物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用*

何勇聶鵬程

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用*

何勇1聶鵬程2

發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，準(zhǔn)確獲取田間作物生長信息，根據(jù)作物生長需求實現(xiàn)最優(yōu)環(huán)境與肥水調(diào)控，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，對節(jié)省水肥資源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保護農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有重大現(xiàn)實意義。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，分別介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合農(nóng)業(yè)園區(qū)、名貴中草藥種植園區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖與畜牧方面的相關(guān)應(yīng)用。應(yīng)用效果表明：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源消耗，平均節(jié)省人工25%左右，節(jié)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(tài)與經(jīng)濟效益。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合種植園區(qū)中的應(yīng)用

蕭山73021部隊農(nóng)場（軍墾農(nóng)場）作為部隊農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的示范農(nóng)場之一，農(nóng)場整體環(huán)境優(yōu)美、氣息怡人，農(nóng)場生產(chǎn)設(shè)施整潔完備、人員管理有素，農(nóng)場規(guī)劃整齊、簡潔，生產(chǎn)區(qū)域的劃分井然有序，充分體現(xiàn)了示范生產(chǎn)、模范先進的作用，農(nóng)場的整體風(fēng)貌具有現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的應(yīng)有水平。該園區(qū)農(nóng)場物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為六個部分：物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)、生產(chǎn)追溯管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能廣播系統(tǒng)、電子商務(wù)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)總控平臺，系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)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(tǒng)，基于溫室環(huán)境信息形成的農(nóng)業(yè)設(shè)施自動化控制系統(tǒng)（例如風(fēng)機遮陽等設(shè)施控制系統(tǒng)）。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過無線信息采集與組網(wǎng)傳輸、自動控制實現(xiàn)該園區(qū)內(nèi)智能化肥水管理與設(shè)施控制，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控示意圖

圖2 智能控制系統(tǒng)示意圖

結(jié)合農(nóng)場具體情況，在每個溫室內(nèi)架設(shè)一套環(huán)境信息采集器，每套環(huán)境信息采集設(shè)備可自動采集8種環(huán)境參數(shù)，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(shù)。其實物如圖3所示。

環(huán)境采集器獲取環(huán)境信息后通過無線傳輸?shù)姆绞阶詣訉⑿畔崟r傳回園區(qū)的監(jiān)控中心，經(jīng)過軟件服務(wù)平臺處理后最終將數(shù)據(jù)顯示在電腦上，供種植管理人員及時了解園區(qū)環(huán)境情況，以便對種植氣候及土壤環(huán)境及時調(diào)節(jié)，滿足作物對生長環(huán)境的需求。

為實現(xiàn)肥水灌溉自動化，在每個水池泵站內(nèi)架設(shè)灌溉變頻智能控制柜。智能控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息采集器采集的數(shù)據(jù)控制下屬區(qū)域精細化的肥水灌溉，智能控制柜內(nèi)配有變頻控制器，變頻器主要是改變水泵電機轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn)節(jié)電的目的。出現(xiàn)用水量變化、水壓不夠或斷水等情況時，變頻器就會在設(shè)定好的參數(shù)下開始自動調(diào)節(jié)工作。實物如圖4所示。

圖3 環(huán)境信息采集

圖4 肥水智能變頻灌溉

設(shè)施自動化控制：自動控制系統(tǒng)根據(jù)軟件平臺專家系統(tǒng)對溫室內(nèi)環(huán)境信息采集器上傳的環(huán)境參數(shù)分析的結(jié)果，可以對園區(qū)內(nèi)灌溉和設(shè)施操作進行智能控制。比如系統(tǒng)判定土壤濕度小于作物適宜生長濕度，系統(tǒng)會開啟水泵和電磁閥設(shè)備實現(xiàn)提高土壤濕度的目的，當(dāng)濕度恢復(fù)到植物生長正常土壤濕度則關(guān)閉水泵與電磁閥。

