物联网技术及其在农业上的应用*

何勇聂鹏程

物联网技术及其在农业上的应用*

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发展智慧农业，准确获取田间作物生长信息，根据作物生长需求实现最优环境与肥水调控，实现农业标准化生产，对节省水肥资源、提高农业生产效率、保护农村生态环境具有重大现实意义。本文以物联网技术为基础，分别介绍物联网技术在综合农业园区、名贵中草药种植园区、水产养殖与畜牧方面的相关应用。应用效果表明：物联网技术可有效降低农业生产资源消耗，平均节省人工25%左右，节省水肥资源20%左右，并有效降低了水、肥、药的施用，具有显著的生态与经济效益。

1 物联网技术在综合种植园区中的应用

萧山73021部队农场（军垦农场）作为部队农业创新的示范农场之一，农场整体环境优美、气息怡人，农场生产设施整洁完备、人员管理有素，农场规划整齐、简洁，生产区域的划分井然有序，充分体现了示范生产、模范先进的作用，农场的整体风貌具有现代化农业示范园区的应有水平。该园区农场物联网系统分为六个部分：物联网生产管控系统、生产追溯管理系统、视频监控系统、智能广播系统、电子商务系统和物联网总控平台，系统总体构架如图1所示。

1.1 物联网生产管控系统

物联网生产管控系统包括：基于土壤水分含量和时间 （定时灌溉控制）形成的温室自动化灌溉系统，基于温室环境信息形成的农业设施自动化控制系统（例如风机遮阳等设施控制系统）。系统采用物联网技术，通过无线信息采集与组网传输、自动控制实现该园区内智能化肥水管理与设施控制，主要结构如图2所示。

图1 物联网生产管控示意图

图2 智能控制系统示意图

结合农场具体情况，在每个温室内架设一套环境信息采集器，每套环境信息采集设备可自动采集8种环境参数，包括：空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、土壤盐度、土壤pH等参数。其实物如图3所示。

环境采集器获取环境信息后通过无线传输的方式自动将信息实时传回园区的监控中心，经过软件服务平台处理后最终将数据显示在电脑上，供种植管理人员及时了解园区环境情况，以便对种植气候及土壤环境及时调节，满足作物对生长环境的需求。

为实现肥水灌溉自动化，在每个水池泵站内架设灌溉变频智能控制柜。智能控制系统根据环境信息采集器采集的数据控制下属区域精细化的肥水灌溉，智能控制柜内配有变频控制器，变频器主要是改变水泵电机转速，并实现节电的目的。出现用水量变化、水压不够或断水等情况时，变频器就会在设定好的参数下开始自动调节工作。实物如图4所示。

图3 环境信息采集

图4 肥水智能变频灌溉

设施自动化控制：自动控制系统根据软件平台专家系统对温室内环境信息采集器上传的环境参数分析的结果，可以对园区内灌溉和设施操作进行智能控制。比如系统判定土壤湿度小于作物适宜生长湿度，系统会开启水泵和电磁阀设备实现提高土壤湿度的目的，当湿度恢复到植物生长正常土壤湿度则关闭水泵与电磁阀。

设施定时生产控制：根据长期生产种植经验和专家系统，在特定时间对农场内灌溉与农业设施设备进行开启关闭定时操作。

远程或监控中心手动控制：生产系统可以设置成手动模式，在这种模式下，管理人员可通过互联网应用电脑或手机远程对园区内所有可控设备进行人工管理，以便管理人员处理生产过程中的复杂情况。

1.2 生产追溯管理系统

部队农场对农产品的生产加工安全十分重视，农场出场的农产品在进入用户餐桌前，会经过采收、装箱、运输等多个环节，最终到用户使用。为了加强用户对部队农场农产品的信赖度、提高农产品的档次和品牌形象，农场将构建农产品生产追溯平台。在追溯平台中，用户可以使用产品标识（一维码或二维码）提供的产品编号，在农场提供的互联网查找平台中确认农产品的真假，查询农产品的生产信息，查看农产品的生产环境等，具体管理系统构成如图5所示。

