《農(nóng)業(yè)裝備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》機(jī)電工程學(xué)院第三章

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)務(wù)本崇實(shí)修德精業(yè)3.2.2設(shè)施農(nóng)業(yè)2第3章

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)3.2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)3.2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)3設(shè)施農(nóng)業(yè)主要包含園藝農(nóng)業(yè)及水產(chǎn)畜牧養(yǎng)殖業(yè)，是物聯(lián)網(wǎng)較新的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)主要采用基于有線通信的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于其安裝成本高、電源供給不足、維護(hù)工作量大等原因已不再適應(yīng)新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。3.2.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景，將這一技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中，不僅可以較好地適應(yīng)我國(guó)復(fù)雜的自然地理環(huán)境，也能大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率。1.設(shè)施園藝5物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)在國(guó)外處于起步階段。英特爾公司于2002年率先在俄勒岡州建立了世界第一個(gè)無(wú)線傳感器葡萄園。葡萄園的每個(gè)角落都部署了傳感器節(jié)點(diǎn)，為確保葡萄可以健康生長(zhǎng)，研究人員每分鐘都會(huì)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)一次園內(nèi)土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的濃度，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控。1.設(shè)施園藝6通過(guò)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，葡萄酒的質(zhì)量會(huì)因葡萄園氣候的細(xì)微變化受到極大地影響。通過(guò)長(zhǎng)年的數(shù)據(jù)記錄與分析，精確地掌握了葡萄酒的質(zhì)地與葡萄生長(zhǎng)過(guò)程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。為后續(xù)產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)葡萄提供了理論數(shù)據(jù)。1.設(shè)施園藝7DigitalSun公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)灑水系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器感應(yīng)土壤的水分，實(shí)時(shí)與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)水灌溉。同時(shí)為了維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)作的流暢，資料收集器發(fā)出信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)灑水線路是否中斷，是否有灑水噴頭堵塞等情形，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)出警告聲，通知管理者進(jìn)行維修。1.設(shè)施園藝8Riem-Vis(2011)設(shè)計(jì)的商用Securifood系統(tǒng)，能夠完成新鮮食品低溫運(yùn)輸時(shí)的溫度監(jiān)控。主要部件包括傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼設(shè)備、訪問(wèn)盒和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要傳輸產(chǎn)品信息和收集溫度數(shù)據(jù)，并將這些信息和數(shù)據(jù)傳遞給中繼設(shè)備，每個(gè)生產(chǎn)地部署一個(gè)訪問(wèn)盒，用戶或管理者通過(guò)訪問(wèn)Internet主機(jī)上的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)收集、存儲(chǔ)、管理來(lái)自各訪問(wèn)盒的數(shù)據(jù)。1.設(shè)施園藝9木爾西亞(Murcia)半干旱地區(qū)的一個(gè)生態(tài)園藝企業(yè)使用了由LópezRiquelme等(2011)設(shè)計(jì)出的一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了土壤傳感器節(jié)點(diǎn)、環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、水傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，用來(lái)測(cè)量溫度、容積含水率和鹽度等各種土壤特性，環(huán)境溫度和環(huán)境濕度，灌溉用水的水體鹽度和水體溫度，以監(jiān)控灌溉用水的品質(zhì)。1.設(shè)施園藝10Wark等(2011)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用移動(dòng)式傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行家畜飼養(yǎng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)機(jī)機(jī)制的動(dòng)物狀態(tài)估計(jì)算法。1.設(shè)施園藝11SerodioC、CunhaJB等在2001年設(shè)計(jì)研發(fā)了一個(gè)近似分布式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于采集溫室內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，用于控制溫室內(nèi)的作物生長(zhǎng)。MizunumaM等將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田管理上，配置了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(LAN)，用于監(jiān)控農(nóng)田作物的生長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程控制。1.設(shè)施園藝122005年，澳大利亞的CSIRO研究中心將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于溫室育苗過(guò)程的管理，傳感器節(jié)點(diǎn)收集空氣和土壤的溫度、濕度、光照度等信息，將信息傳給控制中心，采用Fleck的控制功能來(lái)控制灌溉、光照度等設(shè)備，優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境。