基于無線傳感器網絡的精準農業環境監控系統

楊選民 張海輝 薛少平

0 引言

中國18億畝農田是不可增長的自然資源，如何在有限的農業資源基礎上，借助先進的科技手段提高農田生產效率，促進土地集約利用已經成為我國必須解決的重大問題。以現代信息技術與農業技術融合為特點的“精準農業（Precision Agriculture）”技術成為提高農業生產效率的支撐技術之一，其核心是指利用信息技術精確獲知作物生長所處環境的溫度、濕度、光照強度、肥力、病蟲害等數據信息，通過相應手段人為干預調整環境參數，使農作物處于有利于其生長的環境中，從而有效地加快農作物的生產過程，提高其品質，達到增產增收提高效益的目的。目前，大多數農戶以自身經驗為主，缺乏精準的環境信息獲取手段，已成為制約農業生產規模化、自動化的瓶頸。

傳統的農業環境監控系統如集中式監測系統、集散型監測系統和基于現場總線的監測系統都是基于有線通信方式（如CAN總線）實現數據傳輸，主要存在需要布設有線通信網絡、維護困難、部署具有局限性、不靈活等缺點。近期出現的采用移動運營商的無線通信網絡 （如GSM網絡）傳輸方式，其缺點是依賴于運營商的網絡覆蓋范圍，并且后期使用時需要向運營商支付短信費用或GPRS流量費用，使用維護成本較高。利用無線傳感器網絡（WSN）技術實現與農作物生長密切相關的各種環境因子信息采集、海量信息管理服務、災害預測預報及農業生產環境控制逐漸成為 “精準農業”領域的研發熱點[1]。

1 技術現狀

我國有多家科研單位展開了基于無線傳感器網絡的監控系統的研究，并已取得初步成果，無線傳感器網絡在“十二五”規劃中已成為農業信息化和現代農業的重要研究方向之一。目前，國家“工廠高效農業工程”已把智能傳感器和傳感器網絡化的研制列為國家重點項目；西北工業大學研究了傳感器網絡相關理論和組網協議，開發一套原型系統并初步應用；杭州電子科技大學自動化學院研究了基于無線傳感器網絡的濕地水環境遠程實時監測系統中節點覆蓋、傳感器節點健康狀況等關鍵技術；湖南農業大學提出了一種基于無線傳感器網絡的農田自動節水灌溉構建方案，設計了一種無線傳感器網絡實現農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，分區域實時灌溉并調節土壤濕度；浙江林學院信息工程學院和浙江大學提出了一種基于無線傳感器網絡的森林火災監測預警技術的系統框架及其實現方案；也有相關科研人員將無線傳感器技術應用于牲畜家禽、水產養殖等行業，實現對其生活習性、生理狀況及種群復雜度的研究。以上研究側重于信息技術本身的研究，很少針對農業生產特征，將無線傳感器網絡與不同種植方式及不同作物的監控需求結合，而且普遍存在價格昂貴，不適宜實際農業生產需求，與農業領域的結合相當匱乏。在我國1000多萬畝的溫室大棚生產中，缺乏對農業環境信息的監測、分析及對農業生產過程的科學指導，缺少對農業生產環境的人為干預措施；也不具備極端環境下的災害預警機預報功能。因此可以說產業需求很大，而現有的產品很難滿足實際農業生產的需求。目前國內市場上農業環境監控系統基本上都處于研發階段，少有大規模推廣應用的設備。國內的農業環境監控系統中，農業環境的監測節點都采用有線方式與區域管理設備連接，監測節點布置位置固定無法移動，且都為單點監測，所測數據可信度低，當某一傳感器損壞時，可能造成整個系統的崩潰。

2 技術發展趨勢

目前基于有線的測量控制系統相對比較成熟，但有線通信方式導致布施的信號線、動力線錯綜復雜，安裝維護難度大，而且易導致線纜老化，使系統可靠性降低，也不利于農業機器人等移動設備進行作業。而無線通信方式無需布線、組網靈活、易升級，同時無線通信設備可以在網絡覆蓋范圍內隨意移動和重新組網，相對有線通信方式具有明顯的優勢。因此，通過無線通信技術實現數據傳輸是解決農業環境監控系統通信問題的有效方法。

3 本系統主要用途及性能

本系統通過監測節點利用先進傳感器技術精確、密集、靈活監測農作物生長的環境信息，通過無線傳感器網絡實現監測信息的傳輸，利用嵌入式ARM及winCE技術實現海量數據的長期存儲、管理及分析，利用PLC（可編程控制器）技術實現作物所處環境的智能控制。該系統可實現設施環境下空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度以及風向、風速、降雨量等信息的采集；完成采集數據的存儲、處理；同時實現對設施內現有設備如風扇、滴灌、補光、遮陽簾等設備的啟停及強度控制。從而滿足精準化、自動化、數字化農業生產的推廣需求，提高設施農業生產的綜合產值，增加農民收入。

4 市場需求

設施農業發展最好的有美國、荷蘭、日本和以色列等國家。美國是世界上最早將計算機用于農業控制的國家；荷蘭有85%的設施農業應用環境監控系統；日本有92%的農業生產部門采用計算機監控設備；以色列的智能監控系統僅在灌溉方面就可節約50%—70%的用水。我國有18億畝農田和1000多萬畝設施農業，面積居世界第一，且設施農業面積仍在以每年20%的速度增長。但采用智能控制系統的面積不足10%。國內還沒有成熟的基于無線傳輸的農業環境監測系統，而國外相關產品的維護和運行費用很高。本系統可大幅提高設施農業的自動化、精準化程度，提高水、肥、熱能等的綜合利用率20%以上，可提高綜合產值10%以上，在低碳環保方面的效果尤為明顯。適合各種規模農業生產，維護成本低，技術與國外同步，在國內和國際市場中也具有一定的競爭優勢。

5 結束語

本系統對建立現代農業信息技術體系、早日實現我國農業的信息化、自動化有著重要意義，對提高我國地方特色作物產量及品質、農民增產增收、增加我國農產品出口貿易等有較大的幫助，對建立具有地方特色的農業科技產業基地和區域性支柱產業，促進農業經濟的跨域式發展具有重要作用。

［1］張佐經.設施農業環境因子無線檢測及預警系統設計[J].農機化研究，2010（11）.