农业物联网-远程监控解决方案

北京昆仑海岸传感技术有限公司

1 背景

农业物联网技术的推广应用，是农业现代化水平的一个重要标志，农业物联网的快速发展，将会为中国农业发展与世界同步提供一个国际领先的全新平台，也必将为传统产业改造升级起到巨大的推动作用。

农业物联网-远程监控解决方案项目针对当前智慧农业应用，进行相关业务示范平台的部署与建设，面向农民提供物联网服务。在研究和平台建设过程中，将解决3G和物联网公众服务面临的技术难点，提高物联网应用研究水平，提升物联网企业产品的技术含量，带动产品的市场需求，同时解决农业等社会热点民生问题，通过新技术改变传统农业种植模式，提高农民生产质量。

2 方案概述及创新性

本系统是一个基于广域网络的大型分布式远程监测与自动控制系统，针对实现我国农业现代化的实际特点及需求，运用最新微功率无线通信技术和数字传感技术进行农业物联网温室大棚远程监控传感系统的研发，实现实时自动监测农业大棚内的环境参数，并通过后台计算机轻松实现无人值守和远程监控。建成了集数据采集、数字传输、数据分析处理、数控农业机械为一体的现代农业物联网创新网络平台与应用示范，帮助农业科技人员采集并存储实验数据，远程控制棚内设备，特别是自动控制功能，做到了精准实时控制。由于用高科技手段取代了传统的人工手段去实现对蔬菜等农作物的管理和调度，在大面积农业生产环境下，节省了工作中的大量时间并节约大量的人力成本。在管理的效率提高之后，处理等量任务使用的时间大大缩短，从而大大的减小了时间成本。为我国农业的信息化建设奠定了坚实的基础，在观念创新、体制创新和手段创新的道路上迈出了关键性的一步，形成了效率、质量与规模相统一的良好局面。

主要技术内容包括基于物联网农业应用的嵌入式中间件软件的设计与实现；无线物联网网关系统的设计与实现；基于云平台的农业物联网监测数据的可追溯性技术；网间融入子层的设计；实时数据采集模块、自动控制模块的设计与实现。

主要创新点如下：

（1）基于嵌入式中间件技术，建立了物联网农业温室应用的前端信息采集和后端信息汇聚系统，实现了多种接口和协议的集成，有效整合了农业温室的多种信息，首次应用于农业温室的远程监控。

（2）设计开发了嵌入3G模块的农业温室物联网网关系统，应用矩阵排布技术实现了大范围温室的智能传感器部署，提高了多传感器信息传输的可靠性。

（3）使用虚拟化技术和云平台建立农业温室智能化应用平台，根据系统的业务容量实时合理分配平台资源，平台具有可扩展性，同时实现了农业温室物联网监测数据的可追溯性。

3 具体实施方案

农业大棚智能监控系统通过实时采集农业大棚内空气温度、湿度、光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，根据农作物生长需要进行实时智能决策，并自动开启或者关闭指定的环境调节设备。通过该系统的部署实施，可以为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。方案特点如下：

①实现对土壤温度、空气温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤水分等信息的采集；

②KL-H1100物联网网关作为数据接收采集器，具有以太网和3G双通讯，上传数据方便

③ZigBee智能自组网机制，采用2.4GHz频率通信，传输距离远，穿透性强；

④电池、市电、太阳能多种供电方式，传感器布点不受电源限制；

⑤稳定的有线传输控制，自由控制卷帘机、天窗等设备；

本实例为天津大棚监测系统。此地拥有13个普通日光棚，每个大棚东西方向为240实体墙，朝南钢架结构，上铺塑料薄膜。大棚以种植蔬菜为主，主要实现数据监测，根据数据，合理控制卷帘机系统和滴灌系统。实现现代化农业种植，节省人力，增加效益。

图2 大棚现场分布图

3.1 现场环境

13个大棚分为两排排列，如图2所示，每个大棚长10米，宽5米，1号大棚和2号大棚中心距间隔10米，两排大棚间隔6米。因为大棚环境良好，AC 220V供电充足，因此，传感器全部采用路由型设备，路由型的优点是传感器和物联网网关间的连接更加方便，网络更好，缺点是没有休眠功能，必须有外供电。

3.2 主要设备

①KL-H1100物联网网关 1只；

②JZH-026-12 温度、湿度、土壤温度、土壤水分、二氧化碳无线传感器 13只；

③JZH-002-12照度无线传感器 13只；

④JZH-000-12空节点路由型传感器 3只；

⑤环境防护箱 若干只。

注：传感器均为路由型传感器。

3.3 布点方案

①将KL-H1100物联网网关放在广告牌上的接收箱中。

②将JZH-002-12和JZH-026-12无线传感器2只为一组，分别放在13个大棚中。

③将JZH-000-12空节点路由型传感器放在7号、9号、11号的大棚上端的防护箱中。

3.4 硬件安装

①在大棚的中心位置需要立一个从地面到棚顶的6分或4分钢管，距离地面2米的地方有一个220VAC的电源插座和一个400×400mm平板用来安装传感器。平板以中心为中点打出两个孔，直径为5.3mm,传感器尺寸孔示意图如3所示。