設(shè)施定時生產(chǎn)控制：根據(jù)長期生產(chǎn)種植經(jīng)驗和專家系統(tǒng)，在特定時間對農(nóng)場內(nèi)灌溉與農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備進行開啟關(guān)閉定時操作。

遠程或監(jiān)控中心手動控制：生產(chǎn)系統(tǒng)可以設(shè)置成手動模式，在這種模式下，管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用電腦或手機遠程對園區(qū)內(nèi)所有可控設(shè)備進行人工管理，以便管理人員處理生產(chǎn)過程中的復(fù)雜情況。

1.2 生產(chǎn)追溯管理系統(tǒng)

部隊農(nóng)場對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工安全十分重視，農(nóng)場出場的農(nóng)產(chǎn)品在進入用戶餐桌前，會經(jīng)過采收、裝箱、運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)，最終到用戶使用。為了加強用戶對部隊農(nóng)場農(nóng)產(chǎn)品的信賴度、提高農(nóng)產(chǎn)品的檔次和品牌形象，農(nóng)場將構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)追溯平臺。在追溯平臺中，用戶可以使用產(chǎn)品標(biāo)識（一維碼或二維碼）提供的產(chǎn)品編號，在農(nóng)場提供的互聯(lián)網(wǎng)查找平臺中確認(rèn)農(nóng)產(chǎn)品的真假，查詢農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息，查看農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境等，具體管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 農(nóng)產(chǎn)品信息追溯技術(shù)架構(gòu)

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

將視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行整合，使管理人員可以對生產(chǎn)區(qū)域進行生產(chǎn)監(jiān)控，消費者也可以通過遠程訪問視頻系統(tǒng)，為管理人員和消費者提供查看和監(jiān)管農(nóng)場生產(chǎn)環(huán)境的平臺，可以進行農(nóng)場基礎(chǔ)信息查詢追溯、生產(chǎn)區(qū)環(huán)境視頻監(jiān)控追溯。

視頻采集系統(tǒng)主要由各觀測點的攝像機組成，主要實現(xiàn)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(xiàn)較廣泛區(qū)域的監(jiān)視，如圖6所示。

圖6 園區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.4 智能廣播系統(tǒng)

智能廣播系統(tǒng)主要功能包括定時播放（音樂、技術(shù)指導(dǎo)）、生產(chǎn)預(yù)警。生產(chǎn)預(yù)警的難點在于結(jié)合實際生產(chǎn)過程，將環(huán)境參數(shù)（比如水分含量值，是否缺水，實際溫度值，是否正常）轉(zhuǎn)成播音系統(tǒng)的輸入流，由廣播系統(tǒng)分析處理后，形成預(yù)警語音進行播放。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)總控平臺

平臺集合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控、視頻采集、環(huán)境信息采集、智能廣播、農(nóng)產(chǎn)品追溯等功能于一體，滿足部隊農(nóng)場生產(chǎn)管理要求，如圖7、8所示。

圖7 種植系統(tǒng)生產(chǎn)管控軟件界面

圖8 園區(qū)視頻監(jiān)控與電子商務(wù)平臺軟件系統(tǒng)界面

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在名貴中藥材種植方面的應(yīng)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(shù)難度大，對自動化要求比較高；因此，本系統(tǒng)結(jié)合浙江楓禾生物工程有限公司鐵皮石斛生產(chǎn)基地開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究工作，主要在組培室實現(xiàn)育苗過程的信息化監(jiān)測與自動化環(huán)境調(diào)控，在生產(chǎn)過程中利用高密度信息獲取與作物營養(yǎng)成分診斷技術(shù)實現(xiàn)設(shè)施溫室內(nèi)的鐵皮石斛自動化環(huán)境調(diào)控與肥水供給，如圖9、10所示。

圖9 組培室內(nèi)環(huán)境信息獲取

圖10 立體式生產(chǎn)架的信息監(jiān)測與自動化調(diào)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實時獲取的信息進行智能化決策，通過專家模型實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)溫室內(nèi)的通風(fēng)、調(diào)光、噴淋、遮陽等自動化控制，所安裝的設(shè)備如圖11所示。

