设施农业物联网系统构建技术原创

时间:2019-10-04 23:48来源:互联网点击:手机版

导读:

设施农业物联网系统构建


引言


农业物联网是指通过农业信息感知设备对农业系统中生产环境要素、动植物生命体特征、农业生产工具等信息进行感知,并根据事先定义的协议进行信息交换和通讯,以实现对农业生产过程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息化网络。农业物联网“人—机—物”一体化互联,可帮助人类以更加精细和动态的方式认知、管理和控制农业中各要素、各过程和各系统,极大提升人类对农业动植物生命本质的认知能力、农业复杂系统的调控能力和农业突发事件的处理能力 。中国是一个农业大国,随着科技和农业生产技术的进步,我国农业生产规模在不断增大,但在农业生产自动化、精细化水平方面还不够理想,因此,通过农业物联网技术的应用,提高农产品质量、生产效率和产品竞争力成为了时代发展的需要。


农业物联网系统架构


物联网系统(图 1)主要由三层结构组成,分别为感知层、传输层和应用层 。感知层主要通过各类传感技术及装置获取空气温湿度、降雨量、光照辐射、CO 2 、土壤墒情、视频语音信息等作物环境信息及作物株高、叶片形态、茎秆径流大小、光合呼吸状态、病虫害情况等作物生长信息。传输层是感知层与应用层之间的桥梁与纽带。在传输层,作物环境信息及作物生长信息通过 WLAN、3G 网络、4G 网络等有线或无线方式传输到应用层;应用层主要实现作物各种信息的可视化及其与农业专业领域技术的深度融合,构建基于物联网的生产管理服务平台,为作物田间生产管理提供决策依据,实现农业生产过程的远程、实时、精准、高效管理。


设施农业物联网系统构建技术

图 1 物联网系统架构


设施环境信息感知及控制


作物生长过程,生长环境为植物的生长提供阳光、空气、水分、养料、适宜温度等必需条件,同时作物依赖于特定环境,离开适宜生长环境,会造成长势不佳、病虫害、产量低等后果,因此为作物提供适宜的环境是影响其产量、质量的关键因素。农业设施可以为作物提供可调节的适宜环境,要实现设施环境可调节需要对设施环境信息进行采集和控制。设施环境信息采集包括主机及多种传感器(图 2),包括空气温度、空气湿度、光照强度、CO 2 浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤电导率、pH 等。


采集到设施环境信息后,需根据设施环境决策策略模型,结合温室环境综合调控软件,通过对环境信息的综合分析处理,及时合理的发送控制指令,自动控制电控柜(图 3)内的控制模块、交流继电器等设备,自动控制湿帘、风机、CO 2施肥机、全自动灌溉施肥一体机等温室设施配套设备的运行,合理调节温室光、温、水、肥等小气候,为作物生长提供优化的生长环境。


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图 2 温室环境信息传感器


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图 3 温室环境信息自动控制电控柜


温室环境调控软件(图 4)是设施农业的定制化软件,针对性强,灵活性好,具备数据接收、管理、分析、预警服务等功能,实现特性化远程控制。系统监测项目可任意增减,扩展空间无限,传感器种类和数量上没有限制,可根据需求在作物不同生长阶段、不同时期扩增。


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作物生长信息感知


作物生长发育是作物在不同环境下各种生理生态变化的综合表现。设施农业过去由于缺乏长期实时监测的技术手段,往往忽视设施作物生长信息的精细检测,主要通过作物生长环境的优化进行生长条件控制。由于作物生长发育所涉及的因子较多、不可预测性强,仅仅依赖环境信息,难以了解其真实生长发育状况。有效采集作物的生长信息,并与其生长发育环境控制相结合是数字化农业不可缺少的研究内容,只有直接获取植物的生长信息,才有可能准确分析把握作物的营养和受胁状况,为调控和基于知识的农业过程管理决策提供必要支撑。作物生长信息包含作物从表型到内部成分的多种参数,主要包括形态信息、生理信息及营养组分信息,可通过不同类型的传感器或仪器设备进行检测。


作物形态信息感知


国内外针对不同作物品种及形态特征类型,基于 Android 平台和机器视觉技术,研发形成了系列便携式仪器设备(图 5),可进行作物叶片、麦穗形态、病斑形态、油菜分枝角度、玉米株高等形态信息的快速、无损测量。


