农业环境远程监控关键技术与应用展望

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1、农业环境远程监控关键技术与应用展望演讲人： 孙 忠 富单 位：中国农业科学院 环发所地 址：北京中关村南大街12号，100081电 话：010-82105990, 13910700232E-Mail: SUNZF263.NETWEB site: WWW.CEA.NET.CNWAP site: WAP.tmCADI.CNWWW. CEA . NET . CN一、农业环境监测的基本概念一、农业环境监测的基本概念二二、农业农业环境远程监控的重要意义环境远程监控的重要意义三、远程监控关键技术与解决方案三、远程监控关键技术与解决方案四、应用案例介绍与分析四、应用案例介绍与分析五、远程监控技术应用展望五、

2、远程监控技术应用展望汇汇 报主报主 要要 内内 容容WWW. CEA . NET . CN一、农业环境监测的基本概念一、农业环境监测的基本概念WWW. CEA . NET . CN狭义农业：狭义农业：是指栽培种植业，主要以一年生的是指栽培种植业，主要以一年生的 农作物生产为代表。农作物生产为代表。 广义农业：广义农业：不仅包括不仅包括种植业种植业，而且包括，而且包括养殖业养殖业 , ,甚至还包括农业甚至还包括农业微生物的生产微生物的生产。 种植业：种植业：包括人工林业（它是多年生植物栽培包括人工林业（它是多年生植物栽培 业）和作物栽培业；业）和作物栽培业； 养殖业：养殖业：包括包括畜牧业畜牧业

3、和和水产养殖业水产养殖业。 微生物生产：微生物生产：食用菌食用菌，生物农药生物农药等。等。 农业的基本概念农业的基本概念WWW. CEA . NET . CN农业环境的内涵农业环境的内涵广义环境的概念：是指除了主体对象以外系统 中其它所有的因素总和.农业环境的概念：是指影响农业为主体或农业 生产过程中各种天然的和经过人工改造的自然因 素的总体。主要包括：农田、森林、草原、水体（如湖泊、池塘、近海等）、农业设施（温室大棚、养殖场 等）中的大气、水分、土壤、污染物、生物等环 境条件。WWW. CEA . NET . CN按其需要和目的可分为三大类： （1）用于研究型的监测：用于各种研究目的监测，

4、根据研究对象，监测未知环境参数和变化规律； （2）用于服务管理的监测：如对土壤、农用水、农 田大气及农作物的例行监测，目的是掌握农业环境 质量状况及其变化，进行数据积累，为优化田间管 理和防灾减灾提供服务； （3）跟踪型监测：跟踪或监视造成农业环境污染源 头，督促对污染源进行治理； （4）评价型监测：对已发生的环境事故进行监测， 为调查处理、评价提供科学依据，对产地环境质量 进行评价；农业环境监测的分类WWW. CEA . NET . CN（一）农业生物基本生存环境的监测 （1）农业气象和小气候监测：包括与农业生物密切相 关的光（总辐射、光合有效辐射等）、温（最高最低 等）、水（空气湿度和土壤

5、含水量等）、气（CO2和其 它微量气体等）等； （2）环境胁迫和灾害的监测： 旱灾、涝渍、低温灾 害、高温热害、风害等； （3）土壤监测和水体监测： 营养元素（NPK）、EC 、Ph、BOD、COD 等； （4）生物参数监测：作物光合、蒸腾、呼吸等生理参 数，株高、叶面积指数、密度等形态参数； （5）本底背景监测：包括水体、大气、土壤、作物、 沉淀物背景值的测定。 （6）其它农业环境监测的主要内容（一）WWW. CEA . NET . CN农业环境监测的主要内容（二）（二）污染类监测： （1）农用水质监测：包括农田灌溉水、畜禽和水产养殖 等水质的监测：PH值、导电率、生物耗氧量、化学耗氧 量等

