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农业物联网简介 2014-04-09
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农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络, 通过各种传感器采集信息, 以帮助农民及时发现问题, 并且准确地确定发生问题的位置, 这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式,从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

背景

随着世界各国政府对物联网行业的的政策倾斜和企业的大力支持和投入,物联网产业被急速的催生,根据国内外的数据显示,物联网从1999年至今进行了极大的发展渗透进每一个行业领域。可以预见到的是越来越的的行业领域以及技术、应用会和物联网产生交叉,向物联方向转变优化已经成为了时代的发展方向,物联网的发展,科技融合的加快。
农业物联网:物联网被世界公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。他是以感知为前提,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在这背后,则是在物体上植入各种微型芯片,用这些传感器获取物理世界的各种信息,再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递,从而实现对世界的感知。
    传统农业,浇水、施肥、打药,农民全凭经验、靠感觉。如今,设施农业生产基地,看到的却是另一番景象:瓜果蔬菜该不该浇水?施肥、打药,怎样保持精确的浓度?温度、湿度、光照、二氧化碳浓度,如何实行按需供给?一系列作物在不同生长周期曾被“模糊”处理的问题,都有信息化智能监控系统实时定量“精确”把关,农民只需按个开关,做个选择,或是完全听“指令”,就能种好菜、养好花。

定义

农业物联网,即在大棚控制系统中,运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、CO2传感器等设备,检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数,通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件,可以为温室精准调控提供科学依据,达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

原理

在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

步骤

(1)对物体属性进行标识,属性包括静态和动态的属性,静态属性可以直接存储在标签中,动态属性需要先由传感器实时探测;
(2)需要识别设备完成对物体属性的读取,并将信息转换为适合网络传输的数据格式;
(3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心(处理中心可能是分布式的,如家里的电脑或者手机,也可能是集中式的,如中国移动的IDC),由处理中心完成物体通信的相关计算。

物联应用

实时监测功能
通过传感设备实时采集温室(大棚)内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据;将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台,服务服管理平台对数据进行分析处理。
远程控制功能
针对条件较好的大棚,安装有电动卷帘,排风机,电动灌溉系统等机电设备,可实现远程控制功能。农户可通过手机或电脑登录系统,控制温室内的水阀、排风机、卷帘机的开关;也可设定好控制逻辑,系统会根据内外情况自动开启或关闭卷帘机、水阀、风机等大棚机电设备。
查询功能
农户使用手机或电脑登录系统后,可以实时查询温室(大棚)内的各项环境参数、历史温湿度曲线、历史机电设备操作记录、历史照片等信息; 登录系统后,还可以查询当地的农业政策、市场行情、供求信息、专家通告等,实现有针对性的综合信息服务。
警告功能
警告功能需预先设定适合条件的上限值和下限值,设定值可根据农作物种类、生长周期和季节的变化进行修改。 当某个数据超出限值时,系统立即将警告信息发送给相应的农户,提示农户及时采取措施。

