物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用

摘要

人類歷史進入新的時期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也隨著人類文明的發(fā)展而有了巨大的奔騰。從生產(chǎn)工

具、生產(chǎn)方式的不斷更新中，我們的農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高。刀耕火種的日子一去不復返，人

們的生活水平也有了很大的提高。

進入21世紀后來，科學技術的發(fā)展也帶動著農(nóng)業(yè)技術的革命。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代網(wǎng)絡聯(lián)

姻，將農(nóng)業(yè)和因特網(wǎng)技術聯(lián)系在一起，創(chuàng)新了生產(chǎn)方式，也催生了現(xiàn)代的智能精確農(nóng)業(yè)。本

文試著將所學的物聯(lián)網(wǎng)技術用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，名為“精確農(nóng)業(yè)”的高科技農(nóng)業(yè)工程，即運用衛(wèi)

星、遙感、計算機和自動控制等高新技術于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以提高產(chǎn)量，減少能耗。這項國際先

進的農(nóng)田耕作技術成熟后將向全國推廣，以解決國內(nèi)地少人多的農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸、減少污染和

揮霍，走農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的道路。

高科技可以增進農(nóng)'業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，智能管理可以實現(xiàn)各類農(nóng)業(yè)資源的高效運用，也

可以實現(xiàn)改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目的；不僅可以最大限度的提高農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，并

且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)出、低能耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展型農(nóng)業(yè)的高效途徑。

核心詞：精確農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)

目錄

引言......................................................2

1研究背景和意義.........................................3

1.1研究的背景.........................................3

1.2智能精確農(nóng)業(yè)實例簡介...............................3

1.3研究的現(xiàn)實意義.....................................4

2研究目的...............................................6

2.1無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺...................................6

2.2農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)...................................6

2.3農(nóng)業(yè)大棚信息系統(tǒng)...................................6

3農(nóng)業(yè)應用中各類傳感器簡介................................7

3.1各類傳感器產(chǎn)生背景.................................7

3.2各類傳感器簡介.....................................7

4研究內(nèi)容...............................................9

4.1精確農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺.............................9

4.2精確農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)..........................10

4.3物聯(lián)網(wǎng)感應的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)......................10

5在農(nóng)業(yè)中的應用........................................12

5.1典型應用之智能農(nóng)業(yè)大棚............................12

5.1.1溫室信息環(huán)境采集..............................12

5.1.2無線傳感器網(wǎng)絡自動灌溉系統(tǒng)....................13

5.1.3系統(tǒng)功能特點..................................14

5.2智能農(nóng)業(yè)在應用領域的將來...........錯誤!未定義書簽。

5.3智能精確農(nóng)業(yè)的特點................................16

結束語...................................................16

參照文獻.................................................17

致謝...................................................18

引言

物聯(lián)網(wǎng)基本定義：

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要構成部分。物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“TheInternetofthings”。

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基本

仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基本I.的延伸和擴展的網(wǎng)絡；第二，其顧客端延伸和擴展到了

任何物體與物體之間，進行信息互換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻辨認

（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按商定的合同，把

任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接、進行信息互換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化辨認、定位、跟

蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡［1］。

現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的定義：

“精確農(nóng)業(yè)”（PrecisionAgriculture），指的是運用全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息

系統(tǒng)（G1S）、持續(xù)數(shù)據(jù)采集傳感器（CDS）、遙感（RS）、變率解決設備（VRT）和決策

支持系統(tǒng)（DSS）等現(xiàn)代高新技術，獲取農(nóng)田社區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如

土壤構造、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間及時間差別性信息，分

析影響社區(qū)產(chǎn)量差別的因素，并采用技術上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，區(qū)域看待，按需

實行定位調(diào)控的“處方農(nóng)業(yè)”；它是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術支持的根據(jù)

空間變異，定位、定期、定量地實行一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術與管理的系統(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，另一方面擬定農(nóng)作物的生產(chǎn)目的，進行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術組

裝、科學管理”，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以至少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并

改善環(huán)境，高效地運用各類農(nóng)業(yè)資源，獲得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益［2］。

