基于无线传感器网络的精准农业环境监控系统

杨选民 张海辉 薛少平

0 引言

中国18亿亩农田是不可增长的自然资源，如何在有限的农业资源基础上，借助先进的科技手段提高农田生产效率，促进土地集约利用已经成为我国必须解决的重大问题。以现代信息技术与农业技术融合为特点的“精准农业（Precision Agriculture）”技术成为提高农业生产效率的支撑技术之一，其核心是指利用信息技术精确获知作物生长所处环境的温度、湿度、光照强度、肥力、病虫害等数据信息，通过相应手段人为干预调整环境参数，使农作物处于有利于其生长的环境中，从而有效地加快农作物的生产过程，提高其品质，达到增产增收提高效益的目的。目前，大多数农户以自身经验为主，缺乏精准的环境信息获取手段，已成为制约农业生产规模化、自动化的瓶颈。

传统的农业环境监控系统如集中式监测系统、集散型监测系统和基于现场总线的监测系统都是基于有线通信方式（如CAN总线）实现数据传输，主要存在需要布设有线通信网络、维护困难、部署具有局限性、不灵活等缺点。近期出现的采用移动运营商的无线通信网络 （如GSM网络）传输方式，其缺点是依赖于运营商的网络覆盖范围，并且后期使用时需要向运营商支付短信费用或GPRS流量费用，使用维护成本较高。利用无线传感器网络（WSN）技术实现与农作物生长密切相关的各种环境因子信息采集、海量信息管理服务、灾害预测预报及农业生产环境控制逐渐成为 “精准农业”领域的研发热点[1]。

1 技术现状

我国有多家科研单位展开了基于无线传感器网络的监控系统的研究，并已取得初步成果，无线传感器网络在“十二五”规划中已成为农业信息化和现代农业的重要研究方向之一。目前，国家“工厂高效农业工程”已把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项目；西北工业大学研究了传感器网络相关理论和组网协议，开发一套原型系统并初步应用；杭州电子科技大学自动化学院研究了基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统中节点覆盖、传感器节点健康状况等关键技术；湖南农业大学提出了一种基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉构建方案，设计了一种无线传感器网络实现农田土壤湿度信息的实时采集和传输，通过灌溉控制器控制灌溉管网，分区域实时灌溉并调节土壤湿度；浙江林学院信息工程学院和浙江大学提出了一种基于无线传感器网络的森林火灾监测预警技术的系统框架及其实现方案；也有相关科研人员将无线传感器技术应用于牲畜家禽、水产养殖等行业，实现对其生活习性、生理状况及种群复杂度的研究。以上研究侧重于信息技术本身的研究，很少针对农业生产特征，将无线传感器网络与不同种植方式及不同作物的监控需求结合，而且普遍存在价格昂贵，不适宜实际农业生产需求，与农业领域的结合相当匮乏。在我国1000多万亩的温室大棚生产中，缺乏对农业环境信息的监测、分析及对农业生产过程的科学指导，缺少对农业生产环境的人为干预措施；也不具备极端环境下的灾害预警机预报功能。因此可以说产业需求很大，而现有的产品很难满足实际农业生产的需求。目前国内市场上农业环境监控系统基本上都处于研发阶段，少有大规模推广应用的设备。国内的农业环境监控系统中，农业环境的监测节点都采用有线方式与区域管理设备连接，监测节点布置位置固定无法移动，且都为单点监测，所测数据可信度低，当某一传感器损坏时，可能造成整个系统的崩溃。

2 技术发展趋势

目前基于有线的测量控制系统相对比较成熟，但有线通信方式导致布施的信号线、动力线错综复杂，安装维护难度大，而且易导致线缆老化，使系统可靠性降低，也不利于农业机器人等移动设备进行作业。而无线通信方式无需布线、组网灵活、易升级，同时无线通信设备可以在网络覆盖范围内随意移动和重新组网，相对有线通信方式具有明显的优势。因此，通过无线通信技术实现数据传输是解决农业环境监控系统通信问题的有效方法。

3 本系统主要用途及性能

本系统通过监测节点利用先进传感器技术精确、密集、灵活监测农作物生长的环境信息，通过无线传感器网络实现监测信息的传输，利用嵌入式ARM及winCE技术实现海量数据的长期存储、管理及分析，利用PLC（可编程控制器）技术实现作物所处环境的智能控制。该系统可实现设施环境下空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及风向、风速、降雨量等信息的采集；完成采集数据的存储、处理；同时实现对设施内现有设备如风扇、滴灌、补光、遮阳帘等设备的启停及强度控制。从而满足精准化、自动化、数字化农业生产的推广需求，提高设施农业生产的综合产值，增加农民收入。

4 市场需求

设施农业发展最好的有美国、荷兰、日本和以色列等国家。美国是世界上最早将计算机用于农业控制的国家；荷兰有85%的设施农业应用环境监控系统；日本有92%的农业生产部门采用计算机监控设备；以色列的智能监控系统仅在灌溉方面就可节约50%—70%的用水。我国有18亿亩农田和1000多万亩设施农业，面积居世界第一，且设施农业面积仍在以每年20%的速度增长。但采用智能控制系统的面积不足10%。国内还没有成熟的基于无线传输的农业环境监测系统，而国外相关产品的维护和运行费用很高。本系统可大幅提高设施农业的自动化、精准化程度，提高水、肥、热能等的综合利用率20%以上，可提高综合产值10%以上，在低碳环保方面的效果尤为明显。适合各种规模农业生产，维护成本低，技术与国外同步，在国内和国际市场中也具有一定的竞争优势。

5 结束语

本系统对建立现代农业信息技术体系、早日实现我国农业的信息化、自动化有着重要意义，对提高我国地方特色作物产量及品质、农民增产增收、增加我国农产品出口贸易等有较大的帮助，对建立具有地方特色的农业科技产业基地和区域性支柱产业，促进农业经济的跨域式发展具有重要作用。

［1］张佐经.设施农业环境因子无线检测及预警系统设计[J].农机化研究，2010（11）.