农业物联网区域试验工程工作方案

为贯彻落实党的十八大精神,切实促进工业化、信息化、城镇化和农业现代化同步发展,充分利用现代信息技术改造传统农业,不断提高农业资源利用率和劳动生产率,推动农业发展向集约型、规模化转变,提升农业现代化水平。农业部决定启动农业物联网区域试验工程(下称区试工程),选择有一定工作基础的天津、上海、安徽三省市率先开展试点试验工作。为确保区试工程顺利进行,制定如下方案。
  一、实施农业物联网区域试验工程具有重要意义
当前,我国农业现代化进程明显加快,但也面临着资源、环境与市场的多重约束,保障粮食安全、食品安全、生态安全的压力依然存在,确保农民稳定增收的任务越来越重。实施区试工程,对于探索农业物联网理论研究、系统集成、重点领域、发展模式及推进路径,提高农业物联网理论及应用水平,促进农业生产方式转变、农民增收有重要意义。
  (一)实施区试工程,有利于把握物联网等信息技术的特点及在农业领域的应用规律,探索形成农业物联网发展模式。信息技术是新生事物,是多学科技术的集成,兼具系统性和整体性。农业是个古老产业,兼具地域性、季节性和多样性,这就决定了信息技术改造传统农业的复杂性和艰巨性。实施区试工程,研究物联网技术在不同产品、不同领域的集成、组装模式和技术实现路径,逐步构建农业物联网应用模式,促进农业物联网基础理论研究、适用技术和产品研发,探索构建国家农业物联网标准框架体系及相关公共服务平台,将为推动农业物联网产业大发展奠定坚实基础。
  (二)实施区试工程,有利于积累农业物联网应用经验,促进农业物联网科学发展。目前,我国农业物联网应用尚处于尝试性起步阶段,整体应用水平和建设规模明显落后于电力、医疗、环保等其它行业。各地农业物联网应用示范基本呈各自为战、散兵游勇式发展,点多面广,严重缺乏顶层设计,为示范而示范的现象较普遍,重复投入问题较突出,可持续发展商业模式较少。实施区试工程,有利于逐步理清发展思路、明确发展方向和重点,为全面、整体、系统推进农业物联网积累经验。
  (三)实施区试工程,有利于调动地方农业部门积极性,整合各方力量共同推进农业物联网应用。虽然一些地方农业部门发展农业物联网的积极性较高,但由于缺乏稳定投入,系统推动的后劲明显不足,一定程度上影响了农业物联网效果发挥和长远发展。实施区试工程,不仅有利于调动地方农业部门积极性,更重要的是通过政府工程项目的示范、引导和带动,能够促进社会各方资源整合、形成合力,共同推进农业物联网发展。
  二、目标和重点任务
  
 (一)工程目标。开展农业物联网应用理论研究,探索农业物联网应用主攻方向、重点领域、发展模式及推进路径;开展农业物联网技术研发与系统集成,构建农业物联网应用技术、标准、政策体系;构建农业物联网公共服务平台;建立中央与地方、政府与市场、产学研和多部门协同推进的创新机制和可持续发展的商业模式;适时开展成功经验模式的推广应用。
  (二)总体思路。按照“统一规划、系统设计、领域侧重、统分结合、整体推进、跨越发展”的总体思路组织实施。遵从“先集中规划后分区试验,先集中建平台后组装集成,先试点试验、积累经验后推广应用”的指导思想分步推进实施。在系统规划设计的同时,支持天津、上海和安徽根据各自经济、社会及农业发展水平和产业特点,分别以设施农业与水产养殖、农产品质量安全全程监控和农业电子商务推进、大田粮食作物生产监测为重点领域开展试验示范,力图探索形成农业物联网可看、可用、可持续的推广应用模式,逐步构建农业物联网理论体系、技术体系、应用体系、标准体系、组织体系、制度体系和政策体系,并在全国范围内分区分阶段推广应用。
  (三)重点任务
  一是研究和部署农业物联网公共服务平台。面向农业物联网重大行业应用,重点突破多源信息融合、海量信息分布式管理、智能信息服务等关键技术,构建农业物联网公共服务平台,开展面向农业资源规划与管理、生产过程精准管理、农产品质量安全溯源等领域的共性的服务。
  二是研究和制定一批农业物联网应用行业标准。联合产学研用单位,研究和编制农业领域条形码(一维码、二维码)、电子标签(RFID)等的使用规范,制修订一批农业物联网传感器及传感节点、数据采集、应用软件接口、服务对象注册以及面向大田、设施农业、农产品质量安全监管应用等方面标准。
  三是中试和熟化一批农业物联网关键技术和装备。围绕区域主导产业,重点中试和熟化动植物环境(土壤、水、大气)、生命信息(生长、发育、营养、病变、胁迫等)传感器,研制成熟度、营养组分、形态、有害物残留、产品包装标识等传感器,开展农业物联网技术和装备的系统引进和自主研发,加强动植物生长过程数字化监测手段、模型研究,突破农业物联网的核心技术和关键技术。
  四是形成一批可推广的技术应用模式。针对设施农业与水产养殖、农产品质量安全、农业电子商务、大田粮食作物生产等的监测监控,分别研发系列专用传感、传输、控制等设备,开发相应的软件和管理信息系统,从而构建全程技术体系及可持续发展机制。
  五是培育农业物联网产业。按照引进消化吸收再创新的思路,围绕农业物联网的感知识别、数据传输、数据处理、智能控制和信息服务等环节,积极引导和推进农业物联网设备制造、软件开发及相关服务,培育一批农业物联网产业化研究基地、中试基地和生产基地,促进农业物联网新兴产业发展。
  六是强化政策措施研究。总结区试工程经验,研究提出促进农业物联网应用推广的政策建议,积极推动相关政策措施出台,营造农业物联网发展的良好环境。
  三、试验布局
  
