物聯(lián)網(wǎng)活躍在田間地頭

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近十年來，隨著智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，泛在通信網(wǎng)絡(luò)、智能感知芯片、移動嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步成為研究的熱點。

密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心節(jié)點的全分布系統(tǒng)。通過隨機(jī)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)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體, 因其廣闊的應(yīng)用前景而成為當(dāng)今世界上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的熱點研究領(lǐng)域。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式都很有限，主要是通過人工測量，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(luò)可以有效降低人力消耗和對農(nóng)田環(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(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛, 但大都是具有基站星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用, 并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)一般應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò), 通過各種傳感器采集信息, 以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題, 并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置, 這樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)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, 從而大量使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。

●無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于溫室環(huán)境信息采集和控制。

在溫室環(huán)境里單個溫室即可成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個測量控制區(qū), 采用不同的傳感器節(jié)點和具有簡單執(zhí)行機(jī)構(gòu)的節(jié)點(風(fēng)機(jī)、低壓電機(jī)、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機(jī)構(gòu)) 構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度、CO2濃度等來獲得作物生長的最佳條件, 同時將生物信息獲取方法應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點, 為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化, 利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化, 從而達(dá)到現(xiàn)場組網(wǎng)方便、增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

● 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于節(jié)水灌溉。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動灌溉系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達(dá)到自動節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時間同步等特點, 使灌區(qū)面積、節(jié)點數(shù)量不受到限制, 可以靈活增減輪灌組,加上節(jié)點具有的土壤、植物、氣象等測量采集裝置、通信網(wǎng)關(guān)的Internet 功能與RS 和GPS 技術(shù)結(jié)合的灌區(qū)動態(tài)管理信息采集分析技術(shù)、作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等構(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?？稍跍厥?、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域, 實現(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。

2008年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田自動節(jié)水灌溉構(gòu)建方案，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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，實現(xiàn)了精細(xì)農(nóng)業(yè)所要求的時空差異性和水資源高效利用。

圖 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)

● 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境信息和動植物信息監(jiān)測。

通過布置多層次的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng), 對牲畜家禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖、稀有動物的生活習(xí)性、環(huán)境、生理狀況及種群復(fù)雜度進(jìn)行觀測研究, 也可用于對森林環(huán)境監(jiān)測和火災(zāi)報警(平時節(jié)點被隨機(jī)密布在森林之中, 平常狀態(tài)下定期報告環(huán)境數(shù)據(jù), 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時, 節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間內(nèi)將火源的具體地址、火勢大小等信息傳送給相關(guān)部門)。同時也可以應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中, 來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

形形色色的傳感器

在十五期間，國家863計劃數(shù)字農(nóng)業(yè)重大專項實現(xiàn)了農(nóng)田信息采集技術(shù)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(shù)產(chǎn)品，基本解決了數(shù)字農(nóng)業(yè)信息快速獲取技術(shù)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關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型土壤水分傳感器，研制了土壤和作物養(yǎng)分信息快速采集方法與新型配套儀器設(shè)備；在蟲害與雜草動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究方面取得了重大進(jìn)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；使我國農(nóng)業(yè)信息快速獲取邁出了新的步伐。

現(xiàn)代化溫室和工廠化栽培調(diào)節(jié)和控制環(huán)境（控制溫度、濕度、光照、噴灌量、通風(fēng)等）培育各種秧苗，栽培各種果蔬和作物。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、CO2 傳感器等檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH 值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、CO2 濃度等物理量參數(shù)，通過各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)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。

在果蔬和糧食的儲藏中，溫度傳感器發(fā)揮著巨大的作用，制冷機(jī)根據(jù)冷庫內(nèi)溫度傳感器的實時參數(shù)值實施自動控制并且保持該溫度的相對穩(wěn)定。氣調(diào)庫相比冷藏庫是更為先進(jìn)的貯藏保鮮方法，除了溫度之外，氣調(diào)庫內(nèi)的相對濕度（RH）、O2 濃度、CO2 濃度、乙烯（C2H4）濃度等均有相應(yīng)的控制指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)采集氣調(diào)庫內(nèi)的溫度傳感器、濕度傳感器、O2 濃度傳感器、CO2 濃度傳感器等物理量參數(shù)， 通過各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，保證有一個適宜的貯藏保鮮環(huán)境，達(dá)到最佳的保鮮效果。

在作物的生長過程中還可以利用形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等來監(jiān)測物的外形、顏色、大小等, 用來確定物的成熟程度, 以便適時采摘和收獲; 可以利用二氧化碳傳感器進(jìn)行植物生長的人工環(huán)境的監(jiān)控, 以促進(jìn)光合作用的進(jìn)行。例如, 塑料大棚蔬菜種植環(huán)境的監(jiān)測等; 可以利用超聲波傳感器、音量和音頻傳感器等進(jìn)行滅鼠、滅蟲等; 可以利用流量傳感器及計算機(jī)系統(tǒng)自動控制農(nóng)田水利灌溉。

生物技術(shù)、遺傳工程等都成為良種培育的重要技術(shù), 在這其中生物傳感器發(fā)揮了重要的作用。農(nóng)業(yè)科學(xué)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防止脫水的基因, 培育出了優(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、鉀各種養(yǎng)分需要用各種離子敏傳感器。

在動物飼養(yǎng)中也有傳感器應(yīng)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(dá)到1ppm , 利用這種傳感器可以準(zhǔn)確地掌握肉類的鮮度, 防止腐敗變質(zhì)。也有用來檢測雞蛋質(zhì)量的傳感器。

挖掘潛在應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。

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(jī)質(zhì)含量、溫濕度、重金屬含量、PH值等，以及植物生長特征等信息進(jìn)行實時獲取傳輸并利用，對于科學(xué)施肥、灌溉作業(yè)來說具有非常重要的意義。

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(jìn)行控制，環(huán)境溫度過高可能會發(fā)生大批農(nóng)產(chǎn)品的腐爛，水分不足品質(zhì)會受到影響，在這個環(huán)節(jié)要借助物聯(lián)網(wǎng)的幫助。

還有一類具有典型意義的應(yīng)用是工廠化健康養(yǎng)殖作業(yè)，需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與控制。