【正文】 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用研究 1 研究的 背景 和意義 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 面臨的問題 我國人口占世界總?cè)丝诘?22%，耕地面積只占世界耕地面積的 7%。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展 ,人民生活水平不斷提高，資源短缺、環(huán)境惡化與人口劇增的矛盾卻越來越突出。特別是我國加入世貿(mào)組織后 ,國外價格低廉的優(yōu)質(zhì)農(nóng)副產(chǎn)品源源不斷地流入我國 ,這對我國的農(nóng)產(chǎn)品市場構(gòu)成極大威脅。因此 ,如何提高我國農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率 ,如何對大面積土地的規(guī)?；N實施信息技術(shù)指導(dǎo)下科學(xué)的精確管理 ,是一個既前沿又當務(wù)之急的科研課題。 而 現(xiàn)實情況 是 ，粗放的管理與濫 用化肥，其低效益與環(huán)境污染令人驚嘆。 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的物質(zhì)技術(shù)手段落后，主要是依靠人力、畜力和各種手工工具以及一些簡單機械。 在現(xiàn)實中主要存在的問題是： (1)農(nóng)業(yè)科技含量、裝備水平相對滯后， (2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在污染和浪費，據(jù)農(nóng)業(yè)、水利部門測算，我國每年農(nóng)業(yè)所消耗化肥、農(nóng)藥和水資源量都在飛速增長，數(shù)據(jù)驚人，農(nóng)業(yè)的污染問題困擾著不少鄉(xiāng)村，不少農(nóng)民群眾飲水安全受到影響。 (3)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出少、農(nóng)民收入低 (4)農(nóng)產(chǎn)品的品種少 依靠和使用著這些落后的生產(chǎn)工具和生產(chǎn)技術(shù)維持著簡單再生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率低下，農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量增長緩慢， 農(nóng)業(yè)得不到很好的發(fā)展，這從而又反過來阻礙了農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步以及生產(chǎn)工具的創(chuàng)新。于是，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的自身發(fā)展陷入惡性循環(huán)之中。 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中面臨著確保農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量、 生產(chǎn)效益低下 、資源嚴重不足且利用率低、環(huán)境污染等問題而 不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要 。因此 ,關(guān)于智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究，顯得非常必要與重要。 2 精確農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 精確農(nóng)業(yè) (Precision Agriculture ) 是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一 整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀，調(diào)節(jié)對作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標，進行定位的 “系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理 ”，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 精確農(nóng)業(yè)由十個系統(tǒng)組成，即全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng) 、智能化農(nóng)機具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)。其核心是建立一個完善的農(nóng)田地理 信息系統(tǒng) （ GIS），可以說是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種 新型農(nóng)業(yè) 。精 確農(nóng)業(yè)并不過分強調(diào)高產(chǎn)，而主要強調(diào)效益。它將農(nóng)業(yè)帶入數(shù)字和信息時代，是 21 世紀農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。 精確農(nóng)業(yè)主要內(nèi)涵包括精確土壤測試技術(shù)、精確種子工程、精確平衡施肥技術(shù)、精確播種、精確灌溉技術(shù)、作物動態(tài)監(jiān)測技術(shù)、精確收獲等。 與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，精確農(nóng)業(yè)主要有以下特點： 1 合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染 精確農(nóng)業(yè)采用因土、因作物、因時全面平衡施肥，徹底扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因經(jīng)驗施肥而造成的三多三少（化肥多，有機肥少； N肥多， P、 K肥少；三要素肥多，微量元素少）， N、 P、 K 比例失調(diào)的狀況，因此有明顯 的經(jīng)濟和環(huán)境效益。 