6、； （2）农田土壤监测：污水灌溉、土壤重金属、农药和化 肥污染等。（3）大气污染监测：灰尘（即降尘和飘尘）、二氧化硫 、氮氧化物、氟化物、臭氧、酸性降雨等有害气体。 （4）工业三废监测：主要是废水、废渣、废气对农业危 害的监测。 （5）其它WWW. CEA . NET . CNWWW. CEA . NET . CN二、农业环境远程监控的重要意义二、农业环境远程监控的重要意义远程监控：问题与机遇（一）问题与挑战（1）现代农业生产精准的管理和调控对环境监测技术提 出了新的需求和挑战, 对现场各种信息的监控，成为管理 与调控的重要基础;（2）农业环境监控技术难度大：首先，涉及对象形式多 样，要素复杂

7、多变、环境恶劣；其次，农业现场偏远分散、通信条件差，自动化采集十分困难；另外，单点监测代 表性差，如何在农业现场构建网络化监测系统；（3）信息传输“最后一公里瓶颈”问题突出：目前在总 体上，国家“信息高速公路”网络已基本建立，但对于农 业来说，仍存在“最后一公里”连接的瓶颈。传统的监控技术难以满足需要 ！（二）基础与机遇 （1）公共互联网（Internet）几乎无处不在：近年来 ，随着公共Internet网络的普及和远程控制策略的完 善，基于互联网平台的远程监控技术发展迅速，极大 地延伸人类活动与探索空间。 （2）无线移动技术发展迅猛：以GPRS/CDMA为代 表的无线移动通信技术的普及应用，

8、新一代的移动技 术(3G)正在全面铺开。 （3）二种网络的无缝连接为农业环境监控提供了重 要机遇：通过建立Internet与GPRS/CDMA/3G的无缝 连接，为实现“最后一公里”连接提供了有效的解决 方案。远程监控：问题与机遇为农业远程监控提供了重要的技术保障 ！“近程”和“远程” 的概念是相对的，但目前比较公 认的是：系统组成中要应用INTERNET公网或无线移动网 络（GPRS/3G）进行数据传输和实现控制。 传统监控技术的特点与局限性： （1）从监测现场到使用者之间，需要专用线路连接， 对远离社区和偏僻的现场进行监测，不仅投入大，有时甚 至在技术上难以实现； （2）难以实现移动办公和

9、远程监控，现代管理人员经 常外出，需要随时跟踪信息变化;跨地区，甚至跨国际间资 料共享，已是现代信息社会必然的发展趋势； （3）难以形成网络化监测，数据采集覆盖面小, 代表 性差。“近程”和“远程” 监控技术的比较WWW. CEA . NET . CNWWW. CEA . NET . CN传统的无线局域网(WLAN)在传统的无线局域网(WLAN)中，用户如果要进行相互 通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，即要 通过一个中心节点建立互联，这种网络结构被称为“单 跳网络” 。缺点: 信息量大时容易堵塞, 接入点(AP)出现故障时 ,整个网络就会瘫痪.因此导致了“多跳网络”技术的诞生:

10、WMN(Wireless Mesh Netework) 和 WSN (Wireless Sensor Network) 无线传感器网络“单跳”和“多跳”无线网络的 比较WWW. CEA . NET . CN缺点: 信息量大 时容易堵 塞, 接入 点(AP)出 现故障时 ,整个网 络就会瘫 痪.传统网络监控技术的缺陷WWW. CEA . NET . CNl无线Mesh网络，即无线网状网 ，是新近出现的一种无线多跳网 状拓扑网络，具有自组织、自管 理、自愈能力，且具有与现有无 线网络的兼容性及互操作性。无线网状(格)网络 （WMN-Wireless Mesh Network）WWW. CEA .