图5 农产品信息追溯技术架构

1.3 视频监控系统

将视频监控系统进行整合，使管理人员可以对生产区域进行生产监控，消费者也可以通过远程访问视频系统，为管理人员和消费者提供查看和监管农场生产环境的平台，可以进行农场基础信息查询追溯、生产区环境视频监控追溯。

视频采集系统主要由各观测点的摄像机组成，主要实现对每个采集点的视频采集，并按照摄像机是否能移动等要求配置云台装置，可实现较广泛区域的监视，如图6所示。

图6 园区视频监控系统

1.4 智能广播系统

智能广播系统主要功能包括定时播放（音乐、技术指导）、生产预警。生产预警的难点在于结合实际生产过程，将环境参数（比如水分含量值，是否缺水，实际温度值，是否正常）转成播音系统的输入流，由广播系统分析处理后，形成预警语音进行播放。

1.5 物联网总控平台

平台集合农业物联网生产管控、视频采集、环境信息采集、智能广播、农产品追溯等功能于一体，满足部队农场生产管理要求，如图7、8所示。

图7 种植系统生产管控软件界面

图8 园区视频监控与电子商务平台软件系统界面

2 物联网技术在名贵中药材种植方面的应用

铁皮石斛是名贵中草药，生长条件极为苛刻，人工培育技术难度大，对自动化要求比较高；因此，本系统结合浙江枫禾生物工程有限公司铁皮石斛生产基地开展物联网技术应用研究工作，主要在组培室实现育苗过程的信息化监测与自动化环境调控，在生产过程中利用高密度信息获取与作物营养成分诊断技术实现设施温室内的铁皮石斛自动化环境调控与肥水供给，如图9、10所示。

图9 组培室内环境信息获取

图10 立体式生产架的信息监测与自动化调控系统

控制系统根据物联网实时获取的信息进行智能化决策，通过专家模型实现指令控制。指令由无线通信模块传输给控制柜，控制柜里面的远程终端单元会接收控制室发来的信息通过变频器和继电器做出一系列的动作来控制整个智能温室，实现温室内的通风、调光、喷淋、遮阳等自动化控制，所安装的设备如图11所示。

图11 智能化控制系统

铁皮石斛生长过程中养分监测一直是生产管理过程中的重要难题，本系统采用光谱在线作物养分检测方法，实现了在线式光谱养分监测，可同时监测铁皮石斛生长过程中的氮素、叶绿素水平，为肥水一体化自动灌溉提供科学依据，如图12所示。系统可以通过网络进行远程访问、远程控制，具体界面如图13所示。

图12 铁皮石斛生长过程的环境与养分监测设备

图13 铁皮石斛生长过程信息监测与自动控制软件系统界面

3 物联网技术在南美白对虾养殖管理中的应用

南美白对虾养殖风险较大，究其原因主要是缺乏精准监测与智能调控装备，尤其在高密度养殖的环境中，溶解氧含量不当是最容易导致对虾大面积死亡的因素，缺氧容易导致对虾窒息，富氧又容易导致水体病菌增加，容易感染病害。因此，本系统研发了水质在线监测系统与自动化调控装备，实现鱼塘水质在线监测与调控，并在杭州明朗农业开发有限公司进行应用示范。

3.1 鱼塘水质信息与环境监测设备

共挑选比较具有代表性的12个鱼塘作为示范区，每3个鱼塘安装一个信息采集设备，每个采集设备上安装有溶解氧传感器、pH值传感器、氨氮传感器、水温传感器及光照、空气温度、空气湿度传感器。每个采集设备均由太阳能供电，且每个设备均使用无线传输将信息传输到管理中心。管理中心再根据接收到的信号发布反馈控制信号，执行自动增氧、智能报警等操作。鱼塘水质与环境信息采集设备构成如图14所示。

图14 鱼塘水质与环境信息采集设备的构成

3.2 信息采集方案

每3个鱼塘安装一个水质信息与环境监测设备，每个设备均通过无线通信方式与监控中心通信，不仅具备信息采集和无线发送功能，而且具有无线自组网功能。采集设备在安装好后可以自行进行智能组网，以最低功耗和最高效率将信息传输到监控中心。