图3 传感器尺寸孔示意图

②室外的需要配备一个300mm×300mm的铁皮箱（防护箱）3个，内部有一个220VAC的电源插座，侧面有一个离上部1/3处有一个通孔，直径为7mm，接入天线使用。内板的开孔尺寸如上图，固定无线传感器使用。分别安装在7号、9号、11号棚上方。

③广告牌位置上方也需要一个300mm×300mm的防护箱，内部有一个220VAC的电源插座，侧面有一个离上部1/3处有一个通孔，直径为7mm，接入天线使用。内板的中上方需要开孔尺寸为Φ4两个孔，间距为110cm，用于穿入螺钉，悬挂网关。

④将设备安装到指定位置。

图4 设备安装示意图

3.5 设备的防护

在实际应用当中，由于网关和传感器不是完全密封的，因此，需要防护箱来保护设备。

①防护箱的制作

防护箱的大小可根据设备大小来决定，如果一个防护箱只需要保护一只传感器，箱子可以适当选择小一点，如果在一个监控点需要多只传感器，箱体可以适当的放大。网关和传感器背部都有两个葫芦孔，可用来悬挂在立体壁上，所以需要在箱体内部安装2个固定悬挂点，完成设备的悬挂。由于箱体中影响信号的传输，因此需要用天线延长线将天线引到箱体外部，来解决信号的传输问题。

②天线延长线的规格要求

天线延长线采用2.4G馈线，延长线距离不大于20厘米，转接头为SAM转SMAKY。

图5 防护箱安装示意图

注：箱体中传感器为JZH-0系列传感器，也可将箱中传感器换为网关，也可以在箱体中放两只设备。

3.6 ZigBee组网

详见KL-H1100物联网网关说明书。ZigBee组网流程如图6所示。

图6 ZigBee组网流程图

3.7 控制系统

控制系统可采用有线控制器来实现，客户可根据实际情况应用控制系统来完场大棚设备的控制。用户可基于Modbus TCP通讯协议开发上位机软件，也可基于数据库的二次开发来编写上位机软件。

4 效益分析

本项目在天津市农业高新技术示范园管理中心的武清区基地提供的智能温室大棚和13个日光温室大棚进行了农业物联网应用，经过一年多的系统试运行，并经后期不断完善，整个系统运行正常，并且产生了重要的社会效益、经济效益。

经济效益：

（1）物联网技术使滴灌技术有了专家的指导，大量节省水肥，提高土地使用效率。使用该系统之前，采用漫灌方式浇水，使用该系统之后，采用精准滴灌方式浇水，根据经验统计，水槽覆膜滴灌方式可以节省水肥70%～80%。滴灌可以直达植物根部，提高水肥使用效率，以满足植物高速生长的营养需要。渗透的水肥流入水槽后在过滤后可循环使用。

（2）促进农业增产、效益提高。以种植西红柿为例，西红柿的生产种植中在高效智能化的温室里种植可以全面的控制生长环境的各项指标，做到精准的控制与调整，提高生产效率。使用该系统之前，西红柿的种植产量一般为每亩年产1万斤左右；使用该系统之后，西红柿的种植产量通常在高效智能化的温室里种植可达到每亩年产2到3万斤左右。

（3） 提前预防病害、减少农药使用量，降低了污染。本系统的使用优化了农作物生长环境，为作物的生长提供了最佳条件。在高效智能化的温室里种植可以有效的监测病害，使温室内环境更适合于作物生长，抑制有害细菌滋生，对作物实现少施药或不施药，达到绿色无公害的目的。可以轻松做到对各项环境指标的调整。

（4）提高自动化的生产和采摘，减少人工成本，提高生产效率。对于日光大棚，使用该系统前由2人负责管理1个大棚，使用该系统后2人可负责管理3个大棚。

（5）远程视频专家诊断。

（6）优化农作物生长环境，获得作物生长的最佳条件，提高农作物品质。提高水资源、化肥等农业投入品的利用率和产生率。

社会效益：

智能温室和日光温室大棚项目得到了中央和天津市委、市政府的高度重视。天津市农业高新技术示范园区管理中心的领导多次听取工作汇报。

2012年底，该项目获得了中关村物联网产业联盟与中国移动共同举办的首届移动杯智慧北京大赛优秀解决方案奖，开发设计的微型演示沙盘已成功参加了2012年津洽会、京交会以及宁波“智慧城市”博览会的展览，并且在京津沪渝四直辖市领导及专家到天津市农业高新技术示范园区管理中心视察工作中，参观人员一致认为该示范应用平台具有科技含量高、超前意识强、发展前景好、带动能力大的推广优势，可为都市农业的发展起到良好的示范和推动作用。