基于無線傳感器網(wǎng)絡的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

楊選民 張海輝 薛少平

0 引言

中國18億畝農(nóng)田是不可增長的自然資源，如何在有限的農(nóng)業(yè)資源基礎上，借助先進的科技手段提高農(nóng)田生產(chǎn)效率，促進土地集約利用已經(jīng)成為我國必須解決的重大問題。以現(xiàn)代信息技術與農(nóng)業(yè)技術融合為特點的“精準農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）”技術成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的支撐技術之一，其核心是指利用信息技術精確獲知作物生長所處環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、肥力、病蟲害等數(shù)據(jù)信息，通過相應手段人為干預調(diào)整環(huán)境參數(shù)，使農(nóng)作物處于有利于其生長的環(huán)境中，從而有效地加快農(nóng)作物的生產(chǎn)過程，提高其品質(zhì)，達到增產(chǎn)增收提高效益的目的。目前，大多數(shù)農(nóng)戶以自身經(jīng)驗為主，缺乏精準的環(huán)境信息獲取手段，已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；⒆詣踊钠款i。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)如集中式監(jiān)測系統(tǒng)、集散型監(jiān)測系統(tǒng)和基于現(xiàn)場總線的監(jiān)測系統(tǒng)都是基于有線通信方式（如CAN總線）實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要存在需要布設有線通信網(wǎng)絡、維護困難、部署具有局限性、不靈活等缺點。近期出現(xiàn)的采用移動運營商的無線通信網(wǎng)絡 （如GSM網(wǎng)絡）傳輸方式，其缺點是依賴于運營商的網(wǎng)絡覆蓋范圍，并且后期使用時需要向運營商支付短信費用或GPRS流量費用，使用維護成本較高。利用無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）技術實現(xiàn)與農(nóng)作物生長密切相關的各種環(huán)境因子信息采集、海量信息管理服務、災害預測預報及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控制逐漸成為 “精準農(nóng)業(yè)”領域的研發(fā)熱點[1]。

1 技術現(xiàn)狀

我國有多家科研單位展開了基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)的研究，并已取得初步成果，無線傳感器網(wǎng)絡在“十二五”規(guī)劃中已成為農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要研究方向之一。目前，國家“工廠高效農(nóng)業(yè)工程”已把智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡化的研制列為國家重點項目；西北工業(yè)大學研究了傳感器網(wǎng)絡相關理論和組網(wǎng)協(xié)議，開發(fā)一套原型系統(tǒng)并初步應用；杭州電子科技大學自動化學院研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡的濕地水環(huán)境遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點覆蓋、傳感器節(jié)點健康狀況等關鍵技術；湖南農(nóng)業(yè)大學提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田自動節(jié)水灌溉構建方案，設計了一種無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)農(nóng)田土壤濕度信息的實時采集和傳輸，通過灌溉控制器控制灌溉管網(wǎng)，分區(qū)域?qū)崟r灌溉并調(diào)節(jié)土壤濕度；浙江林學院信息工程學院和浙江大學提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的森林火災監(jiān)測預警技術的系統(tǒng)框架及其實現(xiàn)方案；也有相關科研人員將無線傳感器技術應用于牲畜家禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)，實現(xiàn)對其生活習性、生理狀況及種群復雜度的研究。以上研究側(cè)重于信息技術本身的研究，很少針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征，將無線傳感器網(wǎng)絡與不同種植方式及不同作物的監(jiān)控需求結合，而且普遍存在價格昂貴，不適宜實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，與農(nóng)業(yè)領域的結合相當匱乏。在我國1000多萬畝的溫室大棚生產(chǎn)中，缺乏對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測、分析及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的科學指導，缺少對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的人為干預措施；也不具備極端環(huán)境下的災害預警機預報功能。因此可以說產(chǎn)業(yè)需求很大，而現(xiàn)有的產(chǎn)品很難滿足實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。目前國內(nèi)市場上農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基本上都處于研發(fā)階段，少有大規(guī)模推廣應用的設備。國內(nèi)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測節(jié)點都采用有線方式與區(qū)域管理設備連接，監(jiān)測節(jié)點布置位置固定無法移動，且都為單點監(jiān)測，所測數(shù)據(jù)可信度低，當某一傳感器損壞時，可能造成整個系統(tǒng)的崩潰。

2 技術發(fā)展趨勢

目前基于有線的測量控制系統(tǒng)相對比較成熟，但有線通信方式導致布施的信號線、動力線錯綜復雜，安裝維護難度大，而且易導致線纜老化，使系統(tǒng)可靠性降低，也不利于農(nóng)業(yè)機器人等移動設備進行作業(yè)。而無線通信方式無需布線、組網(wǎng)靈活、易升級，同時無線通信設備可以在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)隨意移動和重新組網(wǎng)，相對有線通信方式具有明顯的優(yōu)勢。因此，通過無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是解決農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通信問題的有效方法。

3 本系統(tǒng)主要用途及性能

本系統(tǒng)通過監(jiān)測節(jié)點利用先進傳感器技術精確、密集、靈活監(jiān)測農(nóng)作物生長的環(huán)境信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測信息的傳輸，利用嵌入式ARM及winCE技術實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長期存儲、管理及分析，利用PLC（可編程控制器）技術實現(xiàn)作物所處環(huán)境的智能控制。該系統(tǒng)可實現(xiàn)設施環(huán)境下空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度以及風向、風速、降雨量等信息的采集；完成采集數(shù)據(jù)的存儲、處理；同時實現(xiàn)對設施內(nèi)現(xiàn)有設備如風扇、滴灌、補光、遮陽簾等設備的啟停及強度控制。從而滿足精準化、自動化、數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推廣需求，提高設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合產(chǎn)值，增加農(nóng)民收入。

4 市場需求

設施農(nóng)業(yè)發(fā)展最好的有美國、荷蘭、日本和以色列等國家。美國是世界上最早將計算機用于農(nóng)業(yè)控制的國家；荷蘭有85%的設施農(nóng)業(yè)應用環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；日本有92%的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門采用計算機監(jiān)控設備；以色列的智能監(jiān)控系統(tǒng)僅在灌溉方面就可節(jié)約50%—70%的用水。我國有18億畝農(nóng)田和1000多萬畝設施農(nóng)業(yè)，面積居世界第一，且設施農(nóng)業(yè)面積仍在以每年20%的速度增長。但采用智能控制系統(tǒng)的面積不足10%。國內(nèi)還沒有成熟的基于無線傳輸?shù)霓r(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，而國外相關產(chǎn)品的維護和運行費用很高。本系統(tǒng)可大幅提高設施農(nóng)業(yè)的自動化、精準化程度，提高水、肥、熱能等的綜合利用率20%以上，可提高綜合產(chǎn)值10%以上，在低碳環(huán)保方面的效果尤為明顯。適合各種規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護成本低，技術與國外同步，在國內(nèi)和國際市場中也具有一定的競爭優(yōu)勢。

5 結束語

本系統(tǒng)對建立現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術體系、早日實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的信息化、自動化有著重要意義，對提高我國地方特色作物產(chǎn)量及品質(zhì)、農(nóng)民增產(chǎn)增收、增加我國農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易等有較大的幫助，對建立具有地方特色的農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)基地和區(qū)域性支柱產(chǎn)業(yè)，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的跨域式發(fā)展具有重要作用。

［1］張佐經(jīng).設施農(nóng)業(yè)環(huán)境因子無線檢測及預警系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2010（11）.