作物估產(chǎn)不僅能較精確監(jiān)測產(chǎn)量，還能繪出產(chǎn)量分布圖。當農(nóng)民駕駛聯(lián)合收割機

收割玉米時，玉米棒就碰動收割機上計數(shù)器的開關.從而計算出收割的玉米棒子數(shù)；

與此同步，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)記錄收割這些玉米棒時收割機所處的地理位置，這樣就

可畫出產(chǎn)量分布圖和計算出每塊土地的產(chǎn)量、根據(jù)產(chǎn)量分布圖也可判斷出何處缺肥，

需要施多少肥。

精確農(nóng)業(yè)能針對各條塊農(nóng)田的土壤構造。肥力狀況和作物生長狀況等因素的精確測量

和計算，提出種子、化肥、生長劑、除草劑、殺蟲劑等的合理用量。美國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部

依阿華州艾姆斯土壤耕作實驗室制定了一項“衛(wèi)星指引農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)合籌劃”，在種植

大豆、玉米、燕麥和苜蓿的450公頃農(nóng)田上進行實驗，每隔13米收集一組農(nóng)田多種

數(shù)據(jù)信息，輸入計算機，并同步在拖拉機上安裝了無線電信號接受系統(tǒng)，接受衛(wèi)星信

號.并擬定自身位置。拖拉機即可根據(jù)聯(lián)合籌劃，進行多種衣業(yè)生產(chǎn)活動。

1.3研究的現(xiàn)實意義

通過度析，讓我們懂得，在實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的道路上，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仍然存在看?諸多問題,

由于既有的技術是基于有線的；而基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)無疑更具發(fā)展?jié)摿?

無線網(wǎng)絡系統(tǒng)具有較高的帶寬傳播能力，抗干擾能力強、安全保密性良好，并且功率譜密度

低。我們可■以運用上述特點，針對農(nóng)田信息采集和管理組建新的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)農(nóng)田信息的

無線、實時傳播。同步，可以給顧客提供更多的決策信息和技術支持，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠程

管理。

對比國內(nèi)外的發(fā)呈現(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，沒有在應用的結

合點上技術純熟的人才，信息原則不統(tǒng)一和技術不成熟。最為尷尬的是，國內(nèi)更多的是示范

工程和項目，僅僅停留在實驗和演示階段而沒有可以形成產(chǎn)業(yè)的應用項目。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技

術的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則致力于將將確農(nóng)業(yè)從概念化轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化，更

專注于應用領域和產(chǎn)品化.力圖為智能精確農(nóng)業(yè)的大規(guī)模推廣應用打下良好的基本。

綜上所述，智能精確農(nóng)業(yè)取代老式農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然，更是符合國內(nèi)國情的選擇,

智能精確農(nóng)業(yè)可以增進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)高效運用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境

這一可持續(xù)發(fā)展目的，不僅可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力，并且是實現(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。

2研究目的

2.1無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺

建立無線的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺.對農(nóng)作物的生長過程進行多方面監(jiān)管和精確調(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、C02濃度等物理量參數(shù)，通過多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)作物有一種良好的、合適的生長環(huán)境。遠程控制的實現(xiàn)使技術人員在辦公

室就能對多種大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡來測量來獲得作物生長的最佳條件,

可覺得溫室精確調(diào)控提供科學根據(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。

2.2農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)

開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)感應的農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)，達到節(jié)水、節(jié)能、高效的目的。運用傳感器感應

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)灌溉是國內(nèi)的用水大戶，其用水量約占總用水量的70%。據(jù)記錄，因干旱國內(nèi)糧食每年

平均受災面積達兩千萬公頃，損失糧食占全國因災減產(chǎn)糧食的50%。長期以來，由于技術、

管理水平落后，導致灌溉用水揮霍十分嚴重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的運用率僅40%。如果根據(jù)監(jiān)測

土壤嘀情信息、實時控制灌溉時機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定期測量嘀情,

不僅耗費大量人力，并且做不到實時監(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，并且給農(nóng)田耕作帶來不便。因此，設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制

系統(tǒng).該系統(tǒng)重要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點通過ZigBee自組網(wǎng)方式構成.從而避免了布

線的不便、靈活性較差的缺陷.實現(xiàn)土壤端情的持續(xù)在線監(jiān)測，農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動化控制,

既提高灌溉用水運用率，緩和國內(nèi)水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長提供良好的生長環(huán)

