物联网在智能农业中的应用(终稿)

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1、物联网在智慧农业中的应用摘要人类历史进入新的时期，农业生产也随着人类文明的发展而有了巨大的飞跃。从生产工 具、生产方式的不断更新中，我们的农作物产量不断提升。刀耕火种的日子一去不复返，人 们的生活水平也有了很大的提升。进入 21世纪以后，科学技术的发展也带动着农业技术的革命。农业生产与现代网络联 姻，将农业和因特网技术联系在一起，创新了生产方式，也催生了现代的智能精确农业。 本文试着将所学的物联网技术用于现代农业，名为“精确农业 ”的高科技农业工程，即利 用卫星、遥感、计算机和自动控制等高新技术于农业生产，以提高产量，降低能耗。 这项国际先进的农田耕作技术成熟后将向全国推广， 以解决我国地少人

2、多的农业发展 瓶颈、减少污染和浪费，走农业持续发展的道路。高科技可以促进农业发展方式的转变，智能管理可以实现各类农业资源的高效利用，也 可以实现改善环境这一可持续发展目标；不但可以最大限度的提高农村农业现实生产力，而 且是实现优质、高产出、低能耗和环保的可持续发展型农业的高效途径。关键词：精确农业; 物联网; 智能农业目录引言 31 研究背景和意义 31.1 研究的背景 31.2 智能精确农业实例介绍 41.3 研究的现实意义 52 研究目标 52.1 无线网络监控平台 52.2 农业灌溉控制系统 62.3 农业大棚信息系统 63 农业应用中各类传感器简介 73.1 各类传感器产生背景 73.

3、2 各类传感器简介 84 研究内容 94.1 精确农业物联网监测平台 94.2 精准农业的数字化管理系统 104.3 物联网感应的智能农业灌溉系统 105 在农业中的应用 125.1 典型应用之智能农业大棚 125.1.1 温室信息环境采集 125.1.2 无线传感器网络自动灌溉系统 135.1.3 系统功能特点 145.2 智能农业在应用领域的未来 145.3 智能精确农业的特点 15结束语 16参考文献 16致 谢 17引言物联网基本定义：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

4、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1。现代智能农业的定义：“精确农业” （Precision Agriculture），指的是利用全球定位系统（GPS）、地理信息 系统（GIS）、连续数据采集传感器（CDS）、遥感（RS）、变率处理设备（VRT）和决

5、策支持系统（DSS）等现代高新技术，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间及时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，并采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区域对 待，按需实施定位调控的“处方农业”；它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

6、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2。1 研究背景和意义1.1 研究的背景传统农业的运行模式已适应不了农业可持续发展的需要，对于产品质量问题，资源分配 不均、严重不足且普遍浪费，环境污染，农产品种类需求多种多样等诸多问题使农业的发展 陷入不良循环，而精确农业的出现为现代农业的发展提供了一条光明道路，精确农业与传统 农业相比而言最大的特点是以高新技术和合理管理换来了对资源的最优利用。它是一项综合 性很强的系统工程，让我国的农业实现低能耗、高效、优质、环保等目标，是世界农业发展 新的趋势，同时也让我国农业迈向21 世纪

7、。1.2 智能精确农业实例介绍精确农业是最近几年来在美国、加拿大和欧盟一些国家发展起来的高新技术与农 业生产相结合的新型农业模式。它的特点是“精确”，它利用卫星全球定位系统、遥测 遥感技术和计算机，做到精确作业、精确施肥和精确估产。波特是美国明尼苏达州的农民，他驾驶拖拉机在田里工作，表面上看它和别的农 民没有什么区别。但是，他的拖拉机上装了一部586电脑，从屏幕上可看到面积达700 公顷的玉米和大豆田的地图，计算机还会告诉他哪个地方需要施肥，施多少肥；如果 再装一个卫星信号接收器，就可以收到全球卫星定位系统发出的遥感遥测信息，根据 这些信息可进行精确的土壤调查、合理施肥、作物估产、农业环境监测

8、和土地合理利 用等10。土壤调查和合理施肥可减少用肥量，减少浪费、减少投入，从而提高经济效益。 土壤调查首先要采集土壤样品，如在播种之前，农民驾驶适合地形的车辆在土地上行 驶一遍，采集土壤样品数据，并输入计算机；同时全球定位系统精确记录下样品采集 地的位置，绘出土壤成分分布图。另外，存入计算机的施肥软件就能根据不同土壤、 不同肥料类型和不同作物的施肥标准，推荐最佳方案，做到合理施肥。作物估产不但能较准确监测产量，还能绘出产量分布图。当农民驾驶联合收割机 收割玉米时，玉米棒就碰动收割机上计数器的开关，从而计算出收割的玉米棒子数； 与此同时，卫星全球定位系统记录收割这些玉米棒时收割机所处的地理位置

9、，这样就 可画出产量分布图和计算出每块土地的产量，根据产量分布图也可判断出何处缺肥， 需要施多少肥。精确农业能针对各条块农田的土壤结构。肥力状况和作物生长情况等因素的精确 测量和计算，提出种子、化肥、生长剂、除草剂、杀虫剂等的合理用量。美国农业生 产部依阿华州艾姆斯土壤耕作实验室制订了一项 “卫星指导农业生产联合计划 ”，在种 植大豆、玉米、燕麦和苜蓿的 450 公顷农田上进行试验，每隔 13 米收集一组农田各 种数据信息，输入计算机，并同时在拖拉机上安装了无线电信号接收系统，接收卫星 信号，并确定自身位置。拖拉机即可根据联合计划，进行各种农业生产活动。1.3 研究的现实意义通过分析，让我们知

10、道，在实现精确农业的道路上，智能农业系统依然存在着诸多问题， 因为现有的技术是基于有线的；而基于无线传感网的物联网精确农业系统无疑更具发展潜 力，无线网络系统具有较高的带宽传输能力，抗干扰能力强、安全保密性良好，而且功率谱 密度低。我们可以利用上述特点，针对农田信息采集和管理组建新的无线网络，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

11、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 无线网络监控平台建立无线的网络监控平台，对农作物的生长过程进行多方面监管和精确调控。在大棚控 制系统中，物联

12、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、C02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 农业灌溉控制系统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

13、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

14、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 农业大棚信息系统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 、图 1 农业物联网的体系构架 质检、运输等过程中，进行可识

15、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 农业应用中各类传感器简介3.1 各类传感器产生背景有需求就有市场，当今世界在各项技术方面都有先驱者，传感器领域也是科学发 展十分重要的分支。在十五期间，国家 863 计划数字农业重大专项实现了农田信息采 集技术的突破，推出了一批成本低、 高性能的土壤水分和作物营养信息采集技术产品， 基本解决了数字农业信息快速获取技术瓶颈问题。 开展了农田水分、 养分、作物长势、 冠层生理与生态因子、品质、产量和虫害草害等信息采集关键技术研究，开发了具有 自主知识产权的新型

16、土壤水分传感器， 研制了土壤和作物养分信息快速采集方法与新 型配套仪器设备 ;在虫害与杂草动态监测系统的研究方面取得了重大进展，开发了基 于称重传感器的高精度智能测产系统， 解决了智能测产与谷物品质监测系统的精度难 题;使我国农业信息快速获取迈出了新的步伐 5。3.2 各类传感器简介为了适应现代化温室和工厂化栽培调节与环境控制 (控制温度、湿度、光照、喷 灌量、通风等 )，以培育各种秧苗，栽培各种果蔬和作物。在这个过程中，需要温度 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