围绕天津、上海和安徽农业特色产业和重点领域,统筹考虑行业及产业链布局,逐步实现物联网技术在农业全产业链的渗透和试点省市的整体推进。
  (一)天津设施农业与水产养殖物联网试验区
  天津毗邻北京,经济和交通条件好,区位优势明显。设施农业发达,目前拥有高标准设施农业面积60万亩,水产养殖面积62万亩,规模化水产养殖小区55个,蔬菜和水产品自给率高。试验重点是在现代农业示范基地、龙头企业、农民专业合作社和水产养殖小区等开展设施农业与水产养殖物联网技术应用示范,探索不同种类农产品、不同类型农业生产经营主体农业物联网应用模式;开展农产品批发市场物流信息化管理,探索利用信息技术构建新型农产品流通格局,有效减少交易环节,提高交易效率。
  一是设施农业与水产养殖环境信息采集技术产品集成应用。选择现代农业示范基地、龙头企业、农民专业合作社和水产养殖小区,探索不同种类农产品、不同类型农业生产经营主体农业物联网技术应用模式及可持续商业模式。
  二是设施农业生命信息感知技术引进与创新。积极引进消化吸收国外先进的作物生命信息感知技术和设备,实现农作物径流、叶面温度、蒸腾量等作物关键生理生态信息在线获取,实现即时灌溉决策与在线营养诊断。
  三是设施蔬菜病虫害和水产病害特征信息提取与预警防控。融合设施环境、视频、动植物生命感知信息,引进创新设施农业病虫害和水产主要病害特征信息提取技术,实现设施农业主要作物的重点病虫害和水产主要病害信息实时提取与预警、事前防治与控制。
  四是探索设施农业物联网应用平台与服务模式。集成现有农业信息服务系统,构建设施农业物联网集成应用服务平台,面向农业主管部门、生产基地、农民专业合作社、基层农技人员、农户等提供多渠道、内容丰富的设施农业与水产养殖物联网应用服务;总结形成可持续、可推广的设施农业与水产养殖物联网应用服务模式。
  五是农产品交易流通平台。以天津韩家墅海吉星农产品批发市场为主体,综合利用物联网等现代信息技术,开展农产品质量追溯,实现物流、配送、仓储高效管理,并依托深圳农产品股份有限公司分布在全国的26个农产品批发市场,探索构建“产地装车、销地卸车、网上交易撮合、单品种全国互联互通”的新型农产品流通格局。
  (二)上海农产品质量安全监管试验区
  上海是国际化大都市,农产品主要依靠外阜输入,保证农产品质量安全是一项重大民生工程,探索应用物联网技术开展农产品质量安全监管试验,对确保大中城市食品安全具有普遍意义。试验重点是农产品(水稻、绿叶菜、动物及动物产品)生产加工、冷链物流和市场销售等环节的物联网技术应用,借助无线射频识别技术和条码技术,搭建农产品监管公共服务平台,实现对农产品生产、流通等环节全过程智能化监控,有效追溯农产品生产、运输、储存、消费全过程信息。
  一是建设农产品安全生产管理物联网系统。集成无线传感器网络,研究生产环境信息实时在线采集技术,研究生产履历信息现场快速采集技术,开发农产品安全生产管理物联网系统,实现产前提示、产中预警和产后反馈。
  二是建设农业投入品监管物联网系统。在农业生产环节,建立水稻、绿叶菜等农产品田间操作电子化档案,对农业投入品进行规范管理,做到来源清楚,领用清晰,用量明确。
  三是农产品冷链物流物联网技术引进与创新。引进、消化国外农业物联网先进技术,在消化吸收相关技术基础上,研制集多种传感器、车辆定位、无线传输于一体的冷链物流过程监测设备,力争在稳定性、可靠性、低成本和低能耗方面有进展。开发农产品冷链物流过程监测与预警系统,实现基于物流过程的实时化监测与智能化决策。
  四是农产品全程质量安全监管物联网应用平台构建与服务模式创新。构建农产品质量安全监管综合数据库,开发农产品质量安全监管物联网应用平台,提供从农田到餐桌为主线的物联网综合应用服务,实现以追溯为核心的多方式溯源服务。培育农业物联网应用示范基地、示范企业与工程技术研究中心。积极探索商业化服务模式。
  五是农产品电子商务平台应用示范。以农产品电子商务平台建设为突破口,重点支持农产品电子商务与农产品追溯系统的深度融合,加快建设和推广从农产品生产至终端销售全程追溯的应用系统,搭建农产品产销服务信息平台。
  (三)安徽大田生产物联网试验区
  安徽是典型的农业大省,对保障国家粮食安全具有重要意义。试验以大田作物“四情”(苗情、墒情、病虫情、灾情)监测服务为重点,通过远程视频监控与先进感知相结合的农情数据信息实时采集、高效低成本信息传输和计算机智能决策技术的集成应用,实现大田作物全生育期动态监测预警和生产调度。
  一是建设大田作物农情监测系统。基于传感网数据采集,集成开发大田作物农情监测系统,实现对农田生态环境和作物苗情、墒情、病虫情以及灾情的动态高精度监测。
  二是建立基于感知数据的大田生产智能决策系统。基于信息采集点感知数据,集成农业生产管理知识模型,开发大田生产智能决策系统,实现科学施肥、节水灌溉、病虫害预警防治等生产措施的智能化管理。
  三是建立基于物联网的农机作业质量监控与调度指挥系统。在粮食主产区,基于无线传感、定位导航与地理信息技术,开发农机作业质量监控终端与调度指挥系统,实现农机资源管理、田间作业质量监控和跨区调度指挥。
  四是构建集成于12316平台的大田生产信息综合服务平台。以12316平台为基础,集成现有信息资源和各类专业服务系统,构建大田生产信息综合服务平台,为农情监测、生产决策、农产品质量安全管理、农机调度、市场监测预警等农业生产经营活动提供全方位的信息服务。
  五是大田生产物联网技术应用示范区建设。在小麦、水稻等主产县(市、区)建设大田生产物联网技术应用示范区,开展“四情”监测预警、农业生产管理、农机作业调度等物联网技术应用示范,探索物联网在大田作物生产上的技术应用模式和机制。
  六是探索农业物联网应用模式。在设施蔬菜、畜牧、渔业、茶叶、水果等产业,依托国家级、省级现代农业示范区、龙头企业,省级农民专业合作社示范社和规模种养殖场开展农业物联网应用试点,探索适合不同种类农产品、不同类型农业生产经营主体的农业物联网应用模式。
  四、条件保障
  