2 減少和節(jié)約水資源 目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)因大水漫灌和溝渠滲漏對灌溉水的利用率只有 40%左右，精確農(nóng)業(yè)可由作物動態(tài)監(jiān)控技術(shù)定時定量供給水分，可通過滴灌微灌等一系列新型灌溉技術(shù)，使水的消耗量減少到最低程度，并能獲取盡可能高的產(chǎn)量。 3 3 節(jié)本增效，省工省時，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 精確農(nóng)業(yè)采用精確播種，精確收獲技術(shù)，并將精確種子工程與精確播種技術(shù)有機地結(jié)合起來，使農(nóng)業(yè)低耗、優(yōu)質(zhì)、高效成為現(xiàn)實。在一般情況下，精確播種比傳統(tǒng)播種增產(chǎn) 18%～ 30%，省工 2～ 3 個小時。 4 使農(nóng)作物的物質(zhì)營養(yǎng)得到合理利用，保證了農(nóng)產(chǎn)品的 產(chǎn)量和質(zhì)量 精確農(nóng)業(yè)通過采用先進的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對農(nóng)作物的生產(chǎn)過程進行動態(tài)監(jiān)測和控制，并根據(jù)其結(jié)果采用相應(yīng)的措施。 與 有線數(shù)據(jù)傳輸智能農(nóng)業(yè)相比 ， 基于無線傳感網(wǎng)的 精確農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 ： 1 對于移動測量或距離很遠的野外測量 ,采用無線方式可以很好的實現(xiàn)并節(jié)省大量的費用。目前的無線網(wǎng)絡(luò)可以把分布在數(shù)千米范圍內(nèi)不同位置的通信設(shè)備連在一起 ,實現(xiàn)相互通信和網(wǎng)絡(luò)資源共享。 2 無線傳輸技術(shù)較不易受到地域和人為因素的影響。無線傳輸中廣域網(wǎng)的遠程傳輸主要依靠大型基站及衛(wèi)星通信 ,抗干擾能力強 ,穩(wěn)定性比有線通信更強。 雖然在惡劣氣候和極特殊地貌中傳輸能力可能降低 ,但屬于極少數(shù)個例。 3 無線通信的接入方式靈活。在無線信號覆蓋的范圍內(nèi) ,可以使用不同種類的通信設(shè)備進行無縫接入 ,例如手持掌上電腦 PDA、無線終端設(shè)備、車載終端設(shè)備、手機、無線上網(wǎng)筆記本、遠端服務(wù)器等。 精確農(nóng)業(yè) 國內(nèi)外 發(fā)展 現(xiàn)狀 ： 精確農(nóng)業(yè)在國外發(fā)達國家發(fā)展十分迅速，其應(yīng)用已涉及到施肥、播種、耕作、水分管理等相關(guān)領(lǐng)域。精確農(nóng)業(yè)已逐漸為各農(nóng)場經(jīng)營者了解和熟悉。 歐洲的一項調(diào)查表明：歐洲大約 2/5的農(nóng)場主知道精確農(nóng)業(yè)技術(shù)。發(fā)達國家在大型拖拉機上配置 GPS進行耕作已較普遍 ，如英國夏托斯農(nóng)場在聯(lián)合收割機上裝的 GPS和產(chǎn)量測定儀，每隔 ， GPS測量記錄一次。這樣，在收割完成的同時，就可以產(chǎn)生當季準確的產(chǎn)量分布圖一在施肥方面，明尼蘇達的扎卡比林甜菜 4 農(nóng)場采用精確施肥技術(shù)減少了 N肥用量，肥料投入每平均減少 ，收益平均每 tml2增加 。在以色列用水管理已實現(xiàn)高度的自動化，全國已全部實施節(jié)水灌溉技術(shù)，其中 25％為噴灌， 75％為微灌 (滴灌和微噴灌 )。所有的灌溉都由計算機控制，實現(xiàn)了，因時、因作物、因地用水和用肥自動控制。 1989年，以色列水分利用率為每產(chǎn)糧食 2． 3kg，與技術(shù)使用前 1949年相比，平均提高了，到 2021年，計劃提高到。荷蘭的蔬菜溫室生產(chǎn)的自動化水平堪稱世界一流，溫室的光照、需水量、需氧量等均由計算機自動控制定時定 量供給。其所需數(shù)據(jù)均來自現(xiàn)場的測試車，平均每 20棟溫室即備有一輛測試車， 24h進行循環(huán)流動作業(yè)，每 2h就能將植株體內(nèi)營養(yǎng)液的含量以及植株根部酶的活性測定一次，勞動生產(chǎn)率及專業(yè)化水平非常高，平均每個勞動力可管理溫室的蔬菜生產(chǎn)，產(chǎn)量卻比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提高 8～ 10倍。 我國在精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究方面取得了不少研究成果，但在整體水平上，特別是實用上與發(fā) 達國家差距很大，主要存在以下幾個方面的問題： 一是人才培養(yǎng)滯后。一般農(nóng)學(xué)專家懂計算機技術(shù)的人并不多，而一些計算機專業(yè)人員對農(nóng)業(yè)科學(xué)又陌生，這樣在應(yīng)用的結(jié)合點上就存在較大矛盾； 二是信息標準不統(tǒng)一。我國計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用信息管理目前還沒有完全做到標準化。信息庫、數(shù)據(jù)庫描述的語言和方法不盡相同，開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件在計算機運行平臺、信息接口、軟硬件等的兼容性上較差。這些不利于進行數(shù)據(jù)的交換、傳播和使用，也不便于計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究和開發(fā)； 三是技術(shù)不成熟。