設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器智能化控制研究現(xiàn)狀及展望

1、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院 姚亮 2、新疆農(nóng)牧業(yè)機(jī)械管理局 馬俊貴

引言

近代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大體上經(jīng)歷了三個(gè)里程碑事件。第一個(gè)里程碑事件是以拖拉機(jī)為典型代表的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)在農(nóng)耕中解放傳統(tǒng)勞動(dòng)力的普遍應(yīng)用，第二個(gè)里程碑事件是以西方遺傳學(xué)理論、化學(xué)肥料、有機(jī)農(nóng)藥為標(biāo)志的生物和化學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，第三個(gè)里程碑事件是以信息技術(shù)為核心的電子設(shè)備技術(shù)革命。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新是以某產(chǎn)品的單項(xiàng)技術(shù)突破為核心，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)革命主要是以信息、新材料、生物、可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等綜合于一體，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開辟了新的道路。

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是將現(xiàn)代生物工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，根據(jù)動(dòng)植物生長(zhǎng)的最適宜生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)進(jìn)行四季恒定的環(huán)境自動(dòng)控制，使其不受氣候條件的影響[1]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要充分發(fā)揮植物自身的潛能，運(yùn)用設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)，保證農(nóng)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比具有畝產(chǎn)高、品質(zhì)優(yōu)、質(zhì)量安全、周年均衡生產(chǎn)的特點(diǎn)。對(duì)于市場(chǎng)需求量大的反季農(nóng)產(chǎn)品、高端品種，能夠保質(zhì)保量，及時(shí)供應(yīng)，滿足人們的生活需要，提高人們的生活品質(zhì)。

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化大大促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)水平上升到一個(gè)新層次。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建立在現(xiàn)代生物技術(shù)、工程技術(shù)和以計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通信技術(shù)為主的信息技術(shù)基礎(chǔ)上，使田間作業(yè)不再受自然氣候因素的影響[2]。在農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)銷售中具有較強(qiáng)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)抵御能力，具有較高程度的集約化、商品化，對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)具有典型示范作用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末，由美國(guó)研發(fā)的計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)作物的不同生長(zhǎng)特點(diǎn)和需求，對(duì)溫室內(nèi)溫濕度、光照、灌溉、施肥等多因素進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。根據(jù)調(diào)控溫差的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鮮花的成熟期和開花期進(jìn)行控制。

美國(guó)加州Camalie葡萄園，將20個(gè) Mica2dot溫度探頭布置在1.78hm2的葡萄種植地內(nèi)，組成了一個(gè)全面的土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且對(duì)葡萄酒窖內(nèi)溫度的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明實(shí)驗(yàn)葡萄園中葡萄總產(chǎn)量較上年增加了一倍，實(shí)驗(yàn)酒窖存放的葡萄酒的品質(zhì)也得到了大幅提升，并且也節(jié)省了大量的灌溉用水[3]。

Disital Sun公司研發(fā)了一種利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)給試驗(yàn)田灑水的系統(tǒng)，將傳感器探頭插入土壤并對(duì)土壤的水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)土壤的含水量進(jìn)行一個(gè)預(yù)設(shè)值，達(dá)到這個(gè)條件后則與接收器通信，通過(guò)信號(hào)傳遞對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的[4]。

A.Baggio在土豆實(shí)驗(yàn)田里布置了無(wú)線傳感器并組成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)，由傳感器探頭獲取試驗(yàn)田內(nèi)土壤和空氣溫度、濕度及地下水位等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土豆田地的多項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)土豆病蟲害的目的[5]。

Bailey和Critten針對(duì)溫室控制技術(shù)結(jié)合溫室內(nèi)的熱環(huán)境機(jī)理模型做了理論性的研究，后者又針對(duì)溫室內(nèi)的光輻射特性進(jìn)行了深入的研究[6-8]。

Nijskens針對(duì)溫室內(nèi)遮蔽材料對(duì)輻射傳導(dǎo)特性做了相應(yīng)的研究，包括對(duì)光合作用的有效輻射及紅外輻射。這些研究對(duì)溫室大棚工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的理論保障[9]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

北京市科委的“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)。把溫室看做傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)控制區(qū)，通過(guò)傳感器探頭對(duì)土壤的溫濕度、pH值和空氣溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理獲得溫室內(nèi)作物健康生長(zhǎng)的最佳外部條件[10]。

馮友兵根據(jù)試驗(yàn)田區(qū)灌溉的實(shí)際情況，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決了實(shí)驗(yàn)灌溉區(qū)灌溉范圍大、數(shù)據(jù)量大、傳輸困難等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了灌溉區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物需水信息的實(shí)時(shí)傳送，為灌溉過(guò)程中的及時(shí)適量給水提供了理論和科學(xué)依據(jù)，在極大程度上解決了灌溉節(jié)約用水的問(wèn)題[11]。

