设施农业传感器智能化控制研究现状及展望

1、新疆农业大学机械交通学院 姚亮 2、新疆农牧业机械管理局 马俊贵

引言

近代农业的发展，大体上经历了三个里程碑事件。第一个里程碑事件是以拖拉机为典型代表的农业机械技术在农耕中解放传统劳动力的普遍应用，第二个里程碑事件是以西方遗传学理论、化学肥料、有机农药为标志的生物和化学技术在农业生产中的应用，第三个里程碑事件是以信息技术为核心的电子设备技术革命。传统的农业技术创新是以某产品的单项技术突破为核心，而现代农业技术革命主要是以信息、新材料、生物、可持续发展技术等综合于一体，为农业生产开辟了新的道路。

设施农业智能化是将现代生物工程技术、农业工程技术、环境工程技术、信息技术和自动化技术应用于农业生产领域，根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制，使其不受气候条件的影响[1]。在现代农业生产中，要充分发挥植物自身的潜能，运用设施农业智能化技术，保证农作物产量的稳定。设施农业智能化与传统的农业生产相比具有亩产高、品质优、质量安全、周年均衡生产的特点。对于市场需求量大的反季农产品、高端品种，能够保质保量，及时供应，满足人们的生活需要，提高人们的生活品质。

设施农业智能化大大促进了科学技术与农业生产的结合，使农业生产科学技术水平上升到一个新层次。设施农业智能化建立在现代生物技术、工程技术和以计算机和现代通信技术为主的信息技术基础上，使田间作业不再受自然气候因素的影响[2]。在农产品市场销售中具有较强的产品竞争力和市场风险抵御能力，具有较高程度的集约化、商品化，对现代化农业建设具有典型示范作用。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

20世纪末，由美国研发的计算机控制与管理系统可以根据作物的不同生长特点和需求，对温室内温湿度、光照、灌溉、施肥等多因素进行自动调控。根据调控温差的技术实现对鲜花的成熟期和开花期进行控制。

美国加州Camalie葡萄园，将20个 Mica2dot温度探头布置在1.78hm2的葡萄种植地内，组成了一个全面的土壤温湿度监测系统，并且对葡萄酒窖内温度的变化实时监测，实验数据表明实验葡萄园中葡萄总产量较上年增加了一倍，实验酒窖存放的葡萄酒的品质也得到了大幅提升，并且也节省了大量的灌溉用水[3]。

Disital Sun公司研发了一种利用无线传感器网络自动给试验田洒水的系统，将传感器探头插入土壤并对土壤的水分进行监测，对土壤的含水量进行一个预设值，达到这个条件后则与接收器通信，通过信号传递对无线传感器网络自动灌溉系统的阀门打开、关闭进行控制，进而达到自动节水灌溉的目的[4]。

A.Baggio在土豆实验田里布置了无线传感器并组成一个监测网络区，由传感器探头获取试验田内土壤和空气温度、湿度及地下水位等数据，实现对土豆田地的多项数据实时监测，进而达到预测土豆病虫害的目的[5]。

Bailey和Critten针对温室控制技术结合温室内的热环境机理模型做了理论性的研究，后者又针对温室内的光辐射特性进行了深入的研究[6-8]。

Nijskens针对温室内遮蔽材料对辐射传导特性做了相应的研究，包括对光合作用的有效辐射及红外辐射。这些研究对温室大棚工程技术的进一步发展提供了重要的理论保障[9]。

1.2 国内研究现状

北京市科委的“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”项目，将无线传感器网络控制系统应用于温室蔬菜生产。把温室看做传感器网络的监测控制区，通过传感器探头对土壤的温湿度、pH值和空气温湿度等数据进行收集，通过对数据的优化处理获得温室内作物健康生长的最佳外部条件[10]。

冯友兵根据试验田区灌溉的实际情况，研发设计了一种无线传感网络系统，解决了实验灌溉区灌溉范围大、数据量大、传输困难等问题，实现了灌溉区域内农作物需水信息的实时传送，为灌溉过程中的及时适量给水提供了理论和科学依据，在极大程度上解决了灌溉节约用水的问题[11]。

李震针对精细农业中应用无线传感器网络技术进行了深入研究，针对田间网络通信的路由算法、田间到用户端的数据传送方式、监测对象的复杂性、旱雨季土壤含水率、精细灌溉设备的可控制能力进行深入研究，分析农作物、系统配置和自然环境对无线通信信号输送精度的影响[12]。

2 存在的问题

2.1 虽然传感器网络系统实现了对信息的获取，能够在设施大棚内正常工作，实现对相关环境的监控，但还缺少对区域节点数量的控制，以及适应不同条件的作物生长模型传感器的研发。