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作物生理信息检测


作物生理信息包括通过叶面温湿度、果实生长、茎秆微变化、茎流、叶片呼吸蒸腾等植物生理监测传感器,实时测量作物自身的生理信息。作物生理信息检测传感器(图 6),主要基于热平衡测量方法、热敏传感技术、电阻测量方法和微传感器等技术,探测作物生长过程中产生的微弱信号,通过微弱电信号放大调理技术进行信号的放大和处理,并采用无线方式上传至系统主机,实现作物生理信息数据的显示、存储、分析等功能。


作物营养组分信息测量


作物营养组分信息对其生长发育状况的判断至关重要,作物营养组分信息主要包括作物的叶绿素含量、含氮量、含水量、抗性等,主要通过光谱技术、热红外技术等构建相应检测模型,目前国内有相应仪器设备基于新型 LVF 分光技术采集作物光谱信息,并内嵌叶绿素、含氮量、含水量等预测模型,实现作物营养状况的无损、快速测量(图 7)。


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生产管理服务平台


传统农业生产管理过程的浇水、施肥、喷药等操作凭经验、靠感觉,缺乏科学的农业生产指导意见,且获取作物信息的方式有限,主要依靠人工田间观测、测量,主观性强、效率低。生产管理服务平台的应用,可以实时获取作物位置信息、环境信息、视频信息、生长信息等,并通过对所获取的大量数据及历史数据进行深度分析,测算各生产单元的投入值、产出值、市场信息等,帮助农民增产、增收、抗灾、减灾,提高农业综合效益,实现农业生产的标准化、数字化、网络化。


农业生产管理服务平台(图 8)采用移动互联网、云计算、传感数据及图像信息等技术,结合各种农业生长监控仪器设备,实现农业生产过程的生产资源、生产计划、生产过程综合信息等的全方位监测、控制与管理。在此基础上构建智能化农业生产过程管理系统,从农作物生长实际出发,助农业企业、农业园区全面掌控农业生产状态,提高农作物产量,从而提高经济效益。该平台的架构如图 8 所示。


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该平台主要是由以下几个部分组成:


(1)生产资源管理。统一管理用户手中的土地资源信息(大田、温室、池塘、湖泊、圈舍、牧场等),并将这些土地资源信息与用户人力资源信息进行绑定并分配。通过土地资源树状结构管理及人力资源父子级账号添加的方式实现自顶向下统一管理,提高管理水平。生产资源管理界面如图 9 所示。


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(2)生产活动管理。主要实现生产计划、生产操作和生产过程统计分析功能。生产计划为用户根据已有的生产资源,对每一个土地资源制定相应的生产计划,每个账户可以制定自己的生产计划,也可以接收到上级制定的生产计划。生产操作模块为用户提供在土地资源上进行的所有操作的记录平台。包括从种植、农事操作、田间管理、收获、贮藏等在土地资源上发生所有操作的记录。详细记录用户在每一次操作时所必须的种质资源、人力资源、农资资源、农机资源、时间成本、投入品成本、产出品价值等。通过对生产过程的数据进行统计分析,确保适时生产和供需匹配,指导生产合理布局,提高农业生产资料的利用效率和农业生产力。生产计划管理、生产活动管理生产操作管理界面如图 10~12 所示。


(3)数据采集。数据采集模块的主要功能是获取对整个农业生产过程进行数据信息获取,包括两种采集方式:设备采集和手动获取,其中,设备采集是指用户用信息化、智能化的设备进行数据采集,包括温室环境综合调控设备、室外环境综合信息获取设备,如作物个体信息获取设备、作物小群体信息获取设备、作物组分信息获取设备等。手动获取模块主要用来获取用户通过微信端上传的数据、第三方设备采集的数据、手工记录的数据、EXCEL 表中导入的数据(图 13)。


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(4)行业应用。通过各节点传感器、作物生理生态测量仪器等终端数据采集设备,实时自动采集、存储作物环境及生长状态数据,对各种测量数据、设备状态及报警信息进行分析、汇总,依据专家决策系统模型,进行作物长势情况判断及预测,提示需采取的行动,保证农产品品相和产量。


结语


物联网技术在农业领域中的应用处于快速发展阶段,是现代农业发展的必然趋势和未来农业发展的主要方向。农业物联网系统的应用,加强了人类与农业的信息沟通,构建物联网生产软硬件平台,对作物生长过程中各类信息的准确、实时获取,为农业生产过程精准灌溉施肥、病虫害预防控制、优良品种选育等提供指导和服务,对提高农业生产效率、提升农业生产的自动化与智能化程度、提高农产品质量和产品竞争力等均具有重要促进作用。


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作者:青钱柳


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