1.設(shè)施園藝132007年，ClimateMinder公司研發(fā)了一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以根據(jù)溫室內(nèi)空氣和土壤的狀況，自動(dòng)控制相關(guān)行為，如澆水、調(diào)節(jié)溫度。目的是幫助溫室培育者更好地管理作物的生長(zhǎng)，這套系統(tǒng)自該公司2007年發(fā)布以來(lái)，已被多個(gè)國(guó)家的很多溫室和苗圃所采用。1.設(shè)施園藝14在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的支持下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究屏和國(guó)家水利部淮河水資源保護(hù)局合作設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.設(shè)施園藝15該系統(tǒng)在位于蚌埠市的安徽省農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)獲得初步應(yīng)用。20多個(gè)節(jié)點(diǎn)被均勻地布置在面積大約為1200m2的花卉大棚內(nèi)。節(jié)點(diǎn)類(lèi)型包括土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和光照傳感器等。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將附近的環(huán)境信息和自身的狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)自組織多跳路由傳遞給基站，然后通過(guò)本地服務(wù)器上的數(shù)據(jù)獲取程序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上。1.設(shè)施園藝16浙江農(nóng)林大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、上?；粗切畔⒓夹g(shù)有限公司合作設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，即WSN-FAEAM系統(tǒng)。它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)管理軟件組成。1.設(shè)施園藝17傳感器節(jié)點(diǎn)有7類(lèi)，即環(huán)境溫度節(jié)點(diǎn)、環(huán)境濕度節(jié)點(diǎn)、土壤溫度節(jié)點(diǎn)、土壤濕度節(jié)點(diǎn)、土壤電導(dǎo)率節(jié)點(diǎn)、光照度節(jié)點(diǎn)、二氧化碳濃度節(jié)點(diǎn)等。傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)符合IEEEStd1451.0TM--2007和IEEEStd1451.5TM--2007標(biāo)準(zhǔn)，具有即插即用、熱插拔和自動(dòng)校正功能;1.設(shè)施園藝18網(wǎng)關(guān)集成了通用分組無(wú)線服務(wù) (generalpacketradioservice，GPRS)、無(wú)線保真(wirelessfidelity，WiFi)、全球通(globalsystemformobile，GSM)、射頻識(shí)別(radiofrequencyindentification，RFID)等擴(kuò)展模塊，1.設(shè)施園藝19集成了以太網(wǎng)接口、串行接口等，集成了IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議枝、精簡(jiǎn)傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP)校和虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CIP)橋，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與主干網(wǎng)(全球通、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等)之間的透明互連;1.設(shè)施園藝20上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合機(jī)制，所有人機(jī)接口采用友好的圖形化界面設(shè)計(jì)，能夠直觀地動(dòng)態(tài)顯示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)WSN-FAEAM系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠直觀地對(duì)各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織和管理。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于大田、溫室、苗圃等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)控。1.設(shè)施園藝21南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研發(fā)了基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)土壤的水分，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將傳感器信號(hào)反饋，結(jié)合傳感器融合技術(shù)可對(duì)滴灌動(dòng)作做出精確判斷，實(shí)施高效的節(jié)水灌溉措施。1.設(shè)施園藝22由于傳感器網(wǎng)絡(luò)信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及實(shí)時(shí)通信等特點(diǎn)，使灌區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受到限制，可以靈活增減輪灌組，加上節(jié)點(diǎn)具有的土壤、植物、氣象等測(cè)量采集裝置，可以構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)?？稍跍厥摇⑼ピ?、花園、綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健康發(fā)展。2.設(shè)施養(yǎng)殖23設(shè)施養(yǎng)殖是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，設(shè)施養(yǎng)殖主要分為水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧養(yǎng)殖兩大類(lèi)。設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)與畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的品種優(yōu)化、飼料營(yíng)養(yǎng)、疫病防治、環(huán)境管理等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，給畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好的環(huán)境，對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化起著很大的促進(jìn)作用。2.