境。

2.3農(nóng)業(yè)大棚信息系統(tǒng)

構建智能農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)從生產(chǎn)到質(zhì)檢和運送的原則化和網(wǎng)絡化管理。

智能農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)重要研究溫度、化學等多種傳感器對農(nóng)產(chǎn)品的生長過程全程監(jiān)

控和數(shù)據(jù)化管理；結合RFID電子標簽在晡肓、生產(chǎn)、

圖1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系構架

質(zhì)檢、運送等過程中，進行可辨認的實時數(shù)據(jù)存儲和管理。木系統(tǒng)致力于構建基于物聯(lián)

網(wǎng)的專用農(nóng)業(yè)評估信息系統(tǒng)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原則化、網(wǎng)絡化、數(shù)

字化。

3農(nóng)業(yè)應用中各類傳感器簡介

3.1各類傳感器產(chǎn)生背景

有需求就有市場，當今世界在各項技術方面均有先驅(qū)者，傳感器領域也是科學發(fā)展十

分重要的分支。在十五期間，國家863籌劃數(shù)字農(nóng)業(yè)重大專項實現(xiàn)了農(nóng)田信息采集技

術的突破，推出了一批成本低、高性能的土壤水分和作物營養(yǎng)信息采集技術產(chǎn)品，基

本解決了數(shù)字農(nóng)業(yè)信息迅速獲取技術瓶頸問題。開展了農(nóng)田水分、養(yǎng)分、作物長勢、

冠層生理與生態(tài)因子、品質(zhì)、產(chǎn)量和蟲害草害等信息采集核心技術研究，開發(fā)了具有

自主知識產(chǎn)權的新型土壤水分傳感器，研制了土壤和作物養(yǎng)分信息迅速采集措施與

新型配套儀器設備:在蟲害與雜草動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究方面獲得了重大進展，開發(fā)了

基于稱重傳感器的高精度智能測產(chǎn)系統(tǒng)，解決了智能測產(chǎn)與谷物品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的精

