一、 引言
20世紀(jì)90年代中期以來，“精細(xì)農(nóng)業(yè)”（Precision Agricultrue, Precision Farming）在美國、歐洲、以色列等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)中的試驗(yàn)研究與實(shí)踐有了快速的發(fā)展，被喻為是“信息時(shí)代作物生產(chǎn)管理技術(shù)思想的革命”。進(jìn)入新世紀(jì)，世界各國更是面臨如何提高農(nóng)產(chǎn)品國際市場競爭力和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，利用應(yīng)用生物與信息等高新技術(shù)提升農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)水平的創(chuàng)新研究由此進(jìn)入了新時(shí)代。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以其低功耗、自由組網(wǎng)、低價(jià)位，正被歐美各國廣泛應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)和科學(xué)研究，例如，大棚種植室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照監(jiān)測、珍貴經(jīng)濟(jì)作物生長規(guī)律分析與測量、葡萄優(yōu)質(zhì)育種和生產(chǎn)等，可為農(nóng)村發(fā)展與農(nóng)民增收項(xiàng)目帶來高科技的輔助手段。
采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，用同一套網(wǎng)絡(luò)分別完成風(fēng)、光、水、電、熱和農(nóng)藥等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，簡化系統(tǒng)復(fù)雜性，降低設(shè)備成本。
目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種廉價(jià)、安裝便捷的分布式農(nóng)田信息實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)用的農(nóng)作管理決策支持系統(tǒng)，隨著世界精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究與實(shí)踐的不斷發(fā)展，其技術(shù)思想和目標(biāo)的明確性和富有吸引力，已經(jīng)被全世界絕大部分專家學(xué)者所認(rèn)可。
基于上述因素，本公司農(nóng)業(yè)信息化項(xiàng)目組與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作管理決策服務(wù)平臺，該平臺在杭州示范區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取的很好的效果。
二、 農(nóng)作管理遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)平臺介紹
遠(yuǎn)程農(nóng)作管理決策服務(wù)平臺主要由農(nóng)田環(huán)境遙測系統(tǒng)、農(nóng)作管理專家系統(tǒng)和用戶服務(wù)系統(tǒng)三部分組成。
1. 平臺架構(gòu)圖
農(nóng)田環(huán)境遙測系統(tǒng)由分布在農(nóng)田溫室大棚里的各種無線傳感器組成，如圖2、3、4所示，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田里的溫度、濕度、露點(diǎn)、光照等環(huán)境信息，并通過GPRS或CDMA等遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)回傳給服務(wù)平臺的農(nóng)作管理決策專家系統(tǒng)；
圖表 2 農(nóng)田環(huán)境無線遙測實(shí)例
圖表 3 農(nóng)田環(huán)境無線遙測實(shí)例
圖表 4 農(nóng)田環(huán)境無線遙測實(shí)例
農(nóng)作管理專家系統(tǒng)是一種智能程序子系統(tǒng)，內(nèi)部集成了大量專家水平的領(lǐng)域知識和經(jīng)驗(yàn)，能利用專家可用的知識和方法來解決該領(lǐng)域的問題。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)綜合了大量農(nóng)業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)，把分散的、局部的單項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)綜合集成起來，經(jīng)過智能化的、綜合性的信息決策處理，針對不同的生產(chǎn)條件，給出最佳的農(nóng)事生產(chǎn)和管理的解決方案，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程提供高水平的信息和決策服務(wù)；
用戶服務(wù)系統(tǒng)是利用短信、郵件等手段將專家系統(tǒng)決策結(jié)果通知相關(guān)用戶，并指導(dǎo)用戶進(jìn)行相應(yīng)的農(nóng)事操作的程序，這是根據(jù)當(dāng)前的國情而設(shè)計(jì)的一種反饋機(jī)制，將國外精細(xì)農(nóng)業(yè)中常用的機(jī)械化灌溉