圖11 智能化控制系統(tǒng)

鐵皮石斛生長過程中養(yǎng)分監(jiān)測一直是生產(chǎn)管理過程中的重要難題，本系統(tǒng)采用光譜在線作物養(yǎng)分檢測方法，實現(xiàn)了在線式光譜養(yǎng)分監(jiān)測，可同時監(jiān)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(xué)依據(jù)，如圖12所示。系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)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(huán)境與養(yǎng)分監(jiān)測設(shè)備

圖13 鐵皮石斛生長過程信息監(jiān)測與自動控制軟件系統(tǒng)界面

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在南美白對蝦養(yǎng)殖管理中的應(yīng)用

南美白對蝦養(yǎng)殖風(fēng)險較大，究其原因主要是缺乏精準(zhǔn)監(jiān)測與智能調(diào)控裝備，尤其在高密度養(yǎng)殖的環(huán)境中，溶解氧含量不當(dāng)是最容易導(dǎo)致對蝦大面積死亡的因素，缺氧容易導(dǎo)致對蝦窒息，富氧又容易導(dǎo)致水體病菌增加，容易感染病害。因此，本系統(tǒng)研發(fā)了水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)與自動化調(diào)控裝備，實現(xiàn)魚塘水質(zhì)在線監(jiān)測與調(diào)控，并在杭州明朗農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司進行應(yīng)用示范。

3.1 魚塘水質(zhì)信息與環(huán)境監(jiān)測設(shè)備

共挑選比較具有代表性的12個魚塘作為示范區(qū)，每3個魚塘安裝一個信息采集設(shè)備，每個采集設(shè)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(shè)備均由太陽能供電，且每個設(shè)備均使用無線傳輸將信息傳輸?shù)焦芾碇行?。管理中心再根?jù)接收到的信號發(fā)布反饋控制信號，執(zhí)行自動增氧、智能報警等操作。魚塘水質(zhì)與環(huán)境信息采集設(shè)備構(gòu)成如圖14所示。

圖14 魚塘水質(zhì)與環(huán)境信息采集設(shè)備的構(gòu)成

3.2 信息采集方案

每3個魚塘安裝一個水質(zhì)信息與環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，每個設(shè)備均通過無線通信方式與監(jiān)控中心通信，不僅具備信息采集和無線發(fā)送功能，而且具有無線自組網(wǎng)功能。采集設(shè)備在安裝好后可以自行進行智能組網(wǎng)，以最低功耗和最高效率將信息傳輸?shù)奖O(jiān)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(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖戶所承擔(dān)的最大風(fēng)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(nèi)整個魚塘的蝦全部因缺氧死亡，養(yǎng)殖戶經(jīng)濟損失巨大。監(jiān)控中心主要把實時接收到的魚塘物聯(lián)網(wǎng)信息作為控制依據(jù)，把養(yǎng)殖經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，通過無線通信發(fā)送控制指令給控制器。控制器根據(jù)控制指令執(zhí)行自動增氧與自動排水、給水操作，實現(xiàn)自動增氧與自動換水功能。其原理如圖15所示。

圖15 物聯(lián)網(wǎng)魚塘自動增氧與自動換水控制示意圖

3.4 養(yǎng)殖園區(qū)可視化實施方案

水產(chǎn)養(yǎng)殖園區(qū)的可視化對園區(qū)管理提供了非常便利的管理模式。本項目可視化設(shè)計方案為：利用3個槍型攝像機監(jiān)測園區(qū)特定視角位置，利用一個球機（360°旋轉(zhuǎn)、27倍變焦）作為園區(qū)全景監(jiān)控設(shè)備。球機可以手動控制旋轉(zhuǎn)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(yǎng)殖園區(qū)可視化方案示意圖

