張瑜　劉芳

[提要] 土壤環(huán)境直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)出，農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤的環(huán)境參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)、科學(xué)管理有著重要作用。本文介紹一款采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的土壤監(jiān)控系統(tǒng)，不僅實(shí)施成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，還能實(shí)現(xiàn)土壤參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為規(guī)范我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有效保障。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)；土壤監(jiān)控；系統(tǒng)

浙江省供銷社課題：“基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)用地土壤智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究”（課題編號(hào)：13SS10）

中圖分類號(hào)：F32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收錄日期：2015年10月26日

我國(guó)是一個(gè)耕地緊缺的人口大國(guó)。近年來(lái)，隨著環(huán)境日益惡化和城市化進(jìn)程，人口增多和可用耕地面積減少成為不可逆轉(zhuǎn)的矛盾。在自然經(jīng)濟(jì)條件下的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在管理粗放，生產(chǎn)技術(shù)落后，抵御自然災(zāi)害能力差，濫施化肥、農(nóng)藥導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化，生態(tài)系統(tǒng)功效低等問(wèn)題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式改革刻不容緩。土壤環(huán)境直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，而農(nóng)作物的生長(zhǎng)又會(huì)反作用于土壤環(huán)境，因此對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，能夠有力促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)增收。土壤監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)不同的監(jiān)控對(duì)象和場(chǎng)合，利用多種先進(jìn)的傳感器和信息技術(shù)手段采集、存儲(chǔ)、分析、利用土壤環(huán)境信息，科學(xué)決策農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)業(yè)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著以傳感技術(shù)為代表的智能識(shí)別技術(shù)快速發(fā)展、移動(dòng)通信網(wǎng)的擴(kuò)容和多種智能終端設(shè)備的迅速普及，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步拓寬?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理涉及土壤信息采集、智能信息處理、農(nóng)業(yè)信息庫(kù)、專家系統(tǒng)、智能農(nóng)機(jī)設(shè)備、市場(chǎng)分析等多個(gè)方面，涵蓋了生物、信息、機(jī)械、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。

國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和土壤環(huán)境監(jiān)控的研究較早，以歐美為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，在信息技術(shù)和大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面積累頗多，目前他們?cè)谵r(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)信息資源利用等方面，利用“5S”技術(shù)（GPS、RS、GIS、ES、DSS）、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣象和病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)進(jìn)行精細(xì)化管理和調(diào)控，節(jié)約了人力資源，優(yōu)化了種植水平，取得了較大成就。

我國(guó)農(nóng)業(yè)存在耕地高度分散、生產(chǎn)規(guī)模小、時(shí)空變異大、量化和規(guī)?；潭炔?、穩(wěn)定性和可控程度低等問(wèn)題，另外由于廣大農(nóng)民知識(shí)水平較低，過(guò)于復(fù)雜的農(nóng)業(yè)信息化設(shè)備難以得到推廣應(yīng)用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究帶動(dòng)了土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)科學(xué)管理和高效益，也為農(nóng)業(yè)信息化提供了可靠的硬件基礎(chǔ)，其快速發(fā)展將為中國(guó)農(nóng)業(yè)與世界同步提供發(fā)展平臺(tái)，也將對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)起到巨大的推進(jìn)作用。

二、土壤監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

土壤環(huán)境涉及到害蟲(chóng)分布密度、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、土壤濕度、土壤溫度、各項(xiàng)有機(jī)質(zhì)、微量元素和農(nóng)作物生長(zhǎng)形態(tài)等多種相關(guān)參數(shù)。土壤環(huán)境對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響，對(duì)土壤環(huán)境實(shí)施全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，可以有力促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。

現(xiàn)有土壤監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)大多存在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高、公共網(wǎng)絡(luò)接入速率低、操作復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小、信息難以共享等不足，一定程度上影響到土壤環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的普及推廣。基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以達(dá)到低成本、低功耗、大區(qū)域、多參數(shù)、多地點(diǎn)、高接入速率等要求，并實(shí)現(xiàn)空氣溫度、濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度及水環(huán)境PH值和農(nóng)作物生長(zhǎng)形態(tài)的多參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境監(jiān)控可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置多個(gè)參數(shù)感知節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確感知土壤環(huán)境信息和作物信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的傳感網(wǎng)絡(luò)匯集到網(wǎng)關(guān)。在多地布設(shè)土壤環(huán)境監(jiān)控點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)省級(jí)乃至全國(guó)范圍的土壤情況信息共享，也可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器，用作農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有利于防治各類病蟲(chóng)害和氣候環(huán)境災(zāi)害，達(dá)到提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。

三、土壤監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。土壤監(jiān)控系統(tǒng)支持GPRS組網(wǎng)與3G移動(dòng)通信網(wǎng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的連接，通過(guò)GPRS進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)通的一種新型的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，采用分組交換方式，提高了無(wú)線信道和核心網(wǎng)絡(luò)的使用效率。在土地上安置基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊獲取數(shù)據(jù)參數(shù)，即土壤濕度、土壤酸堿度、光照度等。采用異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)土壤數(shù)據(jù)，提高存儲(chǔ)能力和使用效率。采用ARM9微處理器平臺(tái)的嵌入式協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，內(nèi)嵌Web服務(wù)器，支持遠(yuǎn)程客戶對(duì)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的訪問(wèn)控制。