  (一)加强组织领导。为有序、高效推进区试工程任务,必须建立强有力的组织保障。区试工作由农业部农业信息化领导小组统一领导,组建区试工程技术专家组,由国家有关科研、教育系统的专家参与,负责研究制定区试工程总体技术解决方案,指导区试工程建设,研究和突破关键技术,制定农业物联网相关标准等。试点省市要成立以分管省市领导为组长、农业部门主要负责同志为副组长、涉农部门为成员的领导小组及技术专家组,负责推进本省区试工程。
  (二)明确工作分工。农业部负责组织制定区试工程总体实施方案,统筹推进区试工程,组织专家开展农业物联网应用理论、标准规范、共性技术和设备研究与熟化工作,构建农业物联网公共服务平台,开展应用模式及经验推广;试点省市领导小组及农业主管部门负责制定本地区实施方案、落实配套经费、推进区试工程及技术成果的示范与推广、加强资金监管及提高补助资金使用效益等工作。
  (三)确保稳定投入。要按区试总体方案安排,建立稳定的投入机制,以确保区试工程整体、稳步推进。农业部负责监督中央补助资金使用。试点省市要按不少于1:1的比例落实配套资金,并制定相应资金管理办法;注重积极引导有关IT企业和有实力的农业生产经营主体投资参与区试工程,逐步形成多元化投资格局。注重商业模式的培育,探索可持续发展机制。[1]