2.2 温室环境控制系统针对不同需求和不同的设计方法，其软硬件的设计都是不同的，当然相应的控制系统无论是在控制的精度和有效性方面，以及在节能环保方面都有很大的不同。若能将各种控制算法与仿真预测有效地结合起来，就能够更好地发挥温室环境控制系统的能力，使温室生产达到节能降耗、优质高产的目的。

2.3 传统的节水灌溉系统存在田间铺设线路麻烦、系统灵活性差、成本较高等问题，对农作物的生长不利，局部出现地面积水现象。

2.4 温室田间监控系统存在对田间近距离数据不便收集，系统更换电池不方便，以及检测区域过大等问题。

3 解决策略

3.1 使用一个8节点的星形网络，虽然能满足现有大棚的信息获取需求，但考虑到获取信息的精确性，下一步要实现60个终端节点的部署，对于网络规模的扩大，在路由协议的设计上，要实现分簇多层的路由协议以实现节点的组网。

对设施农业田中农作物的生长模型也要作深入的研究，根据农作物的生长特点如实仿真其生长状态模型，生长周期中重要的时间点及其监测中的重要参数，研制能满足多种类型、不同条件的传感器，实现多节点的硬件扩展。

3.2 针对温室环境的温湿度控制问题，在以后的科研工作中还需要在进行进一步探索，如神经网络、模糊控制等。

3.3 无线传感网络应用于温室田间的节水灌溉，通过传感器探头的布置，形成一个网状结构。通过确定节点电路、电源电路、数据显示电路等，成功解决了灌溉区不便铺设线缆、电池使用寿命短、灵活性差等问题。

3.4 设计一种Zigbee技术的无线传感器网络，由网关节点、路由节点、终端点构成。以低功耗为出发点，终端点采集信息转发至网关节点，网关节点再将数据上传给上位机，解决了田间数据无法收集、经常更换电池的问题。

4 结束语

设施农业智能化是一个国家设施农业发展水平的重要体现，是综合多领域多项高新技术的现代农业。设施农业智能化开辟了农业生产的新领域，使现代高科技与农业生产相结合，充分发挥生物自身潜能，在保证产品品质的前提下大幅度提高亩产量。因此，我们要大力发展创新设施农业智能化，进一步完善创新设施农业智能化制度和技术，加快我国农业现代化的发展进程。

我国设施农业智能化发展思路要借鉴发达国家的经验，坚持社会主义农业现代化建设要求，以市场需求为导向，以农民增收为核心，以现代科学技术、装备、产业体系为支撑，把我国的设施农业智能化建设作为重要任务，不断提升科学技术水平，加快设施农业的规模化、产业化发展。

加大先进技术投入、注重品牌建设，才是提高设施农业智能化水平的捷径，才能突破传统生产方式的束缚，寻求产业发展新模式，走出一条现代化农业建设的新道路。

[1]姚於康.国外设施农业智能化发展现状、基本经验及其借鉴[J].江苏农业科学,2011(1):3-5.

[2]姚於康.发达国家设施农业智能化发展现状、趋向和启示[J].世界农业,2010(10):68-71.

[3]CamalieNet.Wirelesssensor network at Camalie Vineyard[EB/OL].http://www.camalie.com

[4]蔡镔,袁超,顿文涛,马斌强,李聪,李辉.无线传感器网络在农业生产中的应用研究[J].江西农业学报,2010，22(9):149-151.

[5]A.Baggio.Wireless sensor networks in precision agriculture.In ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks(REALWSN 2005),Stockholm,Sweden,June 2005.

[6]Bailey B J,Ellis R G,The potential for using combined heat and power(CHP)in greenhouses.Divisional Note,AFRC Institute of Engineering Research,Silsoe,UK,1989:1523.

[7]Critten D L.A review of light transmission into greenhouse crops.Proceedings of the International Workshop on Greenhouse crop Models.Acta Horticulturae,1993:328.

[8]Critten D L.Horticultural Greenhouse Engineering,Encyclopaedia of Agricultural Science,Vol.2.New York,Academic Press,1994.

[9]Nijskens J,Deltow J,Coutisse S,Nisen A.Radiation transfer through covering materials,solar and thermal screens of greenhouses.Agric For Met,1985,35:229-242.

[10]高峰.基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控系统研究[D].浙江工业大学,2009.149.

[11]冯友兵,张荣标,谷国栋.无线传感网络在节水灌溉中的应用研究[J].中国农村水利水电,2007(2):24-26.

[12]李震,WallgNing,洪添胜,文韬,刘志壮.农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计 [J].农业工程学报,2010,26(2):212-217.