物聯網技術及其在農業上的應用*

何勇聶鵬程

物聯網技術及其在農業上的應用*

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發展智慧農業，準確獲取田間作物生長信息，根據作物生長需求實現最優環境與肥水調控，實現農業標準化生產，對節省水肥資源、提高農業生產效率、保護農村生態環境具有重大現實意義。本文以物聯網技術為基礎，分別介紹物聯網技術在綜合農業園區、名貴中草藥種植園區、水產養殖與畜牧方面的相關應用。應用效果表明：物聯網技術可有效降低農業生產資源消耗，平均節省人工25%左右，節省水肥資源20%左右，并有效降低了水、肥、藥的施用，具有顯著的生態與經濟效益。

1 物聯網技術在綜合種植園區中的應用

蕭山73021部隊農場（軍墾農場）作為部隊農業創新的示范農場之一，農場整體環境優美、氣息怡人，農場生產設施整潔完備、人員管理有素，農場規劃整齊、簡潔，生產區域的劃分井然有序，充分體現了示范生產、模范先進的作用，農場的整體風貌具有現代化農業示范園區的應有水平。該園區農場物聯網系統分為六個部分：物聯網生產管控系統、生產追溯管理系統、視頻監控系統、智能廣播系統、電子商務系統和物聯網總控平臺，系統總體構架如圖1所示。

1.1 物聯網生產管控系統

物聯網生產管控系統包括：基于土壤水分含量和時間 （定時灌溉控制）形成的溫室自動化灌溉系統，基于溫室環境信息形成的農業設施自動化控制系統（例如風機遮陽等設施控制系統）。系統采用物聯網技術，通過無線信息采集與組網傳輸、自動控制實現該園區內智能化肥水管理與設施控制，主要結構如圖2所示。

圖1 物聯網生產管控示意圖

圖2 智能控制系統示意圖

結合農場具體情況，在每個溫室內架設一套環境信息采集器，每套環境信息采集設備可自動采集8種環境參數，包括：空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度、土壤鹽度、土壤pH等參數。其實物如圖3所示。

環境采集器獲取環境信息后通過無線傳輸的方式自動將信息實時傳回園區的監控中心，經過軟件服務平臺處理后最終將數據顯示在電腦上，供種植管理人員及時了解園區環境情況，以便對種植氣候及土壤環境及時調節，滿足作物對生長環境的需求。

為實現肥水灌溉自動化，在每個水池泵站內架設灌溉變頻智能控制柜。智能控制系統根據環境信息采集器采集的數據控制下屬區域精細化的肥水灌溉，智能控制柜內配有變頻控制器，變頻器主要是改變水泵電機轉速，并實現節電的目的。出現用水量變化、水壓不夠或斷水等情況時，變頻器就會在設定好的參數下開始自動調節工作。實物如圖4所示。

圖3 環境信息采集

圖4 肥水智能變頻灌溉

設施自動化控制：自動控制系統根據軟件平臺專家系統對溫室內環境信息采集器上傳的環境參數分析的結果，可以對園區內灌溉和設施操作進行智能控制。比如系統判定土壤濕度小于作物適宜生長濕度，系統會開啟水泵和電磁閥設備實現提高土壤濕度的目的，當濕度恢復到植物生長正常土壤濕度則關閉水泵與電磁閥。

設施定時生產控制：根據長期生產種植經驗和專家系統，在特定時間對農場內灌溉與農業設施設備進行開啟關閉定時操作。

遠程或監控中心手動控制：生產系統可以設置成手動模式，在這種模式下，管理人員可通過互聯網應用電腦或手機遠程對園區內所有可控設備進行人工管理，以便管理人員處理生產過程中的復雜情況。

1.2 生產追溯管理系統

部隊農場對農產品的生產加工安全十分重視，農場出場的農產品在進入用戶餐桌前，會經過采收、裝箱、運輸等多個環節，最終到用戶使用。為了加強用戶對部隊農場農產品的信賴度、提高農產品的檔次和品牌形象，農場將構建農產品生產追溯平臺。在追溯平臺中，用戶可以使用產品標識（一維碼或二維碼）提供的產品編號，在農場提供的互聯網查找平臺中確認農產品的真假，查詢農產品的生產信息，查看農產品的生產環境等，具體管理系統構成如圖5所示。