農(nóng)業(yè)用地土壤智能監(jiān)控系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合，系統(tǒng)架構(gòu)可分為三層分：感知層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層和應(yīng)用層。感知層由若干感知節(jié)點(diǎn)組成，搭載多參數(shù)傳感陣列以獲取田間信息，負(fù)責(zé)土壤監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，可以在多點(diǎn)分別設(shè)置感知節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)采集的有效性；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層設(shè)備即協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，包含了ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、3G模塊和以太網(wǎng)模塊，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，可以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用層的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中心由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和Web服務(wù)器構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息發(fā)布，并可根據(jù)實(shí)時(shí)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)查看土壤情況、繪制土壤情況波形圖，提供智能土壤分析功能，為科學(xué)農(nóng)業(yè)管理提供決策依據(jù)。

（二）系統(tǒng)工作流程。土壤監(jiān)控系統(tǒng)的具體工作流程首先由土地中布置的眾多感知節(jié)點(diǎn)將采集到的土壤狀態(tài)數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中心進(jìn)行存儲(chǔ)。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中心服務(wù)器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或曲線形式顯示土壤環(huán)境變化過(guò)程，并根據(jù)數(shù)據(jù)提供智能分析，農(nóng)戶可以通過(guò)智能手機(jī)、PC或其他智能終端訪問(wèn)查詢環(huán)境參數(shù)，根據(jù)土壤環(huán)境變化進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)操作，也可以對(duì)感知節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制管理操作。

四、土壤監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（一）功能設(shè)計(jì)考慮因素。土壤監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)多地點(diǎn)、多參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。多地點(diǎn)是指感知節(jié)點(diǎn)可以被布置到多個(gè)需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，并能統(tǒng)一協(xié)調(diào)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。多參數(shù)是指單一節(jié)點(diǎn)要能夠同時(shí)獲取多個(gè)環(huán)境參數(shù)，將多種傳感器布置在同一節(jié)點(diǎn)上，以充分了解農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息。同時(shí)要能滿足農(nóng)業(yè)專家、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員、普通農(nóng)民能隨時(shí)隨地的訪問(wèn)信息，以科學(xué)決策、指導(dǎo)、實(shí)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？紤]到我國(guó)從業(yè)農(nóng)民主體上文化程度不高，應(yīng)當(dāng)盡量降低用戶使用“門檻”。從系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)田間安裝、管理和維護(hù)，到農(nóng)戶使用，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)簡(jiǎn)單易用，以提高農(nóng)民使用的積極性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡量低成本、高效率，成本是限制農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)控系統(tǒng)普及推廣的重要因素。高效的數(shù)據(jù)處理能力、工作的穩(wěn)定性是系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的前提。

（二）功能模塊設(shè)計(jì)?；贕PRS平臺(tái)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心和監(jiān)控終端兩部分組成。監(jiān)控中心是PC機(jī)與數(shù)據(jù)通信模塊的組合，數(shù)據(jù)通信模塊包括控制模塊和GPRS無(wú)線模塊；監(jiān)控終端是數(shù)據(jù)通信模塊與受控設(shè)備的組合。其中，監(jiān)控中心的PC機(jī)及數(shù)據(jù)通信模塊完成控制參數(shù)和查詢命令的設(shè)置與發(fā)送以及響應(yīng)監(jiān)控終端的請(qǐng)求，監(jiān)控終端的GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器接收控制參數(shù)和查詢命令并傳送給受控設(shè)備，同時(shí)將所接收到的受控設(shè)備的應(yīng)答數(shù)據(jù)或操作受控設(shè)備的操作結(jié)果及狀態(tài)信息回送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)監(jiān)控終端發(fā)來(lái)的信息，以備操作維護(hù)人員的查詢，對(duì)監(jiān)控終端進(jìn)行及時(shí)有效的操作，使監(jiān)控終端正常運(yùn)行。

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，可將系統(tǒng)分為以下幾個(gè)功能模塊：（1）節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊：需檢測(cè)的土壤通過(guò)相關(guān)傳感器，獲取數(shù)據(jù)參數(shù)，即土壤濕度、土壤酸堿度、光照度等；（2）基于GPRS的無(wú)線傳輸控制系統(tǒng)：基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)利用其雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)于需要在田地上監(jiān)測(cè)、操作和維護(hù)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和信息采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)行遙信、遙測(cè)和遙控；（3）監(jiān)控中心模塊：服務(wù)器端的監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)查看、分析從節(jié)點(diǎn)上傳的土壤監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)繪制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖形，并提供智能數(shù)據(jù)分析，為用戶農(nóng)業(yè)操作提供參考。農(nóng)戶可以通過(guò)PC或智能手機(jī)登智能終端設(shè)備實(shí)時(shí)查看土壤監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

五、結(jié)論

土壤監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離土壤濕度、土壤酸堿度、光照度測(cè)量等功能，可以快速對(duì)某區(qū)域的土壤進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)時(shí)繪出濃度分布曲線以及其隨時(shí)間改變的規(guī)律，從而為灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)操作提供數(shù)據(jù)參考，具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)于促進(jìn)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響，其市場(chǎng)前景也十分廣闊。

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