控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，以人力操作代替機(jī)械操作，這一方面考慮到節(jié)省機(jī)械化設(shè)備的巨額投入，便于本系統(tǒng)更容易、更快速地推廣，同時(shí)也考慮到這樣的設(shè)計(jì)使得廣大農(nóng)民能夠親身參與農(nóng)作，加強(qiáng)對農(nóng)民的農(nóng)技知識指導(dǎo)，讓他們在實(shí)踐中得到學(xué)習(xí)，從而更快地提高我國農(nóng)民的整體農(nóng)業(yè)知識和技術(shù)水平。、
2. 平臺組成
平臺主要分為兩大部分：
第一部分為硬件設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)框架的建設(shè)，通過無限傳感網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定高效的特點(diǎn)，采集大量的不同地區(qū)、不同位置、不同季節(jié)、不同環(huán)境下的真實(shí)數(shù)據(jù)，用于后續(xù)專家系統(tǒng)的開發(fā)。具體來說，在農(nóng)田環(huán)境遙測子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、露點(diǎn)、光照四大要素的環(huán)境信息采集及CDMA遠(yuǎn)程傳送；在農(nóng)作管理專家子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)簡單實(shí)用的環(huán)境參數(shù)上下限警示，并給出相應(yīng)的農(nóng)事操作建議；在用戶服務(wù)子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)平臺，包括環(huán)境遙測設(shè)備注冊、農(nóng)作物信息登記、決策信息短信通知等功能。
第二部分為農(nóng)作管理專家系統(tǒng)，在理論的指導(dǎo)下，通過對前期大量真實(shí)數(shù)據(jù)的分析，為不同的農(nóng)作物品種建立各種環(huán)境下的農(nóng)作物生長曲線，更好地為廣大農(nóng)民提供準(zhǔn)確及時(shí)的農(nóng)作指導(dǎo)。同時(shí)，根據(jù)專家系統(tǒng)的要求，擴(kuò)展相應(yīng)的各種無線傳感器，包括測量土壤水分、酸堿度、肥料成分，二氧化碳濃度等指標(biāo)。另外，在某些條件成熟（資金充裕、農(nóng)田規(guī)模較大、人員知識水平較高）的地區(qū)可以考慮建設(shè)全自動(dòng)的灌溉施肥系統(tǒng)，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)信息化，以便更加“精細(xì)”地管理農(nóng)作物。
三、 用戶服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
? 數(shù)據(jù)查詢
用戶服務(wù)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等各種類型的數(shù)據(jù)查詢功能，下圖是即時(shí)數(shù)據(jù)顯示的一個(gè)例子：
圖表 5 用戶服務(wù)系統(tǒng)界面
淳安縣基地 甜椒大棚 種植的蔬菜品名為甜椒
采集時(shí)間：2008-09-26 10:17:00
甜椒 環(huán)境溫度： 3.60度
環(huán)境濕度： 4.55%
環(huán)境紅外： 4.56次/分
環(huán)境光照： 4.56%
環(huán)境露點(diǎn)： 4.55%
采集設(shè)備電池余量： 2.81伏
環(huán)境濕度： 異常
總的環(huán)境條件分析結(jié)果即 (工作狀態(tài)):異常
即時(shí)數(shù)據(jù)查詢，可以顯示某蔬菜在其種植的蔬菜大棚內(nèi)最近的采集時(shí)刻的即時(shí)環(huán)境溫度采樣值，或環(huán)境濕度采集值，或環(huán)境紅外采集值，或環(huán)境光照采集值，或環(huán)境露點(diǎn)采集值，或采集設(shè)備的電池余量采集值。進(jìn)而總結(jié)出當(dāng)前環(huán)境是否適合該蔬菜的最佳生長發(fā)育環(huán)境。
即時(shí)查詢，可以為相關(guān)的責(zé)任人提供最新的種植蔬菜的當(dāng)前環(huán)境生長條件。
歷史數(shù)據(jù)的查詢，除了可以在某種植蔬菜在所種植的蔬菜大棚中，所有的環(huán)境因數(shù)采集點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)沿時(shí)間的分布曲線上
? 系統(tǒng)設(shè)置
系統(tǒng)設(shè)置以對系統(tǒng)的蔬菜基地和閾值及前端采集設(shè)備的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。模塊功能包括：
閾值（種植蔬菜）信息維護(hù)：有閾值編號，閾值名稱的溫度、濕度、光照、紅外、電池余量、露點(diǎn)報(bào)警閾值等
蔬菜大棚維護(hù)：有蔬菜大棚編號，蔬菜大棚名稱，蔬菜基地編號等
節(jié)點(diǎn)信息維護(hù)：有節(jié)點(diǎn)編號，節(jié)點(diǎn)名稱，位置，蔬菜大棚編號，閾值編號等。
測點(diǎn)信息維護(hù)：測點(diǎn)編號、測點(diǎn)名稱、測點(diǎn)類型編號、蔬菜大棚編號等
測點(diǎn)類型維護(hù)：有溫度、濕度、結(jié)露、光照、紅外、電池電壓等
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換維護(hù)：有設(shè)備編號和測點(diǎn)編號等
短信通知維護(hù)：有短信編號、短信通知內(nèi)容、需短信通知部門責(zé)任人
? 系統(tǒng)管理