3.5 系統(tǒng)應(yīng)用示范

將上述技術(shù)與裝備應(yīng)用于杭州明朗農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司養(yǎng)殖基地，實現(xiàn)在線、離線的自動化信息監(jiān)測與自動控制，如圖17所示。

圖17 水產(chǎn)養(yǎng)殖信息監(jiān)測與智能化調(diào)控系統(tǒng)實景圖

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用

本項目主要針對環(huán)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(guān)的環(huán)境因子采集數(shù)據(jù)，通過光纖傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控平臺，進行數(shù)據(jù)的存儲、分析比對系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室智能控制柜，自動控制噴淋裝置、風(fēng)機設(shè)備，使環(huán)境保持在適宜生豬生長的條件下。

本系統(tǒng)結(jié)合阜寧縣生豬養(yǎng)殖基地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)福利養(yǎng)殖進行環(huán)境信息監(jiān)測與自動調(diào)控。根據(jù)養(yǎng)殖戶實際應(yīng)用需求，溫室信息采集器采集5種環(huán)境參數(shù)：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(dǎo)致生豬發(fā)生疫情；空氣溫濕度、光照強度、氣壓影響著生豬生長的質(zhì)量；密度、溫濕度、通風(fēng)換氣則影響著生豬生長繁殖的速度。當(dāng)此類環(huán)境因素超標(biāo)時，自動報警系統(tǒng)則會短信通知用戶，用戶可自行采取應(yīng)對措施。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制器通過光纖通訊方式傳輸環(huán)境信息，并采用市電供電模式，經(jīng)過接力傳輸后最終匯聚到園區(qū)畜禽養(yǎng)殖管理辦公室的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器中，并通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控平臺實時顯示環(huán)境信息。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對豬舍采集信息的存儲、分析、管理，提供閾值設(shè)置、智能分析、檢索、報警、權(quán)限管理等功能，配置驅(qū)動養(yǎng)殖舍控制系統(tǒng)。當(dāng)用戶在養(yǎng)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?shù)睫r(nóng)業(yè)智能專家系統(tǒng)，生豬養(yǎng)殖領(lǐng)域的專家會為用戶解答疑難；用戶還可手動生成飼養(yǎng)知識數(shù)據(jù)庫，當(dāng)同類問題重復(fù)出現(xiàn)時，便能及時查看解決方法。豬舍信息監(jiān)測與智能調(diào)控軟件界面如圖18所示。

圖18 豬舍信息監(jiān)測與智能調(diào)控軟件系統(tǒng)界面

視頻系統(tǒng)是利用大棚安裝的高清數(shù)字?jǐn)z像機，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸方式對連棟大棚內(nèi)生豬生長狀況、設(shè)備運行狀態(tài)、園區(qū)生產(chǎn)管理場景實現(xiàn)全方位視頻采集和監(jiān)控；園區(qū)管理者可以應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管控平臺，根據(jù)系統(tǒng)顯示的畜禽生長情況、大棚內(nèi)環(huán)境信息，遠程對養(yǎng)豬場大棚設(shè)施及飼料喂養(yǎng)裝置進行自動化控制，同時可遠程對農(nóng)場生產(chǎn)進行指導(dǎo)管理。系統(tǒng)整體應(yīng)用情況如圖19所示。

圖19 物聯(lián)網(wǎng)豬舍信息獲取與智能化調(diào)控應(yīng)用實況

通過物聯(lián)網(wǎng)信息獲取裝備實時獲取生豬環(huán)境信息，結(jié)合通風(fēng)、補光、調(diào)溫裝備實現(xiàn)生豬最佳適應(yīng)環(huán)境的智能化調(diào)控，并結(jié)合可視化監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)生豬生長過程的遠程可視化監(jiān)測與在線診斷，對提高科學(xué)養(yǎng)豬水平、提高效率、節(jié)省勞力、保障品質(zhì)有重大意義。

作者信息：1教授、博導(dǎo)；2副研究員、碩導(dǎo)：浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058，杭州

*本研究得到十二五國家支撐計劃項目（2014BAD10B02）資助