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中国农业物联网
新、

远程农作管理决策服务工程方案

 

  一、引言
  20世纪90年代中期以来,“精细农业”(Precision Agricultrue, Precision Farming)在美国、欧洲、以色列等发达国家和地区中的试验研究与实践有了快速的发展,被喻为是“信息时代作物生产管理技术思想的革命”。进入新世纪,世界各国更是面临如何提高农产品国际市场竞争力和实现农业可持续发展目标的严峻挑战,利用应用生物与信息等高新技术提升农业科学技术水平的创新研究由此进入了新时代。
  无线传感器网络技术作为一种新型网络技术,以其低功耗、自由组网、低价位,正被欧美各国广泛应用于精细农业领域的生产和科学研究,例如,大棚种植室内及土壤的温度、湿度、光照监测、珍贵经济作物生长规律分析与测量、葡萄优质育种和生产等,可为农村发展与农民增收项目带来高科技的辅助手段。
  采用无线传感器网络建设农业环境自动监测系统,用同一套网络分别完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制,可有效提高农业集约化生产程度,简化系统复杂性,降低设备成本。
  目前,无线传感网络作为一种廉价、安装便捷的分布式农田信息实时采集网络系统,结合实用的农作管理决策支持系统,随着世界精细农业技术体系的研究与实践的不断发展,其技术思想和目标的明确性和富有吸引力,已经被全世界绝大部分专家学者所认可。
  基于上述因素,本公司农业信息化项目组与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台,该平台在杭州示范区农业生产中已经取的很好的效果。
  二、 农作管理远程监测服务平台介绍
  远程农作管理决策服务平台主要由农田环境遥测系统、农作管理专家系统和用户服务系统三部分组成。
  1.  平台架构图

 

  图表 1 平台架构
  农田环境遥测系统由分布在农田温室大棚里的各种无线传感器组成,如图2、3、4所示,负责采集农田里的温度、湿度、露点、光照等环境信息,并通过GPRS或CDMA等远程无线网络技术将这些数据回传给服务平台的农作管理决策专家系统;

 

    图表 2 农田环境无线遥测实例

 

  图表 3 农田环境无线遥测实例

 

  图表 4 农田环境无线遥测实例
  农作管理专家系统是一种智能程序子系统,内部集成了大量专家水平的领域知识和经验,能利用专家可用的知识和方法来解决该领域的问题。农业专家系统综合了大量农业专家的经验,把分散的、局部的单项农业生产技术综合集成起来,经过智能化的、综合性的信息决策处理,针对不同的生产条件,给出最佳的农事生产和管理的解决方案,为农业生产全过程提供高水平的信息和决策服务;
  用户服务系统是利用短信、邮件等手段将专家系统决策结果通知相关用户,并指导用户进行相应的农事操作的程序,这是根据当前的国情而设计的一种反馈机制,将国外精细农业中常用的机械化灌溉控制系统进行了简化,以人力操作代替机械操作,这一方面考虑到节省机械化设备的巨额投入,便于本系统更容易、更快速地推广,同时也考虑到这样的设计使得广大农民能够亲身参与农作,加强对农民的农技知识指导,让他们在实践中得到学习,从而更快地提高我国农民的整体农业知识和技术水平。
  2.  平台组成
  平台主要分为两大部分:
  第一部分为硬件设施及网络框架的建设,通过无限传感网络长期稳定高效的特点,采集大量的不同地区、不同位置、不同季节、不同环境下的真实数据,用于后续专家系统的开发。具体来说,在农田环境遥测子系统上实现温度、湿度、露点、光照四大要素的环境信息采集及CDMA远程传送;在农作管理专家子系统上实现简单实用的环境参数上下限警示,并给出相应的农事操作建议;在用户服务子系统上实现用户服务平台,包括环境遥测设备注册、农作物信息登记、决策信息短信通知等功能。
  第二部分为农作管理专家系统,在理论的指导下,通过对前期大量真实数据的分析,为不同的农作物品种建立各种环境下的农作物生长曲线,更好地为广大农民提供准确及时的农作指导。同时,根据专家系统的要求,扩展相应的各种无线传感器,包括测量土壤水分、酸碱度、肥料成分,二氧化碳浓度等指标。另外,在某些条件成熟(资金充裕、农田规模较大、人员知识水平较高)的地区可以考虑建设全自动的灌溉施肥系统,进一步提高农业信息化,以便更加“精细”地管理农作物。
  三、用户服务系统设计
  ?   数据查询
  用户服务系统提供实时数据、历史数据、报警数据等各种类型的数据查询功能,下图是即时数据显示的一个例子:

 