李震針對(duì)精細(xì)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，針對(duì)田間網(wǎng)絡(luò)通信的路由算法、田間到用戶端的數(shù)據(jù)傳送方式、監(jiān)測(cè)對(duì)象的復(fù)雜性、旱雨季土壤含水率、精細(xì)灌溉設(shè)備的可控制能力進(jìn)行深入研究，分析農(nóng)作物、系統(tǒng)配置和自然環(huán)境對(duì)無(wú)線通信信號(hào)輸送精度的影響[12]。

2 存在的問(wèn)題

2.1 雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的獲取，能夠在設(shè)施大棚內(nèi)正常工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)環(huán)境的監(jiān)控，但還缺少對(duì)區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量的控制，以及適應(yīng)不同條件的作物生長(zhǎng)模型傳感器的研發(fā)。

2.2 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)針對(duì)不同需求和不同的設(shè)計(jì)方法，其軟硬件的設(shè)計(jì)都是不同的，當(dāng)然相應(yīng)的控制系統(tǒng)無(wú)論是在控制的精度和有效性方面，以及在節(jié)能環(huán)保方面都有很大的不同。若能將各種控制算法與仿真預(yù)測(cè)有效地結(jié)合起來(lái)，就能夠更好地發(fā)揮溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的能力，使溫室生產(chǎn)達(dá)到節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。

2.3 傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)存在田間鋪設(shè)線路麻煩、系統(tǒng)靈活性差、成本較高等問(wèn)題，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)不利，局部出現(xiàn)地面積水現(xiàn)象。

2.4 溫室田間監(jiān)控系統(tǒng)存在對(duì)田間近距離數(shù)據(jù)不便收集，系統(tǒng)更換電池不方便，以及檢測(cè)區(qū)域過(guò)大等問(wèn)題。

3 解決策略

3.1 使用一個(gè)8節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)，雖然能滿足現(xiàn)有大棚的信息獲取需求，但考慮到獲取信息的精確性，下一步要實(shí)現(xiàn)60個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的部署，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)分簇多層的路由協(xié)議以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。

對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)田中農(nóng)作物的生長(zhǎng)模型也要作深入的研究，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)如實(shí)仿真其生長(zhǎng)狀態(tài)模型，生長(zhǎng)周期中重要的時(shí)間點(diǎn)及其監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)，研制能滿足多種類型、不同條件的傳感器，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的硬件擴(kuò)展。

3.2 針對(duì)溫室環(huán)境的溫濕度控制問(wèn)題，在以后的科研工作中還需要在進(jìn)行進(jìn)一步探索，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等。

3.3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于溫室田間的節(jié)水灌溉，通過(guò)傳感器探頭的布置，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)確定節(jié)點(diǎn)電路、電源電路、數(shù)據(jù)顯示電路等，成功解決了灌溉區(qū)不便鋪設(shè)線纜、電池使用壽命短、靈活性差等問(wèn)題。

3.4 設(shè)計(jì)一種Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端點(diǎn)構(gòu)成。以低功耗為出發(fā)點(diǎn)，終端點(diǎn)采集信息轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，解決了田間數(shù)據(jù)無(wú)法收集、經(jīng)常更換電池的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化是一個(gè)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，是綜合多領(lǐng)域多項(xiàng)高新技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化開辟了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新領(lǐng)域，使現(xiàn)代高科技與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，充分發(fā)揮生物自身潛能，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下大幅度提高畝產(chǎn)量。因此，我們要大力發(fā)展創(chuàng)新設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化，進(jìn)一步完善創(chuàng)新設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化制度和技術(shù)，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。

我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展思路要借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持社會(huì)主義農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)要求，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以農(nóng)民增收為核心，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、裝備、產(chǎn)業(yè)體系為支撐，把我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)作為重要任務(wù)，不斷提升科學(xué)技術(shù)水平，加快設(shè)施農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

加大先進(jìn)技術(shù)投入、注重品牌建設(shè)，才是提高設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化水平的捷徑，才能突破傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的束縛，尋求產(chǎn)業(yè)發(fā)展新模式，走出一條現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的新道路。

[1]姚於康.國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、基本經(jīng)驗(yàn)及其借鑒[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(1):3-5.

[2]姚於康.發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、趨向和啟示[J].世界農(nóng)業(yè),2010(10):68-71.

[3]CamalieNet.Wirelesssensor network at Camalie Vineyard[EB/OL].http://www.camalie.com

[4]蔡鑌,袁超,頓文濤,馬斌強(qiáng),李聰,李輝.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010，22(9):149-151.

[5]A.Baggio.Wireless sensor networks in precision agriculture.In ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks(REALWSN 2005),Stockholm,Sweden,June 2005.

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[10]高峰.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2009.149.

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