对于物质种类最多的农业,通过物联网将鲜活农产品的生长状态、环境变化反应、储藏保鲜、流通质量安全与设备、机器、人的主动行为紧密结合,将对农业经济产生重要的影响。
近十年来,随着智能农业、精准农业的发展,泛在通信网络、智能感知芯片、移动嵌入式系统等技术在农业中的应用逐步成为研究的热点。
密集的无线传感器网络
无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式系统。通过随机投放的方式,众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成了传感器、数据处理单元、通信模块和能源单元,它们通过无线信道相连,自组织地构成网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络集传感器技术、微机电系统(MEMS) 技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体, 因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。
在传统农业中,人们获取农田信息的方式都很有限,主要是通过人工测量。这样的获取过程需要消耗大量的人力,而通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响,获取精确的作物环境和作物信息。
目前无线技术在农业中的应用比较广泛,但大都是具有基站星形拓扑结构的应用,并不是真正意义上的无线传感器网络。农业上一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络,通过各种传感器采集信息,帮助农民及时发现问题, 并且准确地确定发生问题的位置。这样,农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式,进而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。
●无线传感器网络应用于温室环境的信息采集和控制。
在温室环境里,单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区。采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构) 构成无线网络,来测量土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度,由此获得作物生长的最佳条件。将生物信息获取方法应用于无线传感器节点, 可为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器和执行机构标准化、数据化, 利用网关实现控制装置的网络化, 从而达到现场组网方便、提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
●无线传感器网络应用于节水灌溉。
无线传感器网络自动灌溉系统利用传感器感应土壤的水分,并在设定条件下与接收器通信,控制灌溉系统的阀门打开、关闭,从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点, 使灌区面积、节点数量可以不受限制,因此可以灵活增减轮灌组。加上节点具有土壤、植物、气象等测量采集装置,利用通信网关的Internet 功能与RS 和GPS 技术结合,形成灌区动态管理信息采集分析技术,配合作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等,可构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。用户还可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域, 实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化,促进节水农业的快速和健康发展。
2008年,湖南农业大学提出了一种基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉构建方案,用无线传感器网络实现农田土壤湿度信息的实时采集和传输,通过灌溉控制器控制灌溉管网,分区域实时灌溉并调节土壤湿度,保证了精细农业所要求的时空差异性和水资源的高效利用。
●无线传感器网络应用于环境和动植物信息监测。
用户通过布置多层次的无线传感器网络检测系统,可以对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、环境、生理状况及种群复杂度进行观测研究, 也可用于对森林环境监测和火灾报警。传感器节点随机密布在森林之中, 平常状态下定期报告环境数据, 当发生火灾时, 节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地址、火势大小等信息传送给相关部门。此外,无线传感器网络也可以应用在精准农业中, 来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
形形色色的传感器
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、性能高的土壤水分和作物营养信息采集产品,基本解决了数字农业信息快速获取的技术瓶颈问题。科研人员开展了农田水分、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,我国也取得了重大进展,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技术迈出了新的步伐。
现代化温室和工厂化栽培调节和控制环境(控制温度、湿度、光照、喷灌量、通风等)可用于培育各种秧苗,栽培各种果蔬和作物。在这个过程中,作物需要温度传感器、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,各种仪器仪表可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、适宜生长的环境。
