精细农业

目录

一、研究背景及意义 (2)

1、精细农业概述 (2)

2、推行精准灌溉的意义 (2)

3、无线传感器网络概述 (3)

4、无线传感网络在农业上的应用 (4)

二、国内外研究现状 (5)

1、国外现状 (5)

2、国内现状 (5)

三、整体方案设计 (6)

四、技术路线 (7)

1、喷灌装置 (7)

2、土壤墒情采集 (8)

3、无线传感器网络平台 (9)

五、结语 (9)

六、参考文献 (9)

基于无线传感器网络的精细农业灌溉技术

一、研究背景及意义

1、精细农业概述

精细农业是一种现代化的农业理念，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。精细农业并不过分强调高产，而主要强调效益，它将农业带入数字和信息时代，是21 世纪农业的重要发展方向。

精细农业技术系统以大田耕作为基础，定位到每一寸土地，它从耕地，播种，灌溉，施肥，中耕，田间管理，植物保护，产量预测到收获、存储、管理的全过程实现数字化，网络化和智能化。应用遥感，遥测，遥控等先进技术，以实现农业生产的信息驱动，科学经营，知识管理，合理作业，使每一寸土地都得到最优化使用，形成一个包括对农作物，土地和土壤从宏观到微观的监测预测，农作物生产发育状况以及环境要素的现状和动态分析在内的信息农业技术系统。精细农业在美国等发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，已被广泛承认是可持续发展农业的重要途径，并无疑是21 世纪领先的农业生产技术。

2、推行精准灌溉的意义

目前仍在采用的农田管理中，都认为是均一的，采用统一的施肥时间、施肥量。实际存在的差别、空间变异使得目前这种按均一进行田间作业的方式有两种弊害：第一，浪费资源，为了使贫瘠缺肥的地也能获得高收成，就把施肥量设定得比较高，那么本来就比较肥沃的地就浪费了；第二，这些过量施用的农药、肥料会流入地表水和地下水，引起环境污染。在这种情况下提出精细农业，根据田间变异来确定最合适的管理决策，目标是在降低消耗、保护环境的前提下，获得最佳的收成。精细农业本身是一种可持续发展的理念，是一种管理方式。

实施精准灌溉是推行精细农业的重要环节。从控制工程的角度来讲，精准灌溉表示在土壤、气

候、作物、水源和灌溉设施等约束条件下，通过对灌溉方式、时机、速度、水量等实施精准控制，使农田水势保持在适宜作物生长的最佳状态，即农田水势的最优化控制。

我国农业用水量约占总用水量的80％左右，但水的利用系数即利用率却普遍低下。就全国范围而言，农业灌溉水的利用系数平均为0.45。换句话说，我国农业用水的55％浪费掉了，水资源严重短缺以及水资源利用率偏低严重制约着我国经济的可持续发展。加上全国90％的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放的水污染，11%的河流水质低于农田供水标准。水是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源，因此实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，是我国目前发展精细农业的关键。精准灌溉不仅可以大大提高水的利用率80%～90%，提高水对农业的增产率20%～40%，而且还可以提高水分的生产率。以科学配水、科学用水、科学节水、兴利避害为核心的精准灌溉，是解决我国农业用水的有效途径。精准灌溉最大的目的和特征就是，以最精省的水资源投入去换取农作物的最优最高产出。

3、无线传感器网络概述

能够在人、物和事件之间实现无缝连接一直是计算机业界发展的目标，这个目标看起来似乎遥不可及，但现在这种局面已经有所改变。由于在传感器、计算和通信技术领域取得的快速进步，互连世界已不再仅限于互联网的广泛使用，一些全新的应用将把强大的计算能力和无线通信能力带入我们的日常生活。早在上世纪70 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。2003 年，美国《技术评论》提出无线传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。同年，美国《商业周刊》评价无线传感器网络是人类未来四大高新技术产业之一。著名的《福布斯》杂志评论说：“未来的传感器网络将比现有的Internet 大得多。”

我国无线传感网在研究、应用及标准化等方面与国际先进水平基本同步。传感器网络已经成为我国信息领域少数位于世界前列的方向之一。我国传感器网络研究没有盲目地跟从国外发展路线，而是形成了以应用为牵引的研究特色。以中科院为代表的我国传感网的研究，面向国家重大战略和应用需求，开展了无线传感网基础前沿、关键技术、应用开发、系统集成和测试评估技术等方面的研究。中科院上海微系统与信息技术研究所经过近十年的努力，在无线智能传感器网络通信技术、

微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面均取得了重大进展。目前，无线传感器网络处于研究阶段，正朝着实际应用的方向发展，因此，抓住这个时机，积极地研究无线传感器网络及其相关技术和应用模式是十分必要和迫切的。

4、无线传感网络在农业上的应用

在传统农业中，人们获取农田信息的方式很有限。主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力。农田灌区中数据采集量很大,利用网络可以比较方便地实现大量数据的远距离传输,但如果在农田灌区中铺设有线网络,一方面不便于农田的耕作,另一方面成本也较高。而使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。通过离子、生物传感器可以获知农田中的土壤养分，包括土壤有机质、PH 值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的监测，然后通过节点定位技术或在中心节点安装GPS 芯片可以确定缺少养分的区域，从而实现精确的施肥灌溉。近几年发展起来的无线传感网络由于应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远,已经在很多领域得到了应用。通过无线传感器网络可轻易采集气温、湿度、光强等农田作物环境信息，而且随着压缩算法的改进，还可以通过图像传感器实时传输相关图像，结合机器视觉技术,再由专家系统对作物和作物环境进行诊断，并反馈给农民适当的信息。此外，通过对作物信息和作物环境信息建立数据仓库，建立产量与周围环境变量的模型，可以预测以后的作物收成。

Digital Sun 公司开发了无线传感器网络自动洒水系统，传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。澳大利亚的CSRIO ICT Center 将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况(脉搏、血压等)和外界环境进行监测，避免了有线线路对动物生活的干扰，研制成完善的草地放牧与动物模型。

对无线温度传感器节点的硬件结构和软件进行设计，用来监测粮食储备库温度的变化，具有精确度高、稳定、使用方便的特点。利用无线传感网络传送农作物需水信息，使得灌区信息能够实时传输，根据农田灌区的具体情况，结合无线传感网络的特点，设计一个切实可行的灌区无线传感网络系统，系统用于解决网络结构、节点定位、路由和能量监控等问题。通过应用PTR8000 无线收发模块,配合VB 和Flash 技术组成上位机系统，解决温室里因大量布线而导致安装维护困难的问题。同时能够组成简单网络，迎合了传感器的无线化、网络化的趋势，并建立了具有高度智能化、人性化操作平台的智能温室环境监视和控制系统。

近几年来，随着无线传感网络的持续深入研究，利用无线传感网实施农田精准灌溉已被证明是可行的且拥有广阔前景。