状 阐述了 精准农业的概念 总体功能和发展前景等 精准农业的提出 4 1 精致农业概述 精准农业 的基本内涵 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 优化与决策支持技 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 技术的支持下 实现小范围农田定位 控制现代农业机械 实 测作物生长情况和土壤条件等的差异 动态修改 对定位单元范围内作物的分析 按土壤的需要变 化进行施肥 病虫害管理 植物保护等方面的作 业 形成所谓

5、 处方式耕作 方式 4 2 从 精准农业 到 精致农业 从3S技术到物联网 21世纪 信息技术进一步发展 各类应用门槛 大大降低 物联网的出现 使原先以定位为主的 功能扩展到自动识别 农产品流通跟 踪 环境感测 耕作优化 辅助决策 等领域 从而极大地丰富了 Precision Agriculture 的技术内涵 与应用 并孕育着划时代的农业革命 4 2 从 精准农业 到 精致农业 从3S技术到物联网 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 长态势并进行最佳管理 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

6、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 业管理信息系统的基础架构 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 精致农业的 关键技术 4 3 无线传感网的基础作 用 农业领域的无线传感网结构 主要分两个方向 Wi Fi遵循 IEEE 802 11 IEEE 1999b 以日本农业总

7、合研究所创的田间服务器 Field Server FS 为代表 ZigBee遵循IEEE 802 15 4 IEEE 2003 通讯协议 以美国柏克利大学的以Mote为基础的WSN和NASA喷 射引擎实验室 JPL 的感测网为代表 4 3 无线传感网的基础作 用 Wi Fi Wi Fi为Wireless Fidelity的缩写 是无线数据 传输技术协议 目前普遍使用 IEEE对无线网络 制定了802 11标准协议 包括不同无线AP之间传 输器的802 11f 用于漫游 以及不同传输频 率和速度的802 11 a b g 802 11b 有两种 运作模式 一种是无线网卡和AP之间建立网络 另一种

8、是称为Ad Hoc 的客户端对客户端的传输 模式 在这一模式中 每组使用无线网卡的客户 端均需要在对方的信号范围内 4 3 无线传感网的基础作 用 Zigbee Zigbee遵循IEEE 802 15 4 协议 是一种新的 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 主要用于改善蓝芽的缺 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 接收蓝芽手机的讯号约需3 4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可以设置在手机或遥控器上 在一个空间内可迅速抓取各个配备同样接口的 无线设

9、施讯号 故应用面非常广泛 4 3 无线传感网的基础作 用 Mote是无线传感节点 极小尺寸的又称为 智能灰尘 Smart dust 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 Mote 4 3 无线传感网的基础作 用 用于植物生长环境监测的 无线传感节点示例 4 3 无线传感网的基础作 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 无线传感网的基础作 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

10、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 无线传感网的基础作 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

11、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 无线传感网的基础作 用 无线传感网农业应用的意义 无线传感网的农业应用发展很快 不单改 变了原有精准农业的观念 而且通过越来 越多的高科技感测与识别技术的引进 将 为农业生产管理带来如丰田式的 精实生产 Lean Production 模式 4 3 无线传感网的基础作 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

12、 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

13、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 到数据服务器进行分析处理 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 采用ZigBee和RFID技术的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 关汇集到监控 服

14、务器上 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 无线通信规则多采用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

15、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 息服务 使农户用手机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 通过手机可得知另一

16、间温 室大棚中的各项参数 并 进一步可通过手机指令调 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 技术系统 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