2016年农业物联网调研及发展前景分析报告

【编辑日期:2017-01-02】 【来源: 托普云农】 【点击数:

  一、农业物联网简介概述 

  物联网(TheInternetofThings)是互联网的延伸,是新一代信息技术的重要组成部分。物联网又称“传感网”。物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网市场潜力巨大,2012年,我国物联网产业市场规模达到3650亿元,2013年这一数值接近5000亿元。

  中国产业调研网发布的2015年版中国农业物联网市场现状调研与发展前景趋势分析报告认为:农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用,就是运用各类传感器、RFID、视觉采集终端等感知设备,广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息;通过建立数据传输和格式转换方法,充分利用无线传感器网、电信网和互联网等多种现代信息传输通道,实现农业信息多尺度的可靠传输;最后将获取的海量农业信息进行融合、处理,并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易,进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。在农业生产效率方面,我国农业的现实情况是生产效率相对低下,每立方米水生产的粮食不足1000克,而发达国家可以达到2000克以上。另外,我国农业自动化水平低,对劳动力的需求量高于发达国家。这样的现实说明,我国亟需通过发展农业物联网技术来提高生产效率和节约资源。在农业食品安全方面,食品安全问题难以解决究其原因,主要是因为食品在被消费者食用前,需经历数个或数十个环节,一旦发生安全问题,很难确定是哪一个环节出了问题。近年来,随着智能农业、精准农业的发展,智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽。

  在监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测,收集温度、湿度、风力、大气、降雨量,有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等方面,物联网技术正在发挥出越来越大的作用,从而实现科学监测,科学种植,帮助农民抗灾、减灾,提高农业综合效益,促进了现代农业的转型升级。

  二、物联网农业智能测控系统在农业中应用的意义 

  我国是农业大国,而非农业强国。近30年来果园高产量主要依靠农药化肥的大量投入,大部分化肥和水资源没有被有效利用而随地弃置,导致大量养分损失并造成环境污染。我国农业生产仍然以传统生产模式为主,传统耕种只能凭经验施肥灌溉,不仅浪费大量的人力物力,也对环境保护与水土保持构成严重威胁,对农业可持续性发展带来严峻挑战。针对上述问题,利用实时、动态的农业物联网信息采集系统,实现快速、多维、多尺度的果园信息实时监测,并在信息与种植专家知识系统基础上实现农田的智能灌溉、智能施肥与智能喷药等自动控制。突破果园信息获取困难与智能化程度低等技术发展瓶颈。

  目前,我国大多数水果生产主要依靠人工经验尽心管理,缺乏系统的科学指导。

  设施栽培为解决我国城乡居民消费结构和农民增收,为推进农业结构调整发挥了重要作用,温室种植已在农业生产中占有重要地位。要实现高水平的设施农业生产和优化设施生物环境控制,信息获取手段是最重要的关键技术之一。作为现代信息技术三大基础(传感器技术、通信技术和计算机技术)的高度集成而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。网络由数量众多的低能源、低功耗的智能传感器节点所组成,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,获得详尽而准确的信息,通过无线传输网络传送到基站主机以及需要这些信息的用户,同时用户也可以将指令通过网络传送到目标节点使其执行特定任务。

  物联网在农业领域中有着广泛的应用。我们从农产品生产不同的阶段来看,无论是从种植的培育阶段和收获阶段,都可以用物联网的技术来提高它工作的效率和精细管理。

    (1)在种植准备的阶段,我们可以在温室里面布置很多的传感器,分析实时的土壤信息,来选择合适的农作物。

  (2)在种植和培育阶段,可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息,进行高效的管理,从而应对环境的变化,保证植物育苗在最佳环境中生长。比如说通过采集设备,比如说降温了,我可以给他在温室里加热。

  (3)在农作物生长方面,可以利用物联网实时监测作物生长的环境信息、养分信息和作物病虫害情况。利用相关传感器准确、实时地获取土壤水分、环境温湿度、光照情况,通过实时的数据监测和物定作物的专家经验相结合,配合控制系统调理作物生长环境,改善作物营养状态,及时发现作物的病虫害爆发时期,

