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1、【北京华育智慧农业典型范例】智慧农业系统ITS-WSNCE/A方案学习目标1、动手搭建一个完整的智慧农业系统的环境；2、全面了解智慧农业所涉及的各式传感器；3、系统性的学习和掌握无线传感网的建设、管理与应用；4、学习传感器数据记录和操作方法；5、掌握物联网智慧农业设计与实施的具体方法。本章重点1、掌握物联网智慧农业设计与实施的具体方法；2、动手搭建一个完整的智慧农业系统的环境。一、项目背景北京市延庆县经济菜种植基地是基于北京华育迪赛信息系统 有限公司的远程监测、数据采集系统，为实现农业现代化, 科技 兴农起到了重要作用。北京华育物联网智慧农业系统，对大棚里的温度、湿度进行 采集，并进行上传，蔬
2、菜大棚里的温度、湿度对农作物的生长起 到关键作用，农业专家可通过视频图象判断植株生长情况、检查 是否有病虫害、大棚的温湿度是否合适，并可结合土壤酸碱度等 信信息，对农户进行相应指导。该系统很大程度上缓解了我国农 业专家短缺、农民专业种植知识匮乏的现状，使专家足不出户， 就可以为农民实时提供种植指导，极大节约了专家“出诊”成本， 提高工作效率。系统的施行，使得以往很多需农业专家亲自下到 田间地头的工作可以足不出户完成，一天可为身处不同区域的多 个农户提供种植指导，颠覆了传统农业专家的工作模式。同时系 统采集的数据也可以作为产量预测的依据，为国家宏观调控提供 依据。智慧农业蔬菜大棚我国是一个农业大
3、国，又是一个自然灾害多发的国家，农作 物种植在全国范围内都非常广泛，农作物病虫害防治工作的好坏、 及时与否对于农作物的产量、质量影响至关重要。农作物出现病 虫害时能够及时诊断对于农业生产具有重要的指导意义，而农业 专家又相对匮乏，不能够做到在灾害发生时及时出现在现场，因 此农作物无线远程监控产品在农业领域就有了用武之地。上世纪九十年代后，无线技术的广泛应用使得它在许多国民 经济领域的应用研究获得迅速发展。尤其以 Zibgee 无线技术为主 的物联网系统，使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成 为可能。精准农业技术体系的实践与发展，已经引起一些国家科 技决策部门的高度重视。农业物联网建设主要
4、包括环境、动植物信息检测，温室、农 业大棚信息检测和标准化生产监控，精农业中的节水灌溉等应用 模式，例如农作物生长情况、病虫害情况、土地灌溉情况、土壤 空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测，收集温度、 湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤 pH 值等信息的监测。同时农业信息化建设还应包括农村远程医疗 农村党员远程教育、农业知识远程教育等方面的内容。根据最新研究结果显示，我国实施精准农业的近期目标，一 方面是总结国外发展经验，根据中国的国情找准自己的切入点， 另一方面切实做好有关基于 Zigbee 无线技术的物联网应用与研 究开发，力求走出适合中国国情的精确农业的发展
5、道路。古诗有云：草长莺飞二月天，拂堤杨柳醉春烟。以往，只有 在春天这样适宜的温度下，万物才能充分的抽枝发芽，直至日后 的开花结果。而现在，在物联无线温度湿度传感器的帮助下，即 使是在白雪皑皑的冬季，我们也可以在温室大棚中欣赏到与夏日 媲美的姹紫嫣红。这仅仅是物联网在智慧农业中的一个简单应用。北京华育智 慧农业系统将互联网从桌面延伸到田野，让温室实时在线，从而 实现蔬菜大棚与数据世界的融合。实时采集的传感器数据与传统 的种植经验相结合，可以使得农业专家在远程就可以随时查看农 田内的各种数据（温度、湿度、光照、水量），判断是否是适合作 物生长的最佳条件，可以由专家根据自身经验和知识设定关键值， 当