在果蔬和粮食的储藏中,温度传感器发挥着巨大的作用,制冷机根据冷库内温度传感器的实时参数值自动控制并且保持该温度的相对稳定。气调库相比冷藏库是更为先进的贮藏保鲜方法,除了温度之外,气调库内的相对湿度(RH)、O2浓度、CO2浓度、乙烯(C2H4)浓度等均有相应的控制指标。控制系统采集气调库内的温度传感器、湿度传感器、O2浓度传感器、CO2浓度传感器等物理量参数, 通过各种仪器仪表适时显示,或作为自动控制的参变量参与到自动控制中,保证有一个适宜的贮藏保鲜环境,达到最佳的保鲜效果。
在作物的生长过程中,形状传感器、颜色传感器、重量传感器等可用来监测物的外形、颜色、大小等,由此确定作物的成熟程度, 以便适时采摘和收获。用户可以利用二氧化碳传感器进行植物生长的人工环境的监控, 以促进光合作用的进行。例如, 塑料大棚蔬菜种植环境可以利用超声波传感器、音量和音频传感器等进行灭鼠、灭虫; 还能用流量传感器及计算机系统自动控制农田水利灌溉。
另一方面,生物技术、遗传工程等都成为良种培育的重要技术, 在这其中,生物传感器发挥了重要的作用。农业科学家通过生物传感器操纵种子的遗传基因, 在玉米种子里找到了防止脱水的基因, 培育出了优良的玉米种子。此外,监测育种环境还需要温度传感器、湿度传感器、光传感器等; 测量土壤状况需用水分传感器, 吸力传感器、氢离子传感器、温度传感器等; 测量氮磷、钾各种养分需要用离子敏传感器。
在动物饲养中也有传感器应用,如可用来测定畜、禽肉鲜度的传感器。它可以高精度地测定出鸡、鱼、肉等食品变质时发出的臭味成分二甲基胺( DMA ) 的浓度, 其测量的最小浓度可以达到1ppm,利用这种传感器可以准确地掌握肉类的鲜度, 防止肉类腐败变质。
挖掘潜在应用 物联网在农业领域具有远大的应用前景。
在农田、果园等大规模生产方面,如何把农业小环境的温度、湿度、光照、降雨量、土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH值,以及植物生长特征等信息进行实时获取并利用,对于科学施肥、灌溉作业来说具有非常重要的意义。
在生鲜农产品流通方面,需要对储运环境的温度和农产品的水分进行控制,环境温度过高可能会发生大批农产品的腐烂,水分不足品质会受到影响,在这个环节要借助物联网的帮助。
还有一类具有典型意义的应用是工厂化健康养殖作业,需要通过物联网技术实现畜禽、水产养殖环境的动态监测与控制。
农业物联网要解“三个结”
第一结: 价格
智能感知器的成本问题。目前,农业环境和动植物群体/个体信息采集和传输的感知设备成本相对还比较昂贵,例如农产品供应链上的电子标签,生产100万个的成本约为14美分/个。除此之外还有实施 RFID 所需的基础设施的成本,如阅读器的购置价格等,因为农产品的本身价值并不大,使用RFID所增加的成本相比之下显得过高,目前只适用于一些高价值的农产品。
第二结: 功耗
农田无线传感器网络体系的功耗问题。由于农作物生产周期较长,而传感器节点数量较多,因此如果经常更换电池将是一项耗资巨大的工作。如何有效节省电能、延长网络的生命周期,是面向大规模农田种植的无线传感器网络需解决的重要问题。
第三结: 传输
物联网感知节点上数据高效传输问题。农业监测区域分布大量传感器节点(sensor node)和少数汇聚节点(sink node),传感器节点负责采集相关数据信息,最终将数据传送至汇聚节点。由于农业物联网具有感知数据量大、无线通信带宽低、时效性强的特征,网络节点在能量、计算、存储及通信能力方面存在局限性,数据高效传输与管理问题是提高节点协作感知、采集、处理、发布效率的有效途径。
链接
三大关联技术
电子标签与条码技术
近年来,国内食品安全问题频频发生,影响到了人们的身体健康,引起了社会广泛的关注。而农产品供应链包括了生产、包装、加工、配送、销售等多个环节,在流通过程中出现的问题往往很难进行监控。通过RFID对农产品信息进行标识、采集、传递和关联管理,可使农产品信息流与物流联系起来,将电子标签作为农产品的信息载体,有效地实现了农产品质量跟踪与追溯。以猪肉供应为例,猪肉追溯体系需要在商品猪肉供应链的各关键节点——生猪养殖场、市境道口、屠宰场、批发市场设置控制点,使用 RFID 标签记录追溯所需的信息。
GPS技术
GPS是农业生产和科研中重要的信息获取手段,目前GPS技术广泛应用于农业资源调查、土壤养分监测和施肥、病虫害监测和防治等方面。此外,GPS在农业中的另一个重要应用领域就是精准农业的农机作业上。精准农业要求实时获取地块中每个小区(每平米到每百平米)的土壤与作物信息,诊断作物长势和产量在空间上出现差异的原因,并按每个小区做出决策,准确地在每个小区进行灌溉、施肥、喷药等,以求最大限度地提高水、肥、药的利用效率。GPS技术为农用机具提供实时位置信息,提高了机具行走和飞行精度。精准农业需要及时了解农田状态信息,如农田中的肥、水、病、虫、草、害和产量的分布情况。
GPS与农田信息采集技术相结合,可以实现定点采集和分析农田状态信息,生成农田状态分布图。农民根据农田状态分布图,做出相应的决策并付诸实施。农田状态信息的采集是精准农业实施变量投入的基础。GPS技术为农机具提供实时位置信息,使得农机具可以调用处方图信息,实现行进间变量投入,从而实现按需投入水、种子、肥料和化学药剂等生产要素,既保证了作物的生长需求,又可以节约投入和减轻环境污染。GPS技术在农业机械中的应用,极大地提高了农业生产和作业的效率。
ZigBee无线传感技术
ZigBee技术在精准农业作业无线数据传输业务中也逐步得到广泛应用。ZigBee节点部署于农田小区每个操作单元的土壤监测子系统、大气监测子系统、太阳辐射监测子系统、作物生长情况监测子系统、作物产量监测子系统中,实时监测各个子系统,并将各子系统的状态变化以无线方式传送给各个监控区域的现场监控单元。每个监控区域设置一个现场控制单元和若干ZigBee节点。现场控制单元不仅是网络控制系统的节点,而且还是zigBee无线传感器网络的网关节点,它负责对ZigBee节点传来的采集数据进行处理,然后将数据通过现场总线发送到系统服务器。主机系统的中央处理服务器是田间监控系统的主处理服务器,它是田间监控系统的逻辑处理核心,负责对接收到的数据进行逻辑处理和分析,如存储归档、阈值比较、阈值调优和趋势分析等,并能够将分析处理的数据通过Internet网发送到上级监测中心,实现网络控制系统的远程控制,而且还可以根据分析的结果向用户发布事件、警告和预警信息,进一步对农业设施下达控制指令,实现农业生产的变量操作,及时调整改善ZigBee节点的监测情况。