3.3 鱼塘自动增氧与换水的智能控制方案

南美白对虾养殖过程中，养殖户所承担的最大风险是鱼塘溶解氧问题。成年或快成年的南美白对虾耗氧量大，如不及时增氧则可能造成短时间内整个鱼塘的虾全部因缺氧死亡，养殖户经济损失巨大。监控中心主要把实时接收到的鱼塘物联网信息作为控制依据，把养殖经验数据作为控制参数，通过无线通信发送控制指令给控制器。控制器根据控制指令执行自动增氧与自动排水、给水操作，实现自动增氧与自动换水功能。其原理如图15所示。

图15 物联网鱼塘自动增氧与自动换水控制示意图

3.4 养殖园区可视化实施方案

水产养殖园区的可视化对园区管理提供了非常便利的管理模式。本项目可视化设计方案为：利用3个枪型摄像机监测园区特定视角位置，利用一个球机（360°旋转、27倍变焦）作为园区全景监控设备。球机可以手动控制旋转和放大变焦，也可以自动运行，自动全景360°扫描。具体方案如图16所示。

图16 养殖园区可视化方案示意图

3.5 系统应用示范

将上述技术与装备应用于杭州明朗农业开发有限公司养殖基地，实现在线、离线的自动化信息监测与自动控制，如图17所示。

图17 水产养殖信息监测与智能化调控系统实景图

4 物联网技术在畜牧养殖中的应用

本项目主要针对环境二氧化碳、氨气、硫化氢、空气温湿度、光照强度、气压、噪声、粉尘等与生猪生长有关的环境因子采集数据，通过光纤传输到农业物联网生产管控平台，进行数据的存储、分析比对系统设定的数据阀值，通过光纤通讯方式将控制命令传输反馈到每个连栋大棚农业物联网温室智能控制柜，自动控制喷淋装置、风机设备，使环境保持在适宜生猪生长的条件下。

本系统结合阜宁县生猪养殖基地实现物联网福利养殖进行环境信息监测与自动调控。根据养殖户实际应用需求，温室信息采集器采集5种环境参数：空气温湿度、二氧化碳浓度、气压、有害气体、光照强度。二氧化碳、氨气、硫化氢、粉尘等气体的增加会导致生猪发生疫情；空气温湿度、光照强度、气压影响着生猪生长的质量；密度、温湿度、通风换气则影响着生猪生长繁殖的速度。当此类环境因素超标时，自动报警系统则会短信通知用户，用户可自行采取应对措施。

农业物联网智能控制器通过光纤通讯方式传输环境信息，并采用市电供电模式，经过接力传输后最终汇聚到园区畜禽养殖管理办公室的农业物联网平台服务器中，并通过农业物联网生产管控平台实时显示环境信息。本系统可实现对猪舍采集信息的存储、分析、管理，提供阈值设置、智能分析、检索、报警、权限管理等功能，配置驱动养殖舍控制系统。当用户在养殖过程中遇到不能解决的问题时，还可以将信息或者图片传输到农业智能专家系统，生猪养殖领域的专家会为用户解答疑难；用户还可手动生成饲养知识数据库，当同类问题重复出现时，便能及时查看解决方法。猪舍信息监测与智能调控软件界面如图18所示。

图18 猪舍信息监测与智能调控软件系统界面

视频系统是利用大棚安装的高清数字摄像机，通过光纤网络传输方式对连栋大棚内生猪生长状况、设备运行状态、园区生产管理场景实现全方位视频采集和监控；园区管理者可以应用农业物联网生产管控平台，根据系统显示的畜禽生长情况、大棚内环境信息，远程对养猪场大棚设施及饲料喂养装置进行自动化控制，同时可远程对农场生产进行指导管理。系统整体应用情况如图19所示。

图19 物联网猪舍信息获取与智能化调控应用实况

通过物联网信息获取装备实时获取生猪环境信息，结合通风、补光、调温装备实现生猪最佳适应环境的智能化调控，并结合可视化监控技术实现生猪生长过程的远程可视化监测与在线诊断，对提高科学养猪水平、提高效率、节省劳力、保障品质有重大意义。

作者信息：1教授、博导；2副研究员、硕导：浙江大学生物系统工程与食品科学学院，310058，杭州

*本研究得到十二五国家支撑计划项目（2014BAD10B02）资助