物联网应用：活跃在田间地头
时间：10-02
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作者：国家农业信息化工程技术研究中心 赵春江 来源：计算机世界 2010-5-6 08:42:32
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有传感器、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，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型拓扑结构的应用, 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, 以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, 从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浓度等来获得作物生长的最佳条件, 同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点, 为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、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、增加作物产量、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、节点数量不受到限制, 可以灵活增减轮灌组,加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置、通信网关的Internet 功能与RS 和GPS 技术结合的灌区动态管理信息采集分析技术、作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。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，设计了一种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，实现了精细农业所要求的时空差异性和水资源高效利用。
● 无线传感器网络应用于环境信息和动植物信息监测。
通过布置多层次的无线传感器网络检测系统, 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(平时节点被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)。同时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、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。
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）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。
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实施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还可以利用形状传感器、颜色传感器、重量传感器等来监测物的外形、颜色、大小等, 用来确定物的成熟程度, 以便适时采摘和收获; 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的监测等; 可以利用超声波传感器、音量和音频传感器等进行灭鼠、灭虫等; 可以利用流量传感器及计算机系统自动控制农田水利灌溉。
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、钾各种养分需要用各种离子敏传感器。
在动物饲养中也有传感器应用，如有可用来测定畜、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, 防止腐败变质。也有用来检测鸡蛋质量的传感器。
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、降雨量等，土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH值等，以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用，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。
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有传感器、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，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型拓扑结构的应用, 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, 以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, 从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浓度等来获得作物生长的最佳条件, 同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点, 为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、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、增加作物产量、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、节点数量不受到限制, 可以灵活增减轮灌组,加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置、通信网关的Internet 功能与RS 和GPS 技术结合的灌区动态管理信息采集分析技术、作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。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，设计了一种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，实现了精细农业所要求的时空差异性和水资源高效利用。
● 无线传感器网络应用于环境信息和动植物信息监测。
通过布置多层次的无线传感器网络检测系统, 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(平时节点被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)。同时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、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。
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）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。
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实施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还可以利用形状传感器、颜色传感器、重量传感器等来监测物的外形、颜色、大小等, 用来确定物的成熟程度, 以便适时采摘和收获; 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的监测等; 可以利用超声波传感器、音量和音频传感器等进行灭鼠、灭虫等; 可以利用流量传感器及计算机系统自动控制农田水利灌溉。
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、钾各种养分需要用各种离子敏传感器。
在动物饲养中也有传感器应用，如有可用来测定畜、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, 防止腐败变质。也有用来检测鸡蛋质量的传感器。
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、降雨量等，土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH值等，以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用，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。