精准农业监控系统设计与应用
案例背景
精准农业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。可以利用GIS来实现,最简单地来说,GIS是以测绘测量为基础,以数据库作为数据储存和使用的数据源,以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。这是GIS的本质,也是核心。物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中百分之八十以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统( Geographic Information System, 简称 GIS)作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科,近年来得到了广泛关注和迅猛发展。由于信息技术的发展,数字时代的来临,理论上来说,GIS可以运用于现阶段任何行业。 从技术和应用的角度, GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术;
精准农业通过精心计算出庄稼所需化肥、水分、农药等的量,就可以极大地节约各种原料的投入,大大降低生产成本, 提高土地的收益率,同时十分有利于环境保护。精准农业技术的应用非常广泛,如根据土壤的需要使肥力的状况得到改善,根据病虫害的情况来调节农药喷洒量,根据干旱情况及时灌溉,自动调节拖拉机耕种深度,及时改善土壤,防止土地板结和肥力下降等。
GIS即地理信息系统(Geographic Information System),经过了40年的发展,到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术,并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年,GIS更以其强大的地理信息空间分析功能,在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说,地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。但是对于集约化、规模化的农场,以及药剂制药集团下属农场等,精准农业的发展应用得到了政府的大力支持,这也体现国家对农业信息技术的推动和重视。
本文基于近年来发展势头很迅猛的无线传感网络技术ZigBee,阐述一种易于实现的精准农业无线传感网络应用系统。
2 系统描述
在现代化农业中,有不少的自动化系统,如灌溉施肥自动化控制系统、自动化喷淋系统、LED灯光补光系统、无土栽培配合压力补偿滴灌系统等,如果说传感检测是精准农业的眼舌耳鼻喉(感受器官),那么通信网络无疑就是精准农业的神经网络了。
说到神经网络,则不得不提到目前嵌入式应用的一大热点技术——ZigBee。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术和无线网络技术,主要适合于承载数据流量较小的业务,可嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。
ZigBee应用在精准农业中,构建分布式网络的优势如下:
(1)相比于数传电台技术(大功率315 MHz/433 MHz模块),ZigBee技术具有功率小、耗电低的特点,电池供电便于安装维护;
(2)网络特性,ZigBee有一套健全的网络协议栈,能够方便地实现自组网、自动路由、冗余网络故障自恢复;
(3)2.4 GHz低功率高频信号,辐射小,效率高。相比于其他通信手段,ZigBee的发送功率通常只有几毫瓦,通过器件自身非常高的接收灵敏度(通常是-90 dB~-105 dB),不能超过100 mW(CDMA的最大发射功率是200 mW;GSM最大发射功率是2 W),此技术产生的电磁波辐射不会对农产品及工作人员产生不良影响。
(4)分布式网络对于大面积多采样点监控十分必要,只有全面掌握各个点的信息,才能完整地使用地理信息系统(GIS),形成完备的数据信息库,才能帮助农场技术人员全面地了解地理信息,同时,也能实现精准农业概念中的精准控制性。
3 技术实现
要实现农场传感检测及控制网络,需要具备以下组件:传感器、动作器、微处理器以及无线传输模块(ZigBee模块)。典型的传感器包括温度传感器(DS18B20芯片只有小纽扣大小)、水位传感器、压力传感器等;动作器包括继电器、电机和灯光控制器等,原来的灌溉施肥自动化控制系统、自动化喷淋系统、LED灯光补光
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