度難題:使國內(nèi)農(nóng)業(yè)信息迅速獲取邁出了新的步伐［5］。

3.2各類傳感器簡介

為了適應現(xiàn)代化溫室和工廠化栽培調(diào)節(jié)與環(huán)境控制（控制溫度、濕度、光照、噴灌量、

通風等），以哺育多種秧苗，栽培多種果蔬和作物。在這個過程中，需要溫度傳感器、

濕度傳感器、PH值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、C02傳感器等檢

測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、C02濃度等物理量參數(shù),

通過多種儀器儀表實時昆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

物有一種良好的、合適的生長環(huán)境。

在果蔬和糧食的儲藏中，傳感器也發(fā)揮著巨大的作用，制冷機根據(jù)冷庫內(nèi)溫度傳

感器的實時參數(shù)值實行自動控制并且保持該溫度的相對粒定。氣調(diào)庫相比冷藏庫是更

為先進的貯藏保鮮措施，除了溫度之外，氣調(diào)庫內(nèi)的相對濕度(RH)、02濃度、CO2

濃度、乙烯(C2H4)濃度等均有相應的控制指標。控制系統(tǒng)采集氣調(diào)庫內(nèi)的溫度傳感器、

濕度傳感器、02濃度傳感器、C02濃度傳感器等物理量參數(shù)，通過多種儀器儀表

適時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證有一種合適的貯藏保鮮

環(huán)境，達到最佳的保鮮效果。

在作物的生長過程中還可以運用形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等來監(jiān)測

物的外形、顏色、大小等，用來擬定物的成熟限度，以便適時采摘和收獲；可以運用

二氧化碳傳感器進行植物生長的人工環(huán)境的監(jiān)控，以增進光合伙用的進行［4］。例如,

塑料大棚蔬菜種植環(huán)境的監(jiān)測等；可以運用超聲波傳感器、音審和音頻傳感器等進行

滅鼠、滅蟲等；可以運用流量傳感器及計算機系統(tǒng)自動控制農(nóng)田水利灌溉。

生物技術、遺傳工程等都成為良種哺育的重要技術，在這其中生物傳感器發(fā)揮了

重要的作用。農(nóng)業(yè)科學家通過生物傳感器操縱種子的遺傳基因，在玉米種子里找到了

避免脫水的基因，哺育出了優(yōu)良的玉米種子。此外，監(jiān)測育種環(huán)境還需要溫度傳感器、

濕度傳感器、光傳感器等；測量土壤狀況需用水分傳感器，吸力傳感器、氫離子傳

感器、溫度傳感器等；測量氮磷、鉀多種養(yǎng)分需要用多種離子敏傳感器|7］。

在動物飼養(yǎng)中也有傳感器應用、如有可用來測定畜、禽肉鮮度的傳感器。它可以

高精度地測定出雞、魚、肉等食品變質(zhì)時發(fā)出的臭味成分二甲基胺(DMA)的濃度，

其測量的最小濃度可以達到Ippm.運用這種傳感器可以精確地掌握肉類的鮮度.避

免腐敗變質(zhì)。也有用來檢測雞蛋質(zhì)量的傳感器。

4研究內(nèi)容

4.1精確農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺

研究智能農(nóng)業(yè)大棚口的物聯(lián)網(wǎng)技術，建立無線網(wǎng)絡監(jiān)控平臺。密集的網(wǎng)絡是?種無中

心節(jié)點的全分布系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些

傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)解決單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自

組織地構成網(wǎng)絡系統(tǒng)。其H的是協(xié)作地感知、采集和解決網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息

并發(fā)送給觀測者。無線傳感器網(wǎng)絡集傳感器技術、微機電系統(tǒng)(MEMS)技術、無線通信技

術、計算技術和分布式信息解決技術于一體，因其廣闊的應用前景而成為當今世界上備受關

注的、多學科高度交叉的熱點研究領域［6］。

在老式農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式都很有限，重要是通過人工測量，

獲取過程需要消耗大量的人力，而通過使用無線傳感器網(wǎng)絡可以有效減少人力消耗

和對農(nóng)HI環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息。

目前無線技術在農(nóng)業(yè)中的應用比較廣泛，但大都是具有基站星型拓撲構造的應用，并

不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡。農(nóng)業(yè)一般應用是將大量的傳感器節(jié)點構成，通

過多種傳感器采集信息，以協(xié)助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且精確地擬定發(fā)生問題的位置,

這樣農(nóng)業(yè)將有也許逐漸地從以人力圖2農(nóng)業(yè)無線網(wǎng)絡示意圖

為中心、依賴于孤立機械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量

使用多種自動化、智能化、遠程控制的生產(chǎn)設備。

圖2所示為該控制系統(tǒng)網(wǎng)珞架構圖。其主控系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，采用ARM9s3c2410解決器

與Linux操作系統(tǒng)，具有通信網(wǎng)絡、通用外設接口，能對其中設備進行控制管理。該繪入式

網(wǎng)關連接內(nèi)、外信息傳播通道皆采用無線的方式，外部網(wǎng)絡以基于IP網(wǎng)絡技術、提供通用

分組無線業(yè)務的GPRS通信網(wǎng)絡為基本。內(nèi)部網(wǎng)絡采用短距離'低功率ZigBee無線通信技

術.結合農(nóng)業(yè)領域?qū)Ｓ孟盗袀鞲衅鲗r(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境中的溫濕度、PH值、光照以及土壤養(yǎng)

分等數(shù)據(jù)進行采集和傳播，

4.2精確農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)

數(shù)字化管理技術重要研究溫度、化學等多種傳感器對農(nóng)產(chǎn)品的生長過程全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)

化管理；結合RFID電子標簽在哺育、生產(chǎn)、質(zhì)檢、運送等過程中，進行可辨認的實時數(shù)據(jù)

存儲和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原則化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化。

數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)集成網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和動態(tài)

數(shù)據(jù)服務。生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理系統(tǒng)以一定物理模式和邏輯模式的形式進行架設。具體波及:

遙感影像或有關圖像的解決與分析:涉及高辨別率的遙感影像及其他以圖像方式提供的各類

數(shù)據(jù)；地物的空間模型：涉及對象、地形、環(huán)境、網(wǎng)絡和拓樸關系等；屬性信息管理：即動、

靜態(tài)數(shù)據(jù)管理；空間分析：涉及緩沖區(qū)、測量、等值線及地記錄分析與圖表等；應用程序：

涉及服務器和客戶端程序、以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理平臺的系統(tǒng)功能；其他附屬功能：記錄分析