圖5 農產品信息追溯技術架構

1.3 視頻監控系統

將視頻監控系統進行整合，使管理人員可以對生產區域進行生產監控，消費者也可以通過遠程訪問視頻系統，為管理人員和消費者提供查看和監管農場生產環境的平臺，可以進行農場基礎信息查詢追溯、生產區環境視頻監控追溯。

視頻采集系統主要由各觀測點的攝像機組成，主要實現對每個采集點的視頻采集，并按照攝像機是否能移動等要求配置云臺裝置，可實現較廣泛區域的監視，如圖6所示。

圖6 園區視頻監控系統

1.4 智能廣播系統

智能廣播系統主要功能包括定時播放（音樂、技術指導）、生產預警。生產預警的難點在于結合實際生產過程，將環境參數（比如水分含量值，是否缺水，實際溫度值，是否正常）轉成播音系統的輸入流，由廣播系統分析處理后，形成預警語音進行播放。

1.5 物聯網總控平臺

平臺集合農業物聯網生產管控、視頻采集、環境信息采集、智能廣播、農產品追溯等功能于一體，滿足部隊農場生產管理要求，如圖7、8所示。

圖7 種植系統生產管控軟件界面

圖8 園區視頻監控與電子商務平臺軟件系統界面

2 物聯網技術在名貴中藥材種植方面的應用

鐵皮石斛是名貴中草藥，生長條件極為苛刻，人工培育技術難度大，對自動化要求比較高；因此，本系統結合浙江楓禾生物工程有限公司鐵皮石斛生產基地開展物聯網技術應用研究工作，主要在組培室實現育苗過程的信息化監測與自動化環境調控，在生產過程中利用高密度信息獲取與作物營養成分診斷技術實現設施溫室內的鐵皮石斛自動化環境調控與肥水供給，如圖9、10所示。

圖9 組培室內環境信息獲取

圖10 立體式生產架的信息監測與自動化調控系統

控制系統根據物聯網實時獲取的信息進行智能化決策，通過專家模型實現指令控制。指令由無線通信模塊傳輸給控制柜，控制柜里面的遠程終端單元會接收控制室發來的信息通過變頻器和繼電器做出一系列的動作來控制整個智能溫室，實現溫室內的通風、調光、噴淋、遮陽等自動化控制，所安裝的設備如圖11所示。

圖11 智能化控制系統

鐵皮石斛生長過程中養分監測一直是生產管理過程中的重要難題，本系統采用光譜在線作物養分檢測方法，實現了在線式光譜養分監測，可同時監測鐵皮石斛生長過程中的氮素、葉綠素水平，為肥水一體化自動灌溉提供科學依據，如圖12所示。系統可以通過網絡進行遠程訪問、遠程控制，具體界面如圖13所示。

圖12 鐵皮石斛生長過程的環境與養分監測設備

圖13 鐵皮石斛生長過程信息監測與自動控制軟件系統界面

3 物聯網技術在南美白對蝦養殖管理中的應用

南美白對蝦養殖風險較大，究其原因主要是缺乏精準監測與智能調控裝備，尤其在高密度養殖的環境中，溶解氧含量不當是最容易導致對蝦大面積死亡的因素，缺氧容易導致對蝦窒息，富氧又容易導致水體病菌增加，容易感染病害。因此，本系統研發了水質在線監測系統與自動化調控裝備，實現魚塘水質在線監測與調控，并在杭州明朗農業開發有限公司進行應用示范。

3.1 魚塘水質信息與環境監測設備

共挑選比較具有代表性的12個魚塘作為示范區，每3個魚塘安裝一個信息采集設備，每個采集設備上安裝有溶解氧傳感器、pH值傳感器、氨氮傳感器、水溫傳感器及光照、空氣溫度、空氣濕度傳感器。每個采集設備均由太陽能供電，且每個設備均使用無線傳輸將信息傳輸到管理中心。管理中心再根據接收到的信號發布反饋控制信號，執行自動增氧、智能報警等操作。魚塘水質與環境信息采集設備構成如圖14所示。

圖14 魚塘水質與環境信息采集設備的構成

3.2 信息采集方案

每3個魚塘安裝一個水質信息與環境監測設備，每個設備均通過無線通信方式與監控中心通信，不僅具備信息采集和無線發送功能，而且具有無線自組網功能。采集設備在安裝好后可以自行進行智能組網，以最低功耗和最高效率將信息傳輸到監控中心。