我國計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用專家系統(tǒng)的知識表述、推理等方面普遍存 在不同程度的缺陷，并且整體功能單一。農(nóng)用實 時控制處理開發(fā)成果少，應(yīng)用范圍窄，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測手段落后，速度慢 ，精度低。已開發(fā)的系統(tǒng)功能弱，使用效率不高，不適合推廣和使用。農(nóng)用模式識別、數(shù)字圖像處理、計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)由于受人力、物力、財力影響，和農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比差距較大，從已開發(fā)系統(tǒng)來看，水平檔次低，領(lǐng)域窄，可靠性、穩(wěn)定性還不高。 構(gòu)建 智能精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 的目的和意義 實施精確農(nóng)業(yè)是解決我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中所面臨的確保農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量、資源嚴重不足且 5 利用 率低、環(huán)境污染等問題的有效方式，將在世紀之交成為我國農(nóng)業(yè)科技革命的重要內(nèi)容。 構(gòu)建智能精確農(nóng)業(yè)，是應(yīng)對國際市場 機遇和挑戰(zhàn) 的必然抉擇； 面對 外國質(zhì)優(yōu)價廉的農(nóng)產(chǎn)品 的 大量涌入 ,面對 農(nóng)業(yè)的國際資本 在 資金、管理和人才方面的優(yōu)勢 威脅 ,我國農(nóng)業(yè)小規(guī)模的、單一農(nóng)戶式的生產(chǎn)經(jīng)營方式也 在 逐步被大規(guī)模現(xiàn)代化經(jīng)營方式所取代。如何發(fā)展我國的農(nóng)業(yè) ,提高我國農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力 ,這都是亟待解決的問題 ,而發(fā)展精確農(nóng)業(yè)不失為一條可行之路。 構(gòu)建智能精確農(nóng)業(yè)， 是 協(xié)調(diào)我國人口、資源和環(huán)境狀況的需要 ； 我國各地的自然條件、社會經(jīng)濟條件差異明顯 ,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大 ,農(nóng)業(yè)自然資源人均指標較低、農(nóng)戶土地經(jīng)營規(guī)模小且利用不盡合理、勞動生產(chǎn)率低、浪費嚴重。我國人均耕地面積和人均水資源只有世界平均水平的 30%和25%,且現(xiàn)有耕地中 2/3 是中低產(chǎn)田 ,農(nóng)田灌溉水的有效利用率只有 30%～40%(發(fā)達國家已達 50%～ 70%)?；?、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料投入水平高而利用率低并導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染和破壞 ,土壤沙化、堿化、鹽漬化嚴重 ,耕地單位面積產(chǎn)量與世界糧食高產(chǎn)國家相比甚至要低一半以上 ,21世紀我國人口增長和土地資源減少的矛盾不可逆轉(zhuǎn)。 與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要 相比，精確農(nóng)業(yè) 可以 實現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標，不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑 。 構(gòu)建智能精確農(nóng)業(yè)， 是成功的農(nóng)業(yè)革命實踐； 目前農(nóng)產(chǎn)品市場面臨的問題是 許多農(nóng)產(chǎn)品 供給總量基本平衡 甚至出現(xiàn)相對過剩 ， 與此同時 ,卻普遍存在高產(chǎn)不高效、增產(chǎn)不增收的矛盾。農(nóng)民收入問題已經(jīng)成為農(nóng)村發(fā)展面臨的突出問題。精確農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化成功實踐的基礎(chǔ)上的延伸和發(fā)展。 大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的 精確農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)促進 了 農(nóng)業(yè)從以人力為中心的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和 軟件為中心的生產(chǎn)模式。 6 小結(jié) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的模式已遠不能適應(yīng) 農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展的 需要 ， 產(chǎn)品質(zhì)量問題，資源嚴重不足且普遍浪費，環(huán)境污染，產(chǎn)品種類需求多樣化等諸多問題使農(nóng)業(yè)的發(fā)展陷入惡性循環(huán)，而精確農(nóng)業(yè)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一條光明之路， 精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比最大的特點是以高新技術(shù)和科學(xué)管理換取對 資源的最大節(jié)約。