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1、-基于物联网的智能农业系统应用1 研究的背景和意义1.1 传统农业面临的问题我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%。随着经济的飞速发展,人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾却越来越突出。特别是我国加入世贸组织后,国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国,这对我国的农产品市场构成极大威胁。因此,如何提高我国农产品的质量和生产效率,如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理,是一个既前沿又当务之急的科研课题。而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益与环境污染令人惊叹。传统农业生产的物质技术手段落后，主要是依靠人力、畜力和各种手工工
2、具以及一些简单机械。在现实中主要存在的问题是：(1)农业科技含量、装备水平相对滞后，(2)农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农民群众饮水安全受到影响。(3)农业产出少、农民收入低(4)农产品的品种少依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技术维持着简单再生产，农业生产率低下，农业的产量增长缓慢，农业得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。于是，传统农业的自身发展陷入恶性循环之中。传统农业在向现代农业发展过程中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品
3、质和质量、生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。因此,关于智能农业技术的研究，显得非常必要与重要。1.2 精确农业发展现状精确农业(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
4、境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。精确农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精确农业并不过分强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。精确农业主要内涵包括精确土壤测试技术、精确种子工程、精确平衡施肥技术、精确播种、精确灌溉技术、作物动态监测技术、精确收获等。与传统农业相比，精确农业主要有以下特点：1 合理
5、施用化肥，降低生产成本，减少环境污染 精确农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。2 减少和节约水资源目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40%左右，精确农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。3 节本增效，省工省时，优质高产精确农业采用精确播种，精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来，使农业低耗、优质、高效
6、成为现实。在一般情况下，精确播种比传统播种增产18%30%，省工23个小时。4 使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量精确农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施。与有线数据传输智能农业相比，基于无线传感网的精确农业物联网系统具有以下优点：1 对于移动测量或距离很远的野外测量,采用无线方式可以很好的实现并节省大量的费用。目前的无线网络可以把分布在数千米*围内不同位置的通信设备连在一起,实现相互通信和网络资源共享。2 无线传输技术较不易受到地域和人为因素的影响。无线传输中广域网的远程传输主要依靠大型基站及卫星通信,抗干扰
7、能力强,稳定性比有线通信更强。虽然在恶劣气候和极特殊地貌中传输能力可能降低,但属于极少数个例。3 无线通信的接入方式灵活。在无线信号覆盖的*围内,可以使用不同种类的通信设备进行无缝接入,例如手持掌上电脑PDA、无线终端设备、车载终端设备、手机、无线上网笔记本、远端服务器等。精确农业国内外发展现状：精确农业在国外发达国家发展十分迅速，其应用已涉及到施肥、播种、耕作、水分管理等相关领域。精确农业已逐渐为各农场经营者了解和熟悉。欧洲的一项调查表明：欧洲大约2/5的农场主知道精确农业技术。发达国家在大型拖拉机上配置GPS进行耕作已较普遍，如英国夏托斯农场在联合收割机上装的 GPS和产量测定仪，每隔1.
8、2秒，GPS测量记录一次。这样，在收割完成的同时，就可以产生当季准确的产量分布图一在施肥方面，明尼苏达的扎卡比林甜菜农场采用精确施肥技术减少了N肥用量，肥料投入每平均减少15.5美元，收益平均每tml2增加358.3美元。在以色列用水管理已实现高度的自动化，全国已全部实施节水灌溉技术，其中25为喷灌，75为微灌(滴灌和微喷灌)。所有的灌溉都由计算机控制，实现了，因时、因作物、因地用水和用肥自动控制。1989年，以色列水分利用率为每产粮食23kg，与技术使用前1949年相比，平均提高了，到2000年，计划提高到。荷兰的蔬菜温室生产的自动化水平堪称世界一流，温室的光照、需水量、需氧量等均由计算机自
9、动控制定时定量供给。其所需数据均来自现场的测试车，平均每20栋温室即备有一辆测试车，24h进行循环流动作业，每2h就能将植株体内营养液的含量以及植株根部酶的活性测定一次，劳动生产率及专业化水平非常高，平均每个劳动力可管理温室的蔬菜生产，产量却比传统农业提高810倍。我国在精确农业的应用研究方面取得了不少研究成果，但在整体水平上，特别是实用上与发达国家差距很大，主要存在以下几个方面的问题：一是人才培养滞后。一般农学专家懂计算机技术的人并不多，而一些计算机专业人员对农业科学又陌生，这样在应用的结合点上就存在较大矛盾；二是信息标准不统一。我国计算机农业应用信息管理目前还没有完全做到标准化。信息库、数
10、据库描述的语言和方法不尽相同，开发的应用系统软件在计算机运行平台、信息接口、软硬件等的兼容性上较差。这些不利于进行数据的交换、传播和使用，也不便于计算机农业应用网络系统的研究和开发；三是技术不成熟。我国计算机农业应用专家系统的知识表述、推理等方面普遍存在不同程度的缺陷，并且整体功能单一。农用实时控制处理开发成果少，应用*围窄，数据采集和监测手段落后，速度慢，精度低。已开发的系统功能弱，使用效率不高，不适合推广和使用。农用模式识别、数字图像处理、计算机农业应用网络由于受人力、物力、财力影响，和农业发达国家相比差距较大，从已开发系统来看，水平档次低，领域窄，可靠性、稳定性还不高。1.3 构建智能精
11、确农业系统的目的和意义实施精确农业是解决我国农业由传统农业向现代农业发展过程中所面临的确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题的有效方式，将在世纪之交成为我国农业科技革命的重要内容。构建智能精确农业，是应对国际市场机遇和挑战的必然抉择；面对外国质优价廉的农产品的大量涌入,面对农业的国际资本在资金、管理和人才方面的优势威胁,我国农业小规模的、单一农户式的生产经营方式也在逐步被大规模现代化经营方式所取代。如何发展我国的农业,提高我国农产品的质量和竞争力,这都是亟待解决的问题,而发展精确农业不失为一条可行之路。构建智能精确农业，是协调我国人口、资
12、源和环境状况的需要；我国各地的自然条件、社会经济条件差异明显,农业生产水平差距较大,农业自然资源人均指标较低、农户土地经营规模小且利用不尽合理、劳动生产率低、浪费严重。我国人均耕地面积和人均水资源只有世界平均水平的30%和25%,且现有耕地中2/3是中低产田,农田灌溉水的有效利用率只有30%40%(发达国家已达50%70%)。化肥、农药等生产资料投入水平高而利用率低并导致了农业生态环境污染和破坏,土壤沙化、碱化、盐渍化严重,耕地单位面积产量与世界粮食高产国家相比甚至要低一半以上,21世纪我国人口增长和土地资源减少的矛盾不可逆转。与传统农业不能适应农业持续发展的需要相比，精确农业可以实现高效利用
13、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。构建智能精确农业，是成功的农业革命实践；目前农产品市场面临的问题是许多农产品供给总量基本平衡甚至出现相对过剩，与此同时,却普遍存在高产不高效、增产不增收的矛盾。农民收入问题已经成为农村发展面临的突出问题。精确农业是在农业产业化成功实践的基础上的延伸和发展。大量传感器节点构成的精确农业物联网系统促进了农业从以人力为中心的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。1.4 小结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
14、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*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
15、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*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
16、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 研究内容2.1 研究目标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 开