等網(wǎng)。

此系統(tǒng)在功能上可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息查詢與發(fā)布'專家決策知識庫優(yōu)化決策與分析，達到信

息、技術和網(wǎng)絡的高效結合，最后實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精確數(shù)字化控制管理。

4.3物聯(lián)網(wǎng)感應的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多種ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡，負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每個ZigBee監(jiān)測

網(wǎng)絡有一種網(wǎng)關節(jié)點和若干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。監(jiān)測網(wǎng)絡采用星型構造,網(wǎng)關節(jié)點

作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站。網(wǎng)關節(jié)點具有雙重功能，一是充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的角色，負責網(wǎng)絡

的自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯集;二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。

此系統(tǒng)具有自動組網(wǎng)功能、無線網(wǎng)關始終處在監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網(wǎng)絡

自動發(fā)現(xiàn)，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網(wǎng)關，有無線網(wǎng)關進行編址并計算其路由

信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)刊登和設備關聯(lián)表等。

該系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關、監(jiān)控中心心四大部分構成，通過ZigBee

自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關之間通過GPRS進行墻情及控制信息的傳遞。每個傳感節(jié)點通

過溫濕度傳感器，自動采集墻情信息，并結合預設的濕度上下限進行分析?，判斷與否需要灌

溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點

會發(fā)出電壓過低的報警信號，發(fā)送成功后，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關

連接ZigBee無線網(wǎng)絡4GPRS網(wǎng)絡，是基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部

分，負責無線傳感器節(jié)點的管理。傳感器節(jié)點與路由節(jié)點白主形成一種多跳的網(wǎng)絡。溫濕度

傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)、將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點，路由節(jié)點根據(jù)路由

算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中涉及自身的信息和鄰居網(wǎng)關的信息。

通過網(wǎng)關把數(shù)據(jù)傳給遠程監(jiān)控中心，便于顧客遠程監(jiān)控管理。本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)

絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)構成框圖如下圖所示。

溫濕度性搭器"點”/控制命令、

灌溉設缶控制閥門"、監(jiān)測數(shù)據(jù)J

ZigBee無線通信

溫濕度4感器W點〃/控制命令、

監(jiān)

7監(jiān)測數(shù)據(jù)無

港設設備控制閥門〃JGPRS網(wǎng)潛

控

線

ZigBee

中

網(wǎng)

心

溫濕度4感器打點a/控制命令人關監(jiān)測數(shù)據(jù)

建

泮溉設備控制閥門"、監(jiān)測數(shù)如；V控制命令

無線路由

ZigBee無淺通信

節(jié)點B

溫濕度傳攙器節(jié)點〃/控制命令N

濯溉設備控制閥門〃7監(jiān)測數(shù)據(jù)/

圖3節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)

5在農(nóng)業(yè)中的應用

5.1典型應用之智能農(nóng)業(yè)大棚

由于瓜果蔬菜對生長環(huán)境有著嚴格的規(guī)定，因此現(xiàn)弋農(nóng)業(yè)搭建了溫室大棚來控制植物

的生長環(huán)境，以實現(xiàn)跨地區(qū)與跨季節(jié)的瓜果蔬菜哺育。可見，環(huán)境在溫室大棚中起著重要的

作用。

老式的大棚環(huán)境控制，是通過全人工的方式來實現(xiàn)的。在每一大棚中放置一種溫度計，濕度

計，二氧化碳濃度計等，由技術員巡邏每一大棚的環(huán)境參數(shù)后，若發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)不對，就要

采用一定的措施來進行補償。例如，溫度過高的話，就要打開卷簾通風或者打開通風機等。

這樣的操作方式對于只有少量大棚的農(nóng)戶，還可以應付的過來、但如果大棚數(shù)量多，就需要

耗費大量的人工去查看各大棚的環(huán)境參數(shù)，對環(huán)境異常的大棚進行操作，大大減少了工作效

率。

GHM智能溫室系統(tǒng)，可對各不同大棚的環(huán)境參數(shù)進行實時的監(jiān)測并報警，并可遠程控制各

大棚不同的電動設備，如卷簾機，灌溉機等。使技術人員在辦公室就能對多種大棚的環(huán)境進

行監(jiān)測控制，以使植物獲得最佳的生長環(huán)境。

5.1.1溫室信息環(huán)境采集

在溫室環(huán)境里，單個溫室即可成為無線傳感器網(wǎng)絡一種測量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)

