3物联网在农情监测中的应用研究
3.1应用的背景及必要性
在21世纪的今天,虽然我国在经济上已经取得了相当大的发展,但由于地域过于广阔,各地区的气候、土壤情况等存在差异等原因,我国在农业建设方面仍然存在着很多缺漏之处和亟待解决的问题。要想对我国的农业资源进行合理的利用以及科学的管理,就必须加强在精准农业方面的研究。
所谓的精准农业是现代农业的重要组成部分,可以看作是一种以获取的信息为基础的农业管理系统,它利用包括传感器在内的各种监测技术来获取农业方面的各种必要数据,并根据影响农作物生长的环境因素、地理因素等要素作出合理的管理措施,对作物的投入和作业进行量化控制,最终达到减少投入成本、提高单位产量、保护环境%371,提高农民收入的目的。而在此期间利用物联网技术进行信息釆集、信息加工,并通过管理信息系统按照作物生长的具体条件对资源的投入量进行控制这一过程势不可少。
根据我国在精准农业研究示范基地的试验表明,在应用了精准农业管理之后,示范区的农作物产量、经济效益都有着10%以上的提升,而相对设施成本、人力资源等都有着显着的降低。由此可见,精准农业的确是农田科学管理和合理利用的有效保障。
在我国,目前对精准农业的研究主要集中在土壤墒情监测、气象监测、农产品溯源、农产品物流、动植物生态信息监测等几个方面。总体来说,精准农业在我国的应用可以概括为农情监测和精细化控制两大方面,而本章主要对农情监测这一部分做重点介绍。
目前我国物联网技术在农情监测领域的应用主要釆取了以下两种模式:一是对农作物生长地域的地理信息进行釆集,将包括土壤类型、地形地质、PH值、地下水分布、有机质含量等一系列的重要资料输入系统数据库,并架构一定量的动态数据接口,通过对这些信息的分析解构对农作物进行定位定量的灌溉和施肥等。这一模式相对而言投入较小,但对突发性事件的反应较为缓慢,比较适合包产到户的农业高度集约化农区。二是将信息技术与现有农业机械设施结合起来,每日通过农情监测技术对动态数据进行釆集,从而制定一套行之有效的精准农业生产技术。相对而言这一模式投入较高,但对突发性事件有着显着的应对能力,比较适合大型的农业产地。由于我国地域广阔,人均水资源很少,灌溉水有效利用率低下,当前水资源的合理使用已经成为我国农业发展亟待解决的问题[36]。
3.2物联网在农情监测中的应用研究——以基于物联网的区域农田土壤墒情监测系统为例
3.2.1系统概述
由于我国许多粮食产地的农业生态环境十分脆弱,气象灾害较多,土地荒漠化现象时有发生,因而农业的发展也面临着很大的隐患。我国的水资源分布不均、人均水资源储存量也很低,很多地方沙漠化严重,根本无法进行蓄水工作。
作为以种植业为主的农业大国,经计算我国的农业用水量足足占据了每年的总用水量的70%以上。但由于不当灌溉等原因,浪费现象时有发生,灌溉水利用率甚至仅仅只有40%左右。为了最大化地避免农业损失,节约水资源,避免土壤失墒现象,必须对农作物的生长情况进行合理的监测控制。在物联网技术广泛应用的今曰,对农田土壤墒情的合理管理己成为了影响农作物正常生长的关键因素,而对这一切的监督和控制都要依赖于土壤墒情系统来进行。本系统非但可以对土壤中的水含量进行有效、准确的分析,从而判断进行灌溉的合理时机,还能够根据不同地域的土壤类型,气象类型、灌溉水源、作物类型等进行不同的应对。
农业土壤墒情系统的基本原理是在具有代表性的地域建设具备自动釆集土壤含水量,地下水位,降雨量等信息功能的监测点,将所得到的信息进行传输,将系统中的灌溉预报软件结合实时监控到的信息进行分析和再处理,从而获得最佳的灌溉时间、灌溉水量及相应的节水措施,最终达到节约水源、提高农作物产量的目的。
3.2.2系统设计