6、某种数据偏离设定值时，大棚自动做出反应（温度偏低，则打 开供暖设施，温度偏高，则开门通风；水量不足，则自动打开喷 淋装置）可同时监测和控制控几十万座蔬菜大棚的正常运行，从 而使得农作物始终处在最佳的生长环境中。另外，还可实现对蔬 菜病虫害的早期预警和对蔬菜产量、交易价格的早期预测。智慧 农业是充分发挥农业生产效率、减少农业资源浪费和农田污染的 现代农业生产方式。北京华育迪赛信息系统有限公司是中国领先的物联网设备和 解决方案提供商。他们基于客户需求持续创新，在物联网传感器、 物联网模块、移动物联网和云计算等几大领域都确定了行业领先 地位。凭借在物体感知、数据传输等领域的综合优势，北京华育 迪赛信
7、息系统有限公司已经成为物联网时代的领导者。1、 温室大棚发展历史我国是应用温室栽培历史最悠久的国家，在 2000 多年前就已 经能利用保护实施（温室的雏形）栽培多种蔬菜，20 世纪 50 年 代，我国从苏联引进的保护地栽培技术是简易的设施农业。60年 代末，我国北方地区基本形成了保护地生产技术体系。70 年代， 地膜覆盖技术得到引进推广。80 年代，以日光温室、塑料大棚和 遮阳网覆盖栽培为代表的设施园艺得到发展，设施栽培发展得到 新的一个阶段。90 年代，我国大规模引进国外大型连栋温室及配 套栽培技术，中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向 发展。温室大棚在现代中国农业得到迅速发展，建过
8、初期的面积 不足 2 万亩，到 2006 年设施园艺面积已经发展到 250 多万亩，成 为全世界设施园艺面积最大的国家，约占世界设施栽培总面积的85%。预计到 2030 年，园艺设施面积有望达到 320 万亩。然而，在我国的温室大棚发展中，存在着许多问题，诸如设 施技术水平低，环境调控能力差，机械化程度低，相关标准和规 范滞后，理论和技术研究较落后。与现在智能农业，机械农业的 理念相差较大，在人力、成本等因素上严格制约着温室大棚的发 展。带有传感器的现代温室国外温室栽培的起源以罗马最早，罗马的哲学家塞内卡（公 元前3年至公元69年）记载了应用云母片作覆盖物生成早熟黄瓜。 设施园艺在许多发达国家
9、发展较早，至今已经达到很高水平。荷 兰是世界著名的设施园艺生成大国，温室面积达 1.2 万亩，玻璃 温室占全世界总量的 1/4，且多为连栋温室，其温室生成过程全 部实现机械化。德国以玻璃温室为主，有少量塑料温室，温室面 积约占蔬菜和花卉种植总面积的 30%和 70%。日本温室面积 1997 年就达到了 5 万亩，其温室生成整体水平居世界领先水平。以色 列国土面积只有 278 万亩，现有温室 3000 亩，多数是大型现代化 温室。韩国1997 年园艺产值占农业生成总值的47.4%，设施栽培 面积达到 4.4 万亩，人均 10 平方米，生成规模及技术已接近国际 先进水平。以上国家温室机械化生成水平
10、都很高，在加热、保湿、 整地、灌水、施肥、植保等生成环节上基本实现了机械化。由于当今科学技术的高度发展，采用现有的机械化、工程化、 自动化技术，国外已实现设施内部环境因素（如温度、湿度、光 照、CO2浓度等）的调控，由过去单因素控制向利用环境计算机 多因子动态控制系统发展；温室环境控制和作物栽培管理向智能 化、网络化方向发展，而且温室产业向节约能源、低成本的地区 转移，节能技术成为研究的重点。智慧农业温室大棚2、 智能温室的发展方向智能温室系统是一种结合了计算机自控技术、智能传感技术 等高科技手段的资源节约型高效设施农业技术，它主要是根据环 境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照、雨量以及土壤状况
11、等因 素，来控制温室内的各项指标和各种营养元素配方，以创造出适 合作物生长的最佳环境。很显然如何能够准确、稳定、方便的得 到这些环境信息就成为整套系统的关键。随着近几年短距离无线 通信的发展，新兴的无线传感网技术为智能温室系统中的传感环 节提供了有力的技术保障。未来，智能温室的发展方向将主要围 绕以下几个方面：高科技种植。目前国内温室整体的科技含量远低于国外，可 以说我国高科技智能温室刚刚起步但其发展速度相当迅速，主要 原因是国内对于智能温室的需求。生态餐厅。目前在国内已逐步兴起，符合现代人绿色、环保、 健康的生活理念。带有温湿度传感器的花卉大棚花卉市场。智能温室与花卉市场的结合，在过外早已形