案例

案例一
在北京大兴精准农业示范区,处处体验到物联网“感知”精准农业技术。采育镇鲜切花生产基地中控室,温室环境监控大屏挂在墙上。数字频闪的表格中,59栋温室内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度一目了然。
突然,A1棚湿度显示由绿变红:85%!技术员立刻开启一旁的网络视频语音监控系统,点击“一排温室”发令:“湿度大了,请开风口和天窗!”
视频画面上,一名农民操作员立即行动起来。
10分钟后,系统传来语音回复:“全部打开。”大屏幕上,红色数字随即下滑,很快恢复成绿色:70%。
“这些实时监控的环境指标可以自动报警,绿色表示正常,红色即为报警。”市农科院农业信息技术研究中心陈立平博士介绍,这套温室环境监测与智能控制系统,通过室内传感器“捕捉”各项数据,经数据采集控制器汇总、中控室电脑分析处理,结果即时显示在屏幕上。管理人员通过另一项技术——视频语音监控系统随时指挥。基地经理李春贵务农20多年,算是一把好手,现在却全听“系统”指挥。他说:“以前都凭感觉,觉得温室冷了就加温,觉得暗了就补光。智能监控下的科学数据,大伙都服!”
采育镇鲜切花生产基地这样,大兴已在5个镇、6个村示范推广精准农业技术,智能温室娃娃、室外气象自动监测、负水头精准灌溉、液肥精准施用、静电精准喷药……16项信息化专利技术,实时定量监控农作物在不同生长周期所需的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等,调节水肥药的投入,帮助农民实现更高层次的精耕细作。
案例二

  农业物联网温室大棚[2]
为提高种植效率,苍山县在现代农业示范园引进了浙江托普农业物联网技术,在其所建设的蔬菜大棚中全部安装农业物联网监测设备,通过农业“物联网”技术实时监测大棚蔬菜温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等生长环境,根据产生的智能监测信息对蔬菜进行精确管理,通过无线传感器对温室环境进行自动和手动调节,温度高了自动开启风机等设备进行降温,通过土壤湿度传感器对灌溉自动控制,达到该浇水的时候浇水,该施肥的时候施肥,完全实现自动化,促进有机高效农业发展。
装上一个小小的无线传感器,大棚里的蔬菜就会说话、有感觉、有思想了,大棚里的温度高了它会警告你,土壤里的湿度低了它会通知你,更准确地告诉你它的需求。
“使用物联网以后,我们马上就能和大棚里的蔬菜‘对话’了。”走进大棚内,农技师说,“蔬菜它需要什么温度?什么时候要浇水?什么时候要施肥?浇多少水?施多少肥?你并不完全知道,或是只知道个大概。但是装上一个小小的传感器,它就会说话、有感觉、有思想了,大棚里的温度高了它会警告你,土壤里的湿度低了它会通知你,更准确地告诉你它的需求,使大棚内植物所需要的生长环境永远保持在最佳状态。”
农技师对于“物联网”多少知道一些。还指着棚里靠近中间位置架起了一副“天线”,上面挂着几个小盒子,说“这就是传感器,分别采集环境温度、湿度、土壤温度、水分、光照以及二氧化碳浓度,每隔5分钟采集一次数据,通过智能传感器与嵌入3G模块的无线物联网网关,发送到上位机系统。”呵呵,农技师知道的还是蛮具体的。