在基本结构上,本系统主要由软件平台和硬件平台两部分构成[36"38],从功能上看包括了数据采集、信息传输、数据接收及存储、数据分析挖掘、远程监控管理五大模块。将包括土壤类型、地形地质、PH值、地下水分布、有机质含量在内的一系列重要资料进行分析处理,实现了对土壤墒情实时的监控管理。
系统的硬件平台主要由传感器、交换机、路由器等网络设备和终端服务器等构成,主要负责数据的现场釆集、发送以及数据的远程传输。信息的釆集和发送模块通过网络通信技术、传感技术等对土壤资料进行实时准确的获取,并将其结合图片、视频等其他数据一并传输、存储入数据库服务器。
系统的软件平台集成数据接收、分析、处理、监控管理为一体,综合了五大模块。数据采集发送模块主要负责信息采样,并利用以ARM为代表的处理器进行基本的处理以及网络传输。数据接收存储模块则集成了运行在WEB服务器上的一系列应用软件,利用B|S (浏览器|服务器)和C|S (客户端|服务器)的技术架构,基于微软公司的.NET平台,采用C语言和ASP技术等将所获取的数据和图像存储入服务器端的数据库中,从而为后续的数据分析挖掘提供数据和技术支持。数据分析和监控管理模块主要负责对存在于数据库内的采集到的海量数据进行筛选。
结合土壤的各项关键指标对数据进行分析挖掘,在生成统计结果的同时通过计算机、LED电子屏幕、智能设备等终端设备以表格、图形、文字等各种方式清晰明朗地展示给用户,从而达到智能判断、实时预警、远程监控的目的。系统整体框架原理如图3.1所示。
3.2.3系统设施及功能模块
(1)数据采集和发送模块
农田土壤墒情监控系统的主要功能是对土壤的含水量进行分析,从而判断灌溉时机和灌溉量,达到节水和合理灌溉的目的。这一功能必须通过对土壤数据的实时采集和监控来实现。由于资金、技术、人力等方面的限制,该系统在实现对数据的实时监控的同时还应尽可能地满足监测范围大、数据精度高、成本低的要求。
本系统的数据釆集和发送模块主要通过无线传感器网络(Wireless SensorNetwork^简称WSN)来实现。其基本原理是将按照《土壤墒情监测规范》要求,利用GSM网络载体所采集到的包括土壤含水量、地下水位、降雨量、土壤PH值等在内的信息连同网络监控摄像头等所获取的图像和视频等可视化信息一并发送至远程监控中心[37_38]。
为了便利地实现远程的数据传输和共享,可以釆取ARM控制器网络通信模块与Internet进行对接。并对移动通信网、无线节点、ADSL等多种网络通信技术择优使用。从而保证在不同情况下数据的有效、稳定、可靠传输。同时还应保证信息的安全性,防止因电源故障或自然灾害等造成的信息中断。
(2)数据接收分析模块
本系统的数据接收分析模块主要负责对传输而来的数据进行分析和简单的处理。其具备的功能主要有:实时数据的接收和处理、数据管理和信息发布、基本信息查询、实时信息转发、数据库管理、土壤墒情分析、农事调控建议、农作物产量预测等。
系统接收模块负责对釆集发送模块中传输而来的信息进行接收,系统的分析模块则根据接收到的信息生成土壤墒情报告,进行趋势分析,建立起评估系统,为旱涝分析、施肥量、灌溉决策等提供依据。还可以进一步地建立起农作物产量预测分析系统,提出农事建议和调控措施,同时还能够根据土壤墒情的变化趋势分析出可能发生的旱涝灾害的时间、等级、面积等,为农民提供决策依据和相应的对策。
(3)数据监控管理模块
本系统的数据监控管理模块作为数据传输的终端存在。其功能主要有数据使数据的可视化分析、决策分析、数据的多平台应用、数据远程监控管理等。
该模块可以提供数据的查询功能,并且能够将查询结果以直观的形式展现给用户。用户可以釆用计算机、LED电子屏幕、智能移动设备等多种形式实现数据的访问和获取,同时该模块还为这些设备提供能够访问中心服务器的接口和规范,迅捷高速地实现数据的跨平台调用。还能将所获取的数据以及分析获得的结果以诸如报表、专题图等形式清晰明朗地显示出来,以供用户使用,为其农业决策提供参考。
