智慧农业大田种植环境监测物联网系统解决方案

智慧农业大田种植环境监测物联网系统解决方案摘要我国是农业大国，农田种植是我国传统农业中最广泛的种植方式，由于农业技术落后，农田种植中问题日益突出：过去的水渠漫灌随着水资源减少已不适用于当下的农田生产；土地营养流失，农药的大量使用，造成土壤结构发生变化；专门从事农业生产的农民数量减少，农田管理粗放，传统的耕种方式已不能满足市场需求。在传统农田生产中，由于缺乏有效的农田环境监测手段，农民无法对作物生长作出及时有效的调整，仅凭经验判断，造成成本高、效益低的状况。关键词：农业物联网，农田环境监测，农田四情监测，土壤墒情监测，水肥一体化系统，田间小气候观测AbstractChinaisalargeagriculturalcountry,agriculturalplantingisthemostwidelygrownwayoftraditionalagricultureinChina,theagriculturaltechnologybehindtheproblemoffarmlandplantingisbecomingincreasinglyprominentinthepastwiththedecreaseofwaterresourcesoffarmlandirrigationwaterproductionisnotsuitabletothepresentland;nutrientloss,heavyuseofpesticides,resultinginsoilstructurechangesthenumberoffarmersengagedinagriculturalproduction;thereductionoffarmland,extensivemanagement,traditionalfarmingmethodscannotmeetthemarketdemand.Inthetraditionalfarmlandproduction,duetothelackofeffectivemeansofmonitoringfarmlandenvironment,farmerscannotmaketimelyandeffectiveadjustmentstocropgrowth,onlybyexperiencejudgment,resultinginhighcostandlowefficiency.Keywords:AgriculturalInternetofthings,intelligentagriculture,farmlandenvironmentalmonitoring,soilmoisturemonitoring,waterandfertilizerintegrationsystem,farmlandmicroclimateobservation.第一部分：客户需求（1）系统建设的现实要求近年来，随着农业科技的发展，智慧农业概念的普及，我国农业正处于转型时期，国家对于农业的关注度日益增加，农业自动化、精细化、国际化发展已提上日程。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。如今，全国各地在农田种植中也引进了农业物联网技术。先进科学技术的引进，能够实现精准播种、合理水肥灌溉、实现农业生产低耗高效、农产品优质高产。同时，农业物联网技术的应用，有利于促进农田管理模式的改变，可以实现精准播种、合理水肥灌溉、有效控制生产环境，不仅节能降耗，保障产量质量利润，还能提前做好预算。（2）系统可实现的目标①工程目标开展农田种植环境测控应用理论研究，探索农田种植环境测控应用主攻方向、重点领域、发展模式及推进路径；开展农田种植环境系统研发与系统集成，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。②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，先试验、积累经验后推广应用”的指导思想分步推进实施。积极探索形成农业大田种植环境可看、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。第二部分：系统概述由石家庄圣启科技有限公司自主研发的智能农田种植环境监测物联网系统，针对农业大田种植分布广、监测点多、布线和供电困难等特点，以数字农田和农田远程管理为切入点，采用物联网技术、利用网络构建统一便捷的信息交互平台。（1）系统设计原理此系统采用传感器测量影响植物生长的光照强度、温湿度、土壤墒情、二氧化碳浓等环境参数，通过物联网将所测量参数传送到管理中心，实现对农作物生长环境实时监测；管理中心对测量数据进行综合分析，按照规则给出控制决策，通过物联网将控制指令下发，由现场控制器实现对各类设施的智能控制，保障农作物的生长环境，降低成本，促进增产增收。管理中心软件可根据农作物种类设置生长环境参数范围和控制决策规则，并对所有测量数据进行存储，可依据条件对历史数据进行管理和查询。（2）系统组成结构智能农田种植环境监测物联网系统，主要由下位机采集系统、上位机软件应用平台及辅助扩展部分组成。下位机信息采集系统中包含土壤墒情监测系统、水肥一体化系统、田间气候观测站、视频图像采集终端等，上位机软件部分又包含电脑显示控制、手机显示控制、LCD显示屏等，辅助扩展部分根据客户需要，可加入农田病虫害防治、农业专家在线指导、农产品质量追溯、线上交易云平台等一系列农业物联网所包含的系统设备。第三部分：农田数据信息采集系统农业大田的各参数传感器，对农田整体环境进行多点实时动态采集，显示装置实时显示农田的温湿度、光照度等数值，能够更加一目了然地展示整个大田的数据全貌。