  农业物联网控制系统
农技师现在只要坐在办公室里,笔记本或者电脑的页面停留在几片蔬菜叶子上,用鼠标一点点拉近,可以很清晰地看到叶片上趴着几只小蚜虫。这样农技师通过物联网的远程监控系统发现了“敌情”,可以立即给棚里的农业工人提了个醒。早点做防护措施。
虽然物联网对于农业发展所带来的好处显而易见,但在使用上还未形成刚性需求。作为一个新兴事物,农业物联网正处在边试验边示范的阶段,有着广阔的应用前景。对于传统农业来说,物联网的成本过高,在没有见到效益之前,让农民提前投资难度较大。所以对于这一新事物,很多农民,甚至一些农业干部、政府部门还需要一个接受的过程,迫切需要转变观念。在加大政府扶持、建立补贴制度的同时,应尽快建立适应农业发展需求的商业模式,由市场引导、向市场要钱,是推动物联网发展的有效方法。

解决方案

方案介绍
农业远程诊断系统前端设备支持多种传感器接口,同时支持音频、视频功能,可以有效的为农业专家提供第一手的现场专业数据;此外,农业专家还可以通过PC终端登录农业诊断系统,实现远程控制灌溉等操作,解决了农业专家极为缺乏的现状,为实现农业现代化起到了重要作用。
该方案具有优良的特色,具体如下:
支持H.264 编码,能实现窄带宽下流畅视频传输,具有超低码率,带宽自适应功能。其单卡传输CIF 图像在2.5G网络环境下,最高可达8 帧/秒;双卡传输CIF 图像最高可达15 帧/秒;在3G网络环境下,可达15帧/秒。
前端设备是传感器接口、视频采集和无线传输为一体的智能采集终端,采用便携式设计,自带电源,一次充电可使用2-4个小时;支持可变倍摄像机,可调节摄像机,满足对诊断植物推近观察的需要。
后端软件平台支持灵活的管理和调度功能,满足一位专家对多个前端的农业咨询支持需要,支持农业专家远程双向语音对讲功能。
支持分级用户权限管理,采用数据流加密技术,保证网络通信安全。
支持多种PTZ 协议,协议可扩展,工业标准的控制I/O。[2]

未来

物联网不是科技狂想,而是又一场科技革命。
物联网使物品和服务功能都发生了质的飞跃,这些新的功能将给使用者带来进一步的效率、便利和安全,由此形成基于这些功能的新兴产业。 物联网需要信息高速公路的建立,移动互联网的高速发展以及固话宽带的普及是物联网海量信息传输交互的基础。依靠网络技术,物联网将生产要素和供应链进行深度重组,成为信息化带动工业化的现实载体。据业内人士估计,中国物联网产业链今年就能创造1000亿元左右的产值,它已经成为后3G时代最大的市场兴奋点。


自动气象站土壤墒情自动监测站土壤墒情速测仪库房温湿度监测系统风向传感器风速传感器空气温湿度传感器土壤温湿度传感器大气压力传感器照度传感器
 
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