點和具有簡樸執(zhí)行機構的節(jié)點（風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機構）構成無

線網(wǎng)絡來測量土壤濕度、土壤成分、pH值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強度、

C02濃度等來獲得作物生長的最佳條件，同步將生物信息獲取措施應用于無線傳感器節(jié)點，

為溫室精確調(diào)控提供科學根據(jù)[9]o

圖4只能大棚示意圖

5.1.2無線傳感器網(wǎng)絡自動灌溉系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺的建立是通過傳感器對土壤中水分的感應，對灌溉系統(tǒng)進行有效的

控制從而達到自動節(jié)水、節(jié)能的目的，完善農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、高效的目

的。國內(nèi)用水總量的七成是用于農(nóng)業(yè)灌溉。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平均每年全國因災減產(chǎn)糧食的近半成

是由干旱導致的，由此導致的受災面積也有兩千萬公頃之多。國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對灌溉用水的

運用率始終不高，導致農(nóng)業(yè)灌溉用水運用率低、揮霍的重要因素是技術和管理水平的落后。

為了提高灌溉用水運用率，可根據(jù)土壤墻情信息的監(jiān)測狀況，對灌溉時機和水量進行實時

控制。若采用人工對墻情進行定期測量的措施，不僅會過度的揮霍人力資源，并且不可以保

證監(jiān)控的實時性；測控系統(tǒng)若采用有線的形式，布線會增長成本，難擴展，影響作物的耕

種。因此，節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設計的理論基本是在無線傳感器網(wǎng)絡，系統(tǒng)采用ZigBee自組

網(wǎng)，把低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點連接起來，這樣就減少了布線成本、布線帶來的農(nóng)田耕

作不便和靈活性差的問題，不僅可以實時監(jiān)測到土壤墻情，還可實現(xiàn)自動化控制農(nóng)田灌溉,

節(jié)省灌溉用水，緩和用水緊張，保證農(nóng)作物良好的生長環(huán)境。

系統(tǒng)是底層為多種具有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能的ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡構成的混合網(wǎng)，每個網(wǎng)絡均

有它們各自的網(wǎng)關節(jié)點及幾種有關土壤濕度的數(shù)據(jù)采集點。ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡使用的是星型

構造，把網(wǎng)關節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站?？梢宰詣拥慕⒑途S護網(wǎng)絡、匯集數(shù)據(jù)，在監(jiān)

控中心與監(jiān)控網(wǎng)絡之間傳遞信息成為了網(wǎng)絡關節(jié)點的兩個功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動組網(wǎng)，新

添加的無線傳感器節(jié)點會在無線網(wǎng)關處在監(jiān)聽狀態(tài)下被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)關會接受到

無線,路由傳來的信息，自身遂行編址并分析路由信息，并對設備關聯(lián)表及數(shù)據(jù)利刊登等進

行更新。

智能灌溉系統(tǒng)的基本構成是無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關和監(jiān)控中心，在ZigBee

自組網(wǎng)的基本上，運用2G/3G網(wǎng)絡完畢無線網(wǎng)關和監(jiān)控中心之間嘀情、控制信息的傳播。

場情信息是運用傳感節(jié)點訪問溫濕度傳感器得到的，并通過度析采集的信息來選擇要實行

的灌溉方案，選捽具體方案時根據(jù)預設的濕度上下限。傳感節(jié)點都是運用電池供電，旦可實

時監(jiān)測電池電壓，如果電壓過低節(jié)點就會報警，節(jié)點接受到報警便會進入休眠狀態(tài)，電布

滿時便恢復工作狀態(tài)。這些傳感器節(jié)點重要是由無線網(wǎng)關連接ZigBee無線網(wǎng)絡與2G/3G網(wǎng)

絡進行管理，可以說是整個系統(tǒng)的核心。多跳網(wǎng)絡會由傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主生成。監(jiān)

測區(qū)域內(nèi)的溫濕度傳感器會根據(jù)就近的原則選用無線路由節(jié)點來傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，路由節(jié)點