  维持作物最佳生长条件,对作物的行长管理有非常重要的作用。

  (4)在农产品的收获阶段,我们也同样可以利用物联网的信息,把它传输阶段、使用阶段的各种性能进行采集,反馈到前端,从而在种植收获阶段进行更精准的测算。

  (5)提高效率,节省人工,如果是几千亩的农场,要对各大棚进行浇水施肥,手工加温,手工卷帘,那要用大量的时间和人员来操作。如果应用了物联网技术,手动控制也只需点击鼠标的微小的动作,前后不过几秒,完全替代了人工操作的繁琐。

  三、物联网农业智能测控系统所技术特点 

  (1)监控功能系统:根据无线网络获取的植物生长环境信息,如监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。其它参数也可以选配,如土壤中的PH值、电导率等等。信息收集、负责接收无线传感汇聚节点发来的数据、存储、显示和数据管理,实现所有基地测试点信息的获取、管理、动态显示和分析处以直观的图表和曲线的方式显示给用户,并根据以上各类信息的反馈对农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动卷模、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动控制。

  (2)监测功能系统:在农业园区内实现自动信息检测与控制,通过配备无线传感节点,太阳能供电系统、信息采集和信息路由设备、配备无线传感传输系统,每个基点配置无线传感节点,每个无线传感节点可监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。其它参数也可以选配,如土壤中的PH值、电导率等等。信息收集、负责接收无线传感汇聚节点发来的数据、存储、显示和数据管理,实现所有基地测试点信息的获取、管理、动态显示和分析处理以直观的图表和曲线的方式显示给用户,并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息。

  (3)实时图像与视频监控功能:农业物联网的基本概念是实现农业上作物与环境、土壤及肥力间的物物相联的关系网络,通过多维信息与多层次处理实现农作物的最佳生长环境调理及施肥管理。但是作为管理农业生产的人员而言,仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。视频与图像监控为物与物之间的关联提供了更直观的表达方式。比如:哪块地缺水了,在物联网单层数据上看仅仅能看到水分数据偏低。应该灌溉到什么程度也不能死搬硬套地仅仅根据这一个数据来作决策。因为农业生产环境的不均匀性决定了农业信息获取上的先天性弊端,而很难从单纯的技术手段上进行突破。视频监控的引用,直观地反映了农作物生产的实时状态,引入视频图像与图像处理,既可直观反映一些作物的生长长势,也可以侧面反映出作物生长的整体状态及营养水平。可以从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。

  四、农业物联网的主要功能 

  数据采集,数据处理,数据通信,信息查询,数据管理,泵站控制,预防报警,作物生长环境参数(土壤水分、养分、空气温湿度、光照、辐射、CO2、风速、风向、雨量等)实时采集和监控。

  五、农业物联网的信息采集 

  1、通过各种传感器采集各类信息,其中包括温湿度、二氧化碳、土壤水分、壤温度、电导、PH、光量子、光照度、风速、风向、雨量计等。

  2、一个基地可以建多个节点,每个节点可以根据需要连接多个传感器,各个节点可以互联,也可单独传到主控室,进而通过网络传到你的电脑或手机里。数据采集,数据处理,数据通信,信息查询,数据管理,泵站控制,预防报警,作物生长环境参数(土壤水分、养分、空气温湿度、光照、辐射、CO2、风速、风向、雨量等)实时采集和监控。

  六、农业物联网的信息传输 

  分布式传感器信息汇聚各个节点,各个节点采用优化ZigBee技术适于环境多跳,自组织通信技术,连入互联网每个节点信息可以通过有线或无线传到主控室,传输距离远,功耗低,安全可靠。

  七、农业物联网的信息控制 

  控制模块分为手动和自动模式,集合了工业技术的成熟稳定、界面简单易操作、防水防潮等特点,自动控制系统以强大的通讯网络作为无线通讯平台,采用统一的人机界面、灵活方便的操作方式实现完善的功能,系统结合了传感、遥测、通讯、计算机、自控等技术,可以各类传感器信息高效的实现渠系和管道水利远程控制、泵站自动控制、泵站能效监测、卷帘补光、开窗降温、风机控制、遮阳控制等。该系统提高了区域内水资源的综合管理水平,提高田间设备的运行效率和利用率,提高了管理人员的工作效率,降低了管理成本,进而达到了节水、节能、增产、增效的目的。 

