物联网智能农业研究

基于物联网的智能农业系统应用

1 研究的背景和意义

1.1 传统农业面临的问题

我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%。随着经济的飞速发展,人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾却越来越突出。特别是我国加入世贸组织后,国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国,这对我国的农产品市场构成极大威胁。因此,如何提高我国农产品的质量和生产效率,如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理,是一个既前沿又当务之急的科研课题。而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益与环境污染令人惊叹。

传统农业生产的物质技术手段落后，主要是依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。在现实中主要存在的问题是：

(1)农业科技含量、装备水平相对滞后，

(2)农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农民群众饮水安全受到影响。

(3)农业产出少、农民收入低

(4)农产品的品种少

依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技术维持着简单再生

产，农业生产率低下，农业的产量增长缓慢，农业得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。于是，传统农业的自身发展陷入恶性循环之中。传统农业在向现代农业发展过程中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。因此,关于智能农业技术的研究，显得非常必要与重要。

1.2 精确农业发展现状

精确农业(Precision Agriculture ) 是当今世界农业发展的新潮流，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，其基本涵义是根据作物

生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土

壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行

定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，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。

精确农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能

化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训

系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说

是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精确农业并不过

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。

精确农业主要内涵包括精确土壤测试技术、精确种子工程、精确平衡施肥技术、精确播种、精确灌溉技术、作物动态监测技术、精确收获等。

与传统农业相比，精确农业主要有以下特点：

1 合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染

精确农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。

2 减少和节约水资源

目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40%左右，精确农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。

3 节本增效，省工省时，优质高产

精确农业采用精确播种，精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来，使农业低耗、优质、高效成为现实。在

一般情况下，精确播种比传统播种增产18%～30%，省工2～3个小时。

4 使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量

精确农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施。

与有线数据传输智能农业相比，基于无线传感网的精确农业物联网系统具有以下优点：

1 对于移动测量或距离很远的野外测量,采用无线方式可以很好的实现并节省大量的费用。目前的无线网络可以把分布在数千米范围内不同位置的通信设备连在一起,实现相互通信和网络资源共享。

2 无线传输技术较不易受到地域和人为因素的影响。无线传输中广域网的远程传输主要依靠大型基站及卫星通信,抗干扰能力强,稳定性比有线通信更强。虽然在恶劣气候和极特殊地貌中传输能力可能降低,但属于极少数个例。

3 无线通信的接入方式灵活。在无线信号覆盖的范围内,可以使用不同种类的通信设备进行无缝接入,例如手持掌上电脑PDA、无线终端设备、车载终端设备、手机、无线上网笔记本、远端服务器等。

精确农业国内外发展现状：

精确农业在国外发达国家发展十分迅速，其应用已涉及到施肥、播种、耕作、水分管理等相关领域。精确农业已逐渐为各农场经营者

了解和熟悉。

欧洲的一项调查表明：欧洲大约2/5的农场主知道精确农业技术。发达国家在大型拖拉机上配置GPS进行耕作已较普遍，如英国夏托斯农场在联合收割机上装的 GPS和产量测定仪，每隔1.2秒，GPS测量记录一次。这样，在收割完成的同时，就可以产生当季准确的产量分布图一在施肥方面，明尼苏达的扎卡比林甜菜农场采用精确施肥技术减少了N肥用量，肥料投入每平均减少15.5美元，收益平均每tml2增加358.3美元。在以色列用水管理已实现高度的自动化，全国已全部实施节水灌溉技术，其中25％为喷灌，75％为微灌(滴灌和微喷灌)。所有的灌溉都由计算机控制，实现了，因时、因作物、因地用水和用肥自动控制。1989年，以色列水分利用率为每产粮食2．3kg，与技术使用前1949年相比，平均提高了，到2000年，计划提高到。荷兰的蔬菜温室生产的自动化水平堪称世界一流，温室的光照、需水量、需氧量等均由计算机自动控制定时定量供给。其所需数据均来自现场的测试车，平均每20栋温室即备有一辆测试车，24h进行循环流动作业，每2h就能将植株体内营养液的含量以及植株根部酶的活性测定一次，劳动生产率及专业化水平非常高，平均每个劳动力可管理温室的蔬菜生产，产量却比传统农业提高8～10倍。

我国在精确农业的应用研究方面取得了不少研究成果，但在整体水平上，特别是实用上与发达国家差距很大，主要存在以下几个方面的问题：

一是人才培养滞后。一般农学专家懂计算机技术的人并不多，而