設(shè)施養(yǎng)殖24目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)或監(jiān)控方法包括人工觀測(cè)、離線的溫濕度計(jì)測(cè)量、有線(網(wǎng)絡(luò)化)監(jiān)控和利用GPRS公共無(wú)線網(wǎng)監(jiān)控，其中采用人工觀測(cè)和離線的溫濕度計(jì)測(cè)量方法缺乏準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，有線監(jiān)控的電纜鋪設(shè)量大，系統(tǒng)維護(hù)不便，性?xún)r(jià)比低，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，不適用監(jiān)控區(qū)域分散性大的場(chǎng)合。利用GPRS公共無(wú)線網(wǎng)監(jiān)控，運(yùn)行成本大，制作成本高。2.設(shè)施養(yǎng)殖25不同水環(huán)境因素對(duì)不同魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)影響很大，溫度、光照、溶解氧含量、化學(xué)元素等因素都在不同程度上影響著水產(chǎn)物種的生長(zhǎng)安全。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖手段科技儲(chǔ)備不足，對(duì)發(fā)展空間和科技信息缺乏敏感性，致使養(yǎng)魚(yú)成本增加、經(jīng)濟(jì)效益下降。對(duì)于一些地理?xiàng)l件差、交通不便、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境特殊的養(yǎng)殖場(chǎng)，還需要監(jiān)測(cè)人員長(zhǎng)期駐守，浪費(fèi)了大量的人力和物力。2.設(shè)施養(yǎng)殖26因此，針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)或自然水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境建立檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖所需的溫度、溶解氧含量、pH等影響魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，減少人力開(kāi)銷(xiāo)，將成為提高現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)管水平的一個(gè)重要措施。2.設(shè)施養(yǎng)殖27傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)當(dāng)養(yǎng)殖面積較大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較多時(shí)，布線復(fù)雜。以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為核心技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其低成本、低功耗、分布式和自組網(wǎng)的特點(diǎn)，可以較好地解決以上一系列的問(wèn)題，應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.設(shè)施養(yǎng)殖28東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉玉梅等(2011)構(gòu)建了基于ZigBee技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)影響魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的水體溫度、水中溶解氧含量和pH進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.5所示。292.設(shè)施養(yǎng)殖30該系統(tǒng)采用了ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)兩部分組成。能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化和統(tǒng)一管理的需求，無(wú)需工作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)就能獲得養(yǎng)殖環(huán)境的物理信息，減少人力開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)大大提高了現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)管水平。2.設(shè)施養(yǎng)殖31布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)有溫度傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器構(gòu)成，分別將采集的溫度、溶氧量和pH數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的ZigBee基站，運(yùn)行在上位機(jī)上的數(shù)據(jù)采集終端軟件可真實(shí)再現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還有數(shù)據(jù)查詢(xún)、存儲(chǔ)和發(fā)布等功能。2.設(shè)施養(yǎng)殖32針對(duì)現(xiàn)有畜禽設(shè)施養(yǎng)殖系統(tǒng)存在的不足，江蘇省畜禽產(chǎn)品安全性研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合農(nóng)業(yè)部食品安全監(jiān)控重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室于2010年提出采用以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心技術(shù)對(duì)畜禽設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提出并設(shè)計(jì)了適合畜禽規(guī)模設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)同步和路由協(xié)議以及控制算法等，并從工程上實(shí)現(xiàn)了適合于國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和將來(lái)發(fā)展要求、制作和運(yùn)行維護(hù)成本低、環(huán)境調(diào)控穩(wěn)定、功能全性能優(yōu)的規(guī)模設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。2.設(shè)施養(yǎng)殖33最終達(dá)到了將畜禽舍環(huán)境參數(shù)控制在設(shè)定的范圍、減少動(dòng)物熱應(yīng)激、凈化畜禽舍環(huán)境、促進(jìn)動(dòng)物健康成長(zhǎng)的目的。2.設(shè)施養(yǎng)殖34該系統(tǒng)主要由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)基站和本地監(jiān)控終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成，采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域中的溫度、濕度、光照度、有毒氣體濃度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并發(fā)送至系統(tǒng)基站。2