  八、农业物联网技术与精准农业的发展 

  与传统方式相比,农业物联网监测系统为农田信息获取提供了一个崭新的思路。物联网是通过射频识别、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、将传感节点布设于农田等目标区域,网络节点大量实时、精确地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息,这些信息在数据汇聚节点汇集,网络对汇集的数据进行分析,帮助生产者有针对地投放农业生产资料等,从而更好地实现耕地资源的合理高效利用和农业现代化精准管理,推进农业生产的高效管理、提升农业生产效能。应用农业物联网监测系统重要组成的无线传感器网络进行农田土壤墒情信息获取可以满足快速、精确、连续测量的要求。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术,凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点,已逐渐渗透到农业领域。

  随着物联网的出现,对于实施农田精准作业过程,农田环境信息的采集则要求更加精确、及时。当前,农田信息获取的主要方式有:手持设备的人工获取方式、基于GPRS监测方式和基于WLAN监测方式等。利用手持设备人工打点,来获取农田土壤信息是最原始的方式,

  该方式不但需要耗费大量的人力、不具有实时性,而且数据的获取量有限,显然已不能满足当前农田土壤墒情监测的需求。而墒情监测系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee白组网方式构成,实现土壤墒情的连续在线监测。主要包含两个重要部分:即环境区域内的无线网络部分及实现远程数据传输的通信网络部分。无线网络选择星型网络连接拓扑;远程数据传输采用Internet实现,采用嵌入式Internet接入技术实现无线网络与Internet网络通信;以土壤的温度、湿度等参数采集为模型完成监测区域内环境参数采集。从而满足精准农业作业对农田信息精确度、实时性等要求。

  1、农业物联网无线传感器网络监测系统整体框架 

  无线传感器网络系统包含两个重要部分,即农田环境区域内的无线网络部分及实现远程数据传输的通信网络部分。每个Zigbee终端连接传感器完成数据采集,数据采集作为Zigbee应用层应用对象以端口形式与协议栈底层进行通信,数据从应用层传输到物理层。之后,物理层进行能量和空闲信道扫描检测空闲信道,当得到空闲信道,物理射频模块将数据以无线电波形式无线发送。协调器射频模块接收到数据包,物理层通知上层接收到数据,数据从物理层又逐层向上层传输,每向上一层就去掉下层的包头、包尾以这种形式将数据包解包。当数据传输到协调器应用层,数据通过串口发送到网络模块,网络模块采用网络协议与Internet网络连接,实现无线网络与Internet网络的对接。

  2、农业物联网无线传感器节点设计 

  本研究传感器节点具有端节点和路由的功能。一方面实现数据采集和处理;一方面实现数据融合和路由,对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合,转发路由到网关节点。传感器网络节点由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元四部分组成。处理器单元是无线传感器节点的核心,与其它单元一起完成数据采集、处理和收发;无线通信单元完成数据包的收发;传感器模块完成环境数据的采集转换;电源模块为整个节点系统提供能源支持。

  3、农业物联网系统技术指标 

  微功耗无线传感器技术指标:1.功率为10roW;2.接收时电流<18mA,发射电流小于或等于40mA;3.多信道模块标准配置提供4个信道;4.组网功能,达128只无线传感器的网络;5.接口波特率为 1200/2400/4800/9600/19200Bit/s,可设置;6电池选配450mAh。

  托普云农无线传感器节点网络设计采用Zigbee协议,采用星型拓扑结构。该无线传感器网络监测系统在开发成功后,除区域农田土壤信息监测之外,还可以广泛应用于粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制;厂房环境的温度、湿度控制;实验室环境的温度、湿度控制等方面,随着物联网应用范围的扩大,其市场应用十分广阔。

  九、农业物联网总结 

  农业物联网在农业中的应用,细化各个农场,可靠性更高,适应性更高,不仅提高了智能化的应用,又能节能环保,可循环使用,进而降低成本、提高效能。可以整合一下几个方面:

  1、农业资源:

  土地资源、水资源及生产资料更能被有效的高能调度,达到节能、高效的目的。

  2、农业生态环境:使得生态链更丰富,土壤、大气、水质、气象更适合人们生产生活。

  3、农业生产过程:更能精耕细作,使用智能化设备,实现绿色健康养殖。

  4、农产品和食品安全:可以实现产地环境、产后储藏加工、物流运输,整个供应链实时查询。

  5、装备和设施:可实现信息共享,远程诊断,服务调度。

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