遵循路由算法獲得合適的途徑，創(chuàng)立相應的涉及自身和鄰居網(wǎng)關信息的路由列表。運用網(wǎng)關

傳送數(shù)據(jù)到遠程監(jiān)控中心實現(xiàn)顧客遠程控制。

5.1.3系統(tǒng)功能特點

(1)本智能管理系統(tǒng)具有如下特點：

(2)軟件界面實時顯示各大棚的環(huán)境參數(shù)。

設立報警，軟件可對異常的環(huán)境進行報警，報警記錄可供杳詢。

(3)自動控制功能，當計算機檢測到環(huán)境異常，將自動進行操作。如檢測到溫度過高，

將自動打開通風。檢測到下雨，將自動關閉卷簾機與天窗。

(4)手動控制功能，由技術人員根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，點擊鼠標對各電動設備進行操

作。

(5)遠程控制，雖然你不在大棚基地，也可以實現(xiàn)關閉卷簾等操作，例如下雨天或者起

大風時，可以遠程關閉卷簾。

(6)遠程視頻監(jiān)控功能。配合網(wǎng)絡攝像頭，對整個大棚基地進行監(jiān)控，做到心中有數(shù)。

“以信息化引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展將是大勢所趨J物聯(lián)網(wǎng)將是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高

效、生態(tài)、安全的重要支撐，同步也為農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、社會發(fā)展、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展提供“智

慧”支撐［11］。

5.2智能農(nóng)業(yè)在應用領域的將來

應用自動控制和電子計算機實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的自動化，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志

之一，近年來電子技術和信息技術的飛速發(fā)展，帶來了溫室控制與管理技術方面的一場革命,

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn).園藝生產(chǎn).動植物養(yǎng)殖等等方面有著廣泛的運用、對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)增，貢增

量產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益與社會效應。

國內(nèi)溫室大棚控制系統(tǒng)在九五期間有了長足迅速的增長，但普遍水平居于低端水平或

大部分引自于國外的成熟技術與產(chǎn)品，然而引進費用的昂貴以及維護服務難以跟進等嚴重

制約著該產(chǎn)業(yè)的長足迅速發(fā)展。

但是通過科學研究，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域仍然具有遠大應用前景：

(1)在農(nóng)田、果園等大規(guī)模生產(chǎn)方面，如何把農(nóng)業(yè)小環(huán)境的溫度、濕度、

光照、降雨量等，土壤的有機質(zhì)含量、溫濕度、重金屬含量、PH值等，以及植物生長

特性等信息進行實時獲取傳播并運用，對于科學施肥、灌溉作業(yè)來說具有非常重要的

意義。

(2)在生鮮農(nóng)產(chǎn)品流通方面，需要對儲運環(huán)境的溫度和農(nóng)產(chǎn)品的水分進行控制，環(huán)境

溫度過高也許會發(fā)生大批農(nóng)產(chǎn)品的腐爛，水分局限性品質(zhì)會受到影響，在這個環(huán)節(jié)要

借助物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)助。

(3)尚有一類具有典型意義的應用是工廠化健康養(yǎng)殖作業(yè)，需要通過實現(xiàn)畜禽、水

產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與控制。

5.3智能精確農(nóng)業(yè)的特點

(1)在應用領域，智能精確農(nóng)業(yè)在大范疇應用過程中應具有其如下特點：

(2)智能化、傻瓜化的和諧人機界面；

(3)突破老式控制系統(tǒng)的多線路鋪設，工程量大，線路復雜，成本高等缺陷，分布式管理,

采用多區(qū)化調(diào)控管理，各區(qū)獨立智能化總線尋址控制，系統(tǒng)鋪設簡樸，精確度高，可

控區(qū)域廣；

(4)遠程自動控制，參數(shù)實時在線顯示，精確度高，真正實現(xiàn)“在家也能種田”；

(5)集成加熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、遮蔭/保溫內(nèi)簾幕系統(tǒng)、外遮蔭系統(tǒng)、C02施肥系統(tǒng)、空

氣循環(huán)系統(tǒng)、植物保護系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)、濕簾一風機系統(tǒng)、屋頂噴淋系統(tǒng)、

補充光照系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)、廢液回收一消毒系統(tǒng)、電氣與計算機控