  图表 5 用户服务系统界面
  淳安县基地 甜椒大棚 种植的蔬菜品名为甜椒
  采集时间:2008-09-26 10:17:00
  甜椒    环境温度:    3.60度
  环境湿度:    4.55%
  环境红外:    4.56次/分
  环境光照:    4.56%
  环境露点:    4.55%
  采集设备电池余量:   2.81伏
  环境湿度:    异常
  总的环境条件分析结果即 (工作状态):异常
  即时数据查询,可以显示某蔬菜在其种植的蔬菜大棚内最近的采集时刻的即时环境温度采样值,或环境湿度采集值,或环境红外采集值,或环境光照采集值,或环境露点采集值,或采集设备的电池余量采集值。进而总结出当前环境是否适合该蔬菜的最佳生长发育环境。
  即时查询,可以为相关的责任人提供最新的种植蔬菜的当前环境生长条件。
  历史数据的查询,除了可以在某种植蔬菜在所种植的蔬菜大棚中,所有的环境因数采集点在采集数据沿时间的分布曲线上
  ?  系统设置
  系统设置以对系统的蔬菜基地和阈值及前端采集设备的基本参数进行设置。模块功能包括:
  阈值(种植蔬菜)信息维护:有阈值编号,阈值名称的温度、湿度、光照、红外、电池余量、露点报警阈值等
  蔬菜大棚维护:有蔬菜大棚编号,蔬菜大棚名称,蔬菜基地编号等
  节点信息维护:有节点编号,节点名称,位置,蔬菜大棚编号,阈值编号等。
  测点信息维护:测点编号、测点名称、测点类型编号、蔬菜大棚编号等
  测点类型维护:有温度、湿度、结露、光照、红外、电池电压等
  数据转换维护:有设备编号和测点编号等
  短信通知维护:有短信编号、短信通知内容、需短信通知部门责任人
  ?  系统管理
  系统管理用以对涉及到整个系统的基本参数进行设置。模块功能包括:
  部门信息维护,用以维护系统涉及的有关的责任部门
  员工信息维护,用以维护系统涉及的有关责任部门中的责任人。
  系统用户维护,用以维护有关的系统管理与使用人员的权限。
  系统日志维护,用以查看及清除系统运行过程中所产生的日志信息。
  四、国外无线传感器网络技术在农业领域的应用案例
  1  葡萄园环境监测系统应用方案
  该方案由英特尔公司所设计的应用在美国盛产葡萄酒的俄勒冈州的一个葡萄园中,用于测量葡萄园中环境的细微变化。在俄勒冈州葡萄园长出的葡萄大部分用于酿制葡萄酒,葡萄园中气候的细微变化可能会对酿制出的葡萄酒的质量带来极大的影响。葡萄园工作人员通过长年的数据记录及对应的分析结果,便能精确地掌握葡萄酒的质量与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。该环境监测系统通过采集葡萄园中各环境因素的数据,经过数据分析,然后由葡萄园工作人员根据分析结果来开展有效的灌溉等工作,从而确保葡萄可以健康生长,获得大丰收。
  该葡萄园环境监测系统应用方案如图7-4所示。它所使用的器件是加州大学伯克利分校研制并授权商业化的用于无线传感器网络研究与应用的高科技产品。在该监测系统中,首先把若干无线传感器节点布放在葡萄园内,每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度和日照等;然后把测得数的据通过无线通信技术发送到信号接收节点;再通过网络发送到计算机上,再由计算机系统中的相关应用软件对数据进行分析处理;最后由葡萄园主从显示系统中观看其分析结果。

 

  系统的显示分析报告不仅为葡萄园主进行灌溉,控制葡萄园内温度和日照等提供依据,而且系统可以对所收集到的数据和对应分析结果进行长期的保存。于是,葡萄园工作人员可以根据过去的数据记录和对应分析结果及灌溉等操作与最终产出的葡萄质量之间的关系,很好地掌握葡萄的质量与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系,为葡萄园工作人员以后进行灌溉等积累经验。
  该系统中的相关应用程序要牵涉到葡萄种植方面的专业知识,主要是葡萄园主人必须要对葡萄生长过程中所受温度、湿度和日照的影响有个很好的掌握。该方案设计能够对以往数据和分析结果进行保存,葡萄园工作人员可以在后期根据过去的数据分析记录和实际灌溉相结合,积累很好的经验。该方案体现出了人性化和灵活性,为无线传感器网络在农业中其他方面的应用提供了很好的参考价值。
  该方案应用的无线传感器网络,传感器节点在应用过程中,故障率相对来说较低。由于传感器节点的故障率低,这为该方案能够采集到较准确和齐全的数据提供了很好的保证,该方案可以推广到其他葡萄园中去,虽然要投入一些资金,但是能够长出高质量的葡萄,酿制出高质量的葡萄酒,这对葡萄酒的品牌声誉和市场占有率非常有利,当然该方案也可以应用到农业的其他方面,有很好的适用性和实用性。
  2 温室环境应用方案
  无线传感器网络在大农业中的应用有很多,温室环境应用是在农业中应用最广泛、最常见的一个例子。在日常生活中,人们能够在市场上买到当地自然气候下长不出来的蔬菜,这些蔬菜都是在温室环境下种植培育出来的。与以往的温室环境的应用方案比较,以往都是通过在温室内布置复杂的电线及相关的控制设备来实现对温室环境的调控。在温室中布线,这对为农作物进行施肥等活动造成障碍,可能会在这些活动中把电线弄断,给系统通信带来问题。而利用无线传感器网络不需要经过布线这个环节,避免了相关问题的出现,同时达到了对温室环境进行调控的要求。
  在温室环境中,单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区,网络中通过采用经过多个节点转发来实现信息的传递(多跳的方式)。网络中采用不同的传感器测量节点和具有简单执行控制的节点(能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制)构成无线传感器网络,其中节点用来测量土壤湿度、土壤成分、PH值、温度、空气湿度、气压、光照强度和C02浓度等数据,以便知道温室中的环境状况,同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点,为对温室环境进行适当的调控提供科学依据。最终使温室中的传感器执行控制的标准化、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,方案网络结构如图7-5所示。

 

  在农业中,特别是在国外的大农场里,可能建有很多温室,根据应用的设计,在每个温室都组建一个无线传感器网络,由于温室中的环境都比较相似,因而,每个温室中的无线传感器网络的功能和技术也都是一样的。所有的温室通过控制中心的计算机来统一进行管理,这大大提高了工作效率,使得管理更科学化。

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