3.3 魚塘自動增氧與換水的智能控制方案

南美白對蝦養殖過程中，養殖戶所承擔的最大風險是魚塘溶解氧問題。成年或快成年的南美白對蝦耗氧量大，如不及時增氧則可能造成短時間內整個魚塘的蝦全部因缺氧死亡，養殖戶經濟損失巨大。監控中心主要把實時接收到的魚塘物聯網信息作為控制依據，把養殖經驗數據作為控制參數，通過無線通信發送控制指令給控制器?？刂破鞲鶕刂浦噶顖绦凶詣釉鲅跖c自動排水、給水操作，實現自動增氧與自動換水功能。其原理如圖15所示。

圖15 物聯網魚塘自動增氧與自動換水控制示意圖

3.4 養殖園區可視化實施方案

水產養殖園區的可視化對園區管理提供了非常便利的管理模式。本項目可視化設計方案為：利用3個槍型攝像機監測園區特定視角位置，利用一個球機（360°旋轉、27倍變焦）作為園區全景監控設備。球機可以手動控制旋轉和放大變焦，也可以自動運行，自動全景360°掃描。具體方案如圖16所示。

圖16 養殖園區可視化方案示意圖

3.5 系統應用示范

將上述技術與裝備應用于杭州明朗農業開發有限公司養殖基地，實現在線、離線的自動化信息監測與自動控制，如圖17所示。

圖17 水產養殖信息監測與智能化調控系統實景圖

4 物聯網技術在畜牧養殖中的應用

本項目主要針對環境二氧化碳、氨氣、硫化氫、空氣溫濕度、光照強度、氣壓、噪聲、粉塵等與生豬生長有關的環境因子采集數據，通過光纖傳輸到農業物聯網生產管控平臺，進行數據的存儲、分析比對系統設定的數據閥值，通過光纖通訊方式將控制命令傳輸反饋到每個連棟大棚農業物聯網溫室智能控制柜，自動控制噴淋裝置、風機設備，使環境保持在適宜生豬生長的條件下。

本系統結合阜寧縣生豬養殖基地實現物聯網福利養殖進行環境信息監測與自動調控。根據養殖戶實際應用需求，溫室信息采集器采集5種環境參數：空氣溫濕度、二氧化碳濃度、氣壓、有害氣體、光照強度。二氧化碳、氨氣、硫化氫、粉塵等氣體的增加會導致生豬發生疫情；空氣溫濕度、光照強度、氣壓影響著生豬生長的質量；密度、溫濕度、通風換氣則影響著生豬生長繁殖的速度。當此類環境因素超標時，自動報警系統則會短信通知用戶，用戶可自行采取應對措施。

農業物聯網智能控制器通過光纖通訊方式傳輸環境信息，并采用市電供電模式，經過接力傳輸后最終匯聚到園區畜禽養殖管理辦公室的農業物聯網平臺服務器中，并通過農業物聯網生產管控平臺實時顯示環境信息。本系統可實現對豬舍采集信息的存儲、分析、管理，提供閾值設置、智能分析、檢索、報警、權限管理等功能，配置驅動養殖舍控制系統。當用戶在養殖過程中遇到不能解決的問題時，還可以將信息或者圖片傳輸到農業智能專家系統，生豬養殖領域的專家會為用戶解答疑難；用戶還可手動生成飼養知識數據庫，當同類問題重復出現時，便能及時查看解決方法。豬舍信息監測與智能調控軟件界面如圖18所示。

圖18 豬舍信息監測與智能調控軟件系統界面

視頻系統是利用大棚安裝的高清數字攝像機，通過光纖網絡傳輸方式對連棟大棚內生豬生長狀況、設備運行狀態、園區生產管理場景實現全方位視頻采集和監控；園區管理者可以應用農業物聯網生產管控平臺，根據系統顯示的畜禽生長情況、大棚內環境信息，遠程對養豬場大棚設施及飼料喂養裝置進行自動化控制，同時可遠程對農場生產進行指導管理。系統整體應用情況如圖19所示。

圖19 物聯網豬舍信息獲取與智能化調控應用實況

通過物聯網信息獲取裝備實時獲取生豬環境信息，結合通風、補光、調溫裝備實現生豬最佳適應環境的智能化調控，并結合可視化監控技術實現生豬生長過程的遠程可視化監測與在線診斷，對提高科學養豬水平、提高效率、節省勞力、保障品質有重大意義。

作者信息：1教授、博導；2副研究員、碩導：浙江大學生物系統工程與食品科學學院，310058，杭州

*本研究得到十二五國家支撐計劃項目（2014BAD10B02）資助