传感器是系统整个检测环节的重要组成部分，用于将农田环境因子等非电学物理量转变为控制系统可识别的电信号，为系统管理控制提供判断和处理的依据。传感器的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、漂移、精度等。常用传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2(二氧化碳)传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器以及营养液的盐分(EC)和酸度(PH)传感器等。（1）农田“四情”监测农田“四情”是指利用物联网技术，动态监测田间作物的墒情、苗情、病虫情及灾情的监测预警系统。用户可以通过电脑和手机随时随地登陆自己专属的网络客户端，可以访问田间的实时数据并进行系统管理，对每个监测点的环境、气象、病虫状况、作物生长情况等进行实时监测。结合系统预警模型，对作物实时远程监测与诊断，并获得智能化、自动化的解决方案，实现作物生长动态监测和人工远程精准管理，保证农作物在最适宜的环境条件下生长，提高农业生产力，增加农民收入。①土壤墒情监测土壤墒情自动监测主要是针对土壤水分含量进行监测，通过墒情传感器测量土壤的体积含水量。同时，可以根据用户的需求，该系统可以扩展配置土壤温度传感器、土壤电导率、土壤紧实度仪、土壤原位盐分分析仪、土壤（肥料）养分速测仪等监测所有土壤参数的设备。检测土壤温度、水分、水位是为了实现合理灌溉，杜绝水源浪费和大量灌溉导致的土壤养分流失。检测氮磷钾、溶氧、PH值信息，是为了全面检测土壤养分含量，准确指导水田合理施肥，提高产量，避免由于过量施肥导致的环境问题。②农田虫情监测自动虫情监测，是利用虫情测报灯（可视化），结合现代光、电、数控技术，实现了在无人监管的情况下，能自动完成诱虫、杀虫、收集、分装、排水等系统作业，移动无线网络，定时拍照采集接虫盒内收集的虫体图片，自动上传到远程物联网监控平台，平台每天自动记录采集数据，形成虫害数据库，可以通过数据列表和图表的形式展现，工作人员可随时远程了解虫体的情况和变化，制定防控措施。③农田苗情、灾情监测田间苗情、灾情一体化监测，是指自动监测农作物的生长发育状态、病虫害情况，对灾情进行实时视频监控（包括日间图像和夜间的红外图像）。结合气象、墒情等传感器以及虫情预报灯等，可以对田间苗情、虫情、灾情实现自动监测，使管理人员可以远程关注作物生长状况，用以提供及时高效的指挥和调度。④专家诊断系统生产人员可以将植物的病害特征以及危害植物生长的病虫害种类，以文字描述和图片的方式发送至监控平台，由专家在线解答回复，建立一个互动的平台。（2）温湿度监测通过温湿度传感器监测农田环境空气温湿度、地表温湿度、土壤温湿度等，并能对数据进行采集、分析运算、控制、存储、发送等。（3）光照度监测通过光感和光敏传感器监测记录农田光线的强度，通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端。（4）CO2、O2浓度监测在农田部署二氧化碳浓度传感器，实时监测二氧化碳的含量，当浓度超过系统设定阙值范围时，通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应调整。（5）田间小气候观测农田小气候观测站可对常规气象因子（大气温度，环境湿度，平均风速风向，瞬时风速风向，降水量，光照时数，太阳直接辐射，露点温度，土壤温度，土壤热通量，土壤水分，叶面湿度）进行直接测量，还可以测量水面蒸发，太阳光合有效辐射等多种要素。使用雨量、风速、风向、气压传感器可收集大量气象信息，当这些信息超出正常值范围，用户可及时采取防范措施，减轻自然灾害带来的损失，更好地指导农业生产。①风速、风向监测利用风速传感器和风向传感器，自动测量即时风速、风向。与传统产品相比具有精度高、量程宽、输入线电阻高、观测方便、稳定可靠等优点。通过显示屏实时显示风速、风向等级，同时具有声音报警功能，在设置运行时，窗口显示的是风速报警控制值，加、减可以设置报警值，当超过预设风速时，发出控制命令（切断设备电源，使设备停止工作）进行声光报警。②雨量监测采用雨量计可以实现降雨雨量的检测、存储、显示、报警。雨量记录计体积小巧，操作简单，承雨口采用不绣刚整体冲压而成，光洁度高，防锈能力强，外关质量佳，滞水产生的误差小。可以全程跟踪记录雨量数据，记录时间长，存储容量大，仪器可脱开计算机独立工作，软件功能强大，数据查看方便，随时可以将记录中数据导出到计算机中，并可以存储为EXCEL表格文件，生成数据曲线，以供其它分析软件进一步进行数据处理。③太阳辐射监测将接收到的太阳辐射能以最小的损失转变成其他形式能量，如热能、电能，以便进行测量。监测太阳辐射的收支数据，即有助于农业气象学和生态学研究，同时也对蒸发、植物的蒸腾，水循环研究具有及其重要参考价值。④室外控制柜观测站通过室外防雨型控制柜实现基本的参数显示，发布预警信息。柜体钢板厚度符合标准，形状大小可按需定制。由于常年经受风吹雨打，具有抗碰撞、防尘、防水、保温隔热、防静电等特点。控制柜带文本屏/触摸屏显示，操作简单方便。柜体防护等级高，可广泛应用于室外田间小气候监测、农业气象监测等领域。（6）灌溉及设备联动控制水灌溉与农药喷洒采用一套管线系统，根据植物生长模式，可通过自动、手动方式进行操作。（7）报警控制用户可设定某些参数指标的上限和下限，高于或低于某个温度范围都会产生报警信息，并在上位机中控平台和现场控制节点显示出来。报警系统可将田间信息通过手机短息和弹出到主机界面两种方式告知用户。用户可通过视频监控查看田间情况，然后采取合理方式应