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(yè)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(xiàn)代信息技術與農業(yè)技術融合為特點的“精準農業(yè)（Precision Agriculture）”技術成為提高農業(yè)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(huán)境的溫度、濕度、光照強度、肥力、病蟲害等數(shù)據(jù)信息，通過相應手段人為干預調整環(huán)境參數(shù)，使農作物處于有利于其生長的環(huán)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(shù)農戶以自身經驗為主，缺乏精準的環(huán)境信息獲取手段，已成為制約農業(yè)生產規(guī)?；?、自動化的瓶頸。

傳統(tǒng)的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)如集中式監(jiān)測系統(tǒng)、集散型監(jiān)測系統(tǒng)和基于現(xiàn)場總線的監(jiān)測系統(tǒng)都是基于有線通信方式（如CAN總線）實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)與農作物生長密切相關的各種環(huán)境因子信息采集、海量信息管理服務、災害預測預報及農業(yè)生產環(huán)境控制逐漸成為 “精準農業(yè)”領域的研發(fā)熱點[1]。

1 技術現(xiàn)狀

我國有多家科研單位展開了基于無線傳感器網絡的監(jiān)控系統(tǒng)的研究，并已取得初步成果，無線傳感器網絡在“十二五”規(guī)劃中已成為農業(yè)信息化和現(xiàn)代農業(yè)的重要研究方向之一。目前，國家“工廠高效農業(yè)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(yè)大學研究了傳感器網絡相關理論和組網協(xié)議，開發(fā)一套原型系統(tǒng)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(huán)境遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點覆蓋、傳感器節(jié)點健康狀況等關鍵技術；湖南農業(yè)大學提出了一種基于無線傳感器網絡的農田自動節(jié)水灌溉構建方案，設計了一種無線傳感器網絡實現(xiàn)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(qū)域實時灌溉并調節(jié)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(jiān)測預警技術的系統(tǒng)框架及其實現(xiàn)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(yǎng)殖等行業(yè)，實現(xiàn)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(yè)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(jiān)控需求結合，而且普遍存在價格昂貴，不適宜實際農業(yè)生產需求，與農業(yè)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(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測、分析及對農業(yè)生產過程的科學指導，缺少對農業(yè)生產環(huán)境的人為干預措施；也不具備極端環(huán)境下的災害預警機預報功能。因此可以說產業(yè)需求很大，而現(xiàn)有的產品很難滿足實際農業(yè)生產的需求。目前國內市場上農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基本上都處于研發(fā)階段，少有大規(guī)模推廣應用的設備。國內的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，農業(yè)環(huán)境的監(jiān)測節(jié)點都采用有線方式與區(qū)域管理設備連接，監(jiān)測節(jié)點布置位置固定無法移動，且都為單點監(jiān)測，所測數(shù)據(jù)可信度低，當某一傳感器損壞時，可能造成整個系統(tǒng)的崩潰。

2 技術發(fā)展趨勢

目前基于有線的測量控制系統(tǒng)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(tǒng)可靠性降低，也不利于農業(yè)機器人等移動設備進行作業(yè)。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(yōu)勢。因此，通過無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是解決農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通信問題的有效方法。

3 本系統(tǒng)主要用途及性能

本系統(tǒng)通過監(jiān)測節(jié)點利用先進傳感器技術精確、密集、靈活監(jiān)測農作物生長的環(huán)境信息，通過無線傳感器網絡實現(xiàn)監(jiān)測信息的傳輸，利用嵌入式ARM及winCE技術實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長期存儲、管理及分析，利用PLC（可編程控制器）技術實現(xiàn)作物所處環(huán)境的智能控制。該系統(tǒng)可實現(xiàn)設施環(huán)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(shù)據(jù)的存儲、處理；同時實現(xiàn)對設施內現(xiàn)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(shù)字化農業(yè)生產的推廣需求，提高設施農業(yè)生產的綜合產值，增加農民收入。

4 市場需求

設施農業(yè)發(fā)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(yè)控制的國家；荷蘭有85%的設施農業(yè)應用環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；日本有92%的農業(yè)生產部門采用計算機監(jiān)控設備；以色列的智能監(jiān)控系統(tǒng)僅在灌溉方面就可節(jié)約50%—70%的用水。我國有18億畝農田和1000多萬畝設施農業(yè)，面積居世界第一，且設施農業(yè)面積仍在以每年20%的速度增長。但采用智能控制系統(tǒng)的面積不足10%。國內還沒有成熟的基于無線傳輸?shù)霓r業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，而國外相關產品的維護和運行費用很高。本系統(tǒng)可大幅提高設施農業(yè)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(huán)保方面的效果尤為明顯。適合各種規(guī)模農業(yè)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(yōu)勢。

5 結束語

本系統(tǒng)對建立現(xiàn)代農業(yè)信息技術體系、早日實現(xiàn)我國農業(yè)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(yè)科技產業(yè)基地和區(qū)域性支柱產業(yè)，促進農業(yè)經濟的跨域式發(fā)展具有重要作用。

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