它是一項綜合 性很強的系統(tǒng)工程，是農(nóng)業(yè)實現(xiàn)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的根本途徑，是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，也是我國農(nóng)業(yè)邁向 21世紀的最佳選擇。 通過分析我們可以發(fā)現(xiàn)在實現(xiàn) 精確農(nóng)業(yè)的道路上，現(xiàn)有的基于有 線的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)依然存在著諸多問題，而基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng) 精 確農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 更具發(fā)展?jié)摿Γ?無線網(wǎng)絡(luò) 具有 較高的傳輸帶寬、抗干擾能力強、安全保密性好 ,而且功率譜密度低。利用上述特點 ,可組建針對農(nóng)田信息采集和管理的目的無線網(wǎng)絡(luò) ,實現(xiàn)農(nóng)田信息的無線、實時傳輸。同時 ,可以給用戶提供更多的決策信息和技術(shù)支持 ,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠程管理。 對比國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在精確農(nóng)業(yè)發(fā)展模式上的弊病，沒有在應(yīng)用的結(jié)合點上 技術(shù)熟練的人才 ，信息標準不統(tǒng)一和技術(shù)不成熟。最為尷尬的是 ，國內(nèi)更 多的是 示范工程和項目 ，僅僅停留在試驗和演示階 段而沒有能夠形成產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用項目。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則致力于將精確農(nóng)業(yè)從概念化轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化，更專注于應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品化，力圖為智能 精確 農(nóng)業(yè)的大規(guī)模推廣應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。 綜上所述， 智能精確農(nóng)業(yè)取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是 農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然 ，更是 符合 我國國情的 選擇，智能精確農(nóng)業(yè)可以 促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標，不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。 7 2 研究內(nèi)容 研究 目標 1 建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺 ,對農(nóng)產(chǎn)品的生長過程進行全面監(jiān)管和精準調(diào)控。 在大棚控制系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、 PH 值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、 CO2 傳感器等設(shè)備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、 PH 值、光照強度、土壤養(yǎng)分、 CO2 濃度等物理量參數(shù)，通過各種儀器儀表實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。遠程控制的實現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制。 采用無線網(wǎng)絡(luò)來測量來獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準調(diào)控提供科學(xué)依 據(jù)，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。 2 開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)，達到節(jié)水、節(jié)能、高效的目的 利用傳感器感應(yīng)土壤的水分并控制灌溉系統(tǒng)以實現(xiàn)自動節(jié)水節(jié)能， 可以構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺。 農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的 70％。據(jù)統(tǒng)計，因干旱我國糧食每年平均受災(zāi)面積達兩千萬公頃，損失糧食占全國因災(zāi)減產(chǎn)糧食的 50％。長期以來，由于技術(shù)、管理水平落后，導(dǎo)致灌溉用水浪費十分嚴重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅 40％。如果根據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息，實 時控制灌溉時機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實時監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，則需要較高的布線成本，不便于擴展，而且給農(nóng)田耕作帶來不便。因此，設(shè)計一種基于無 線 傳感器 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過 ZigBee 自組網(wǎng)方式構(gòu)成，從而避免了布線的不便、靈活性較差