11、NET . CNWWW. CEA . NET . CN(1) 采用ZigBee协议，低功耗、低成本 .IEEE 802.15.4等标准协议中。(2) 具有网络自组织能力、不需要固定基站 ，移动性强，比较适合农业信息监测特点。无线传感器网络 （WSN-Wireless Sensor Network）41235678空气温 度传感 器空气湿 度传感 器NH3传 感器CH4传感器CO2传 感器GPRS/CDMA/3GH2S传 感器农业现场监测网络原理图COD传感器BOD传感器EC传感器PH传感器多传感器多节点监测网络WWW. CEA . NET . CN三、远程监控关键技术与解决方案三、远程监控关键

12、技术与解决方案WWW. CEA . NET . CN现场中心数 据采集终端数据传 输系统数据库 系统关键技术一：传感器设计与制作传感器 设计制 作根据需要：(1). 成熟的传感器：市场购买(2). 新型传感器：自行设计制作(3). 精确标定：校准、标定WWW. CEA . NET . CN 农业环境常用传感器: 主要有：空气温湿度、土壤温湿度、太阳总辐射、净辐射、光合有 效辐射（PAR）、CO2等, 另外还有风向、风速、降雨量、气压、土壤/基质 营养液PH、EC等，等等。 环境污染监测传感器CO CO2 SO2 NOx CH4 O3 NH3 H2S甲醛 氯气 氯化氢， 等等 水质环境监测传感器

13、 PH EC COD BOD 等等 图象传感器:应用无线网络与INTERNET对接技术,实现图象采集与远程传输和动态 发布,提高了对现场的监控能力， 对动物的行为研究很重要。农业环境监测传感器类型WWW. CEA . NET . CN常用的农业传感器WWW. CEA . NET . CN土壤水分传感器WWW. CEA . NET . CNSoil Temperature SensorWWW. CEA . NET . CN用NDIR设计的CO2检测器特点：l体积小巧l耐恶劣环境l扩散式感应l数据直读l可与计算机 联网WWW. CEA . NET . CN光合有效辐射（PAR）传感器WWW. CE

14、A . NET . CN净辐射传感器短波辐射长波辐射短波辐射长波辐射WWW. CEA . NET . CN风向传感器 产生的光电信号对应当 时风向的脉冲输出或 420mA 输出。风速传感器 是一种三杯风速传感 器。WWW. CEA . NET . CN风蚀风沙传感器风蚀传感器风沙监控系统WWW. CEA . NET . CN雨量传感器蒸发量传感器WWW. CEA . NET . CN有毒电化学气体传感器一氧化碳二氧化硫 一氧化氮 甲醛 臭氧 硅烷 氨气 磷化氢氢气氯气硫化氢 氯化氢WWW. CEA . NET . CN水质监控传感器WWW. CEA . NET . CNBOD传感器COD传感器

15、水质监控传感器WWW. CEA . NET . CN关键技术二： 嵌入式系统设计现场数据 采集系统(嵌入式系统)数据传 输系统网络数 据库管 理系统传感器 设计制 作ARM+LinuxWWW. CEA . NET . CN1.嵌入式硬件系统 ARM 处理器、Motorola , AMD, Intel 微 处理器 2. 嵌入式系统： 嵌入式软件：Linux, WIN CE， VxWorks、C/OS-II，等 现场数据采集系统构成基于嵌入式技术的数据采集系统主 要包括： 微处理器+嵌入式软件WWW. CEA . NET . CNWWW. CEA . NET . CNl需要功能强大的服务器 硬件系

16、统,作为数据存储 和应用的载体;l应用功能强大的数据库 ,如Oracle、 MS SQL Server 等，开发数据管 理与应用系统。关键技术四： 网络数据库管理平台数据库服务器WWW. CEA . NET . CN关键技术五： 系统自我诊断和远程维护问题的提出：经常要面临的问题包括：设备软件 升级、故障诊断、特殊功能调用、系统 参数调整，等等；只有解决了上述问题，才能为远程 监控系统普及应提供有力的技术保障。WWW. CEA . NET . CN监控设备远程维护与诊断WWW. CEA . NET . CN运筹帷幄, 决策千里 !关键技术六：数据挖掘与远程诊断管理WWW. CEA . NET . CNWWW. CEA . NET . CN四、主要监控模式与应用案例四、主要监控模式与应用案例WWW. CEA . NET . CN三种最典型的监控模式WWW. CEA . NET . CNWWW. CEA . NET . CN传感器网络传感器网络+ +以太网监控模式以太网监控模式