12、成规模，在国内也开始兴建，未来 10 年，智能温室花卉市场将在国内也形成逐步规模。3、智慧农业系统建设目的智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动 互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场 的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等） 和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能 决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、 可视化管理、智能化决策。建设智慧农业系统的目的在于：1）承担计算机科学与技术、电子信息工程、通信工程、应用 电子技术等专业的单片机实验、电子实训、课程设计、毕业设计、 电子竞赛的任务，提升学生动手能力，从而提
13、高学生的就业率。2）承担无线传感网络、物联网技术的应用试验，提高学生对 于新技术的掌握。3）给学生在物联网应用方面提供一个现实案例，抛砖引玉， 激发学生对其他应用的探究。4）提供学生的科研能力，间接的促进中国温室大棚的发展， 减少成本，提高农产品质量。二、需求分析根据与北京市延庆县经济菜种植基地的沟通和调研提出以下 需求1）、高精度测量温室大棚生产过程中的参数，智能控制温室 内温度、湿度通风状况等，自动实现保温、保湿和历史数据的记录，视频监测温室内部环境。2）、需要远程访问与控制。使用 PC 机能够进行远程访问温室 内的相关数据，实时观察植物的长势，还可以远程控制温室内部 的执行器件（风扇、加
14、湿器、加热器）来改变温室内部环境；使 用手机同样可以远程访问温室内部环境的各项数据指标，远程控 制温室内部的执行器件。3）、对温湿度进行监测：实时监测温室内部空气的温度和湿 度。要使得测湿精度可达土 4.5%RH，测温精度可达土 0.5C（在 25C）。4）、对光照度进行监测：要求实时对温室内部光照情况进行 检测，其实时性强，应用电路要求简单，便于实验。5）、具备安防监测功能：当温室周边有人出现时，安防信息 采集节点能够向主控中心发送信号，同时光报警。要求检测的最 远距离为7米，角度在100左右。6）、视频监测功能：要求工作人员既可以在触屏液晶显示器 上看到温室内部的实时画面，又可以通过 PC
15、 机远程访问的方式来 观看温室内部的实时画面。7）、需具备控制风扇功能：系统能自动开启风扇加强通风， 为植物提供充足的二氧化碳。8）、需要具备控制加湿器功能：如果温室内空气湿度小于设 定值，系统需要自动启动加湿器，达到设定值后便停止加湿。9）、能够控制加热器给环境升温功能：当温室内温度低于设 定值时，系统能自动启动加热器来升温，直到温度达到设定值为 止。10）、具有局域网远程访问与控制功能：用户便可以使用 PC 机访问物联网数据，通过操作界面远程控制温室内的执行器件， 维护系统稳定。11）、需要具备 GPRS 网络访问功能：用户能够用手机来访问 物联网数据，了解温室内部环境的各项数据指标（温度
16、、湿度、 光照度和安防信息）。12）、需要具备控制参数设定及浏览功能：客户要求对所要实 现自动控制的参数（温度、湿度）进行设置，以满足自动控制的 要求。三、系统设计1、智慧农业控制系统工作原理物联网智慧农业项目采用无线传感网技术实现对数据的采集 和控制，项目采用 zigbee 协议组建无线传感网络，采用 linux 操作系统的嵌入式网关技术实现 Internet 的远程访问与控制功 能，GPRS网的远程访问与控制功能、视频监测功能和数据显示功 能。原理图和整体方案如下图所示：视频监测UARTJAR，网关无限传感器网7无限传感器网络路由器W温度釆集节点二釆集节点控制节点加热;i信息釆集节点GPRS模块ARM嵌入式