系統(tǒng)管理用以對涉及到整個(gè)系統(tǒng)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。模塊功能包括：
部門信息維護(hù)，用以維護(hù)系統(tǒng)涉及的有關(guān)的責(zé)任部門
員工信息維護(hù)，用以維護(hù)系統(tǒng)涉及的有關(guān)責(zé)任部門中的責(zé)任人。
系統(tǒng)用戶維護(hù)，用以維護(hù)有關(guān)的系統(tǒng)管理與使用人員的權(quán)限。
系統(tǒng)日志維護(hù)，用以查看及清除系統(tǒng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的日志信息。
四、 國外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例
1 葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用方案
該方案由英特爾公司所設(shè)計(jì)的應(yīng)用在美國盛產(chǎn)葡萄酒的俄勒岡州的一個(gè)葡萄園中，用于測量葡萄園中環(huán)境的細(xì)微變化。在俄勒岡州葡萄園長出的葡萄大部分用于釀制葡萄酒，葡萄園中氣候的細(xì)微變化可能會(huì)對釀制出的葡萄酒的質(zhì)量帶來極大的影響。葡萄園工作人員通過長年的數(shù)據(jù)記錄及對應(yīng)的分析結(jié)果，便能精確地掌握葡萄酒的質(zhì)量與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過采集葡萄園中各環(huán)境因素的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，然后由葡萄園工作人員根據(jù)分析結(jié)果來開展有效的灌溉等工作，從而確保葡萄可以健康生長，獲得大豐收。
該葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用方案如圖7-4所示。它所使用的器件是加州大學(xué)伯克利分校研制并授權(quán)商業(yè)化的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用的高科技產(chǎn)品。在該監(jiān)測系統(tǒng)中，首先把若干無線傳感器節(jié)點(diǎn)布放在葡萄園內(nèi)，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度和日照等；然后把測得數(shù)的據(jù)通過無線通信技術(shù)發(fā)送到信號接收節(jié)點(diǎn)；再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；最后由葡萄園主從顯示系統(tǒng)中觀看其分析結(jié)果。
系統(tǒng)的顯示分析報(bào)告不僅為葡萄園主進(jìn)行灌溉，控制葡萄園內(nèi)溫度和日照等提供依據(jù)，而且系統(tǒng)可以對所收集到的數(shù)據(jù)和對應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行長期的保存。于是，葡萄園工作人員可以根據(jù)過去的數(shù)據(jù)記錄和對應(yīng)分析結(jié)果及灌溉等操作與最終產(chǎn)出的葡萄質(zhì)量之間的關(guān)系，很好地掌握葡萄的質(zhì)量與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系，為葡萄園工作人員以后進(jìn)行灌溉等積累經(jīng)驗(yàn)。
該系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用程序要牽涉到葡萄種植方面的專業(yè)知識，主要是葡萄園主人必須要對葡萄生長過程中所受溫度、濕度和日照的影響有個(gè)很好的掌握。該方案設(shè)計(jì)能夠?qū)σ酝鶖?shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行保存，葡萄園工作人員可以在后期根據(jù)過去的數(shù)據(jù)分析記錄和實(shí)際灌溉相結(jié)合，積累很好的經(jīng)驗(yàn)。該方案體現(xiàn)出了人性化和靈活性，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中其他方面的應(yīng)用提供了很好的參考價(jià)值。
該方案應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用過程中，故障率相對來說較低。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的故障率低，這為該方案能夠采集到較準(zhǔn)確和齊全的數(shù)據(jù)提供了很好的保證，該方案可以推廣到其他葡萄園中去，雖然要投入一些資金，但是能夠長出高質(zhì)量的葡萄，釀制出高質(zhì)量的葡萄酒，這對葡萄酒的品牌聲譽(yù)和市場占有率非常有利，當(dāng)然該方案也可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的其他方面，有很好的適用性和實(shí)用性。
2溫室環(huán)境應(yīng)用方案
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有很多，溫室環(huán)境應(yīng)用是在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最廣泛、最常見的一個(gè)例子。在日常生活中，人們能夠在市場上買到當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛳麻L不出來的蔬菜，這些蔬菜都是在溫室環(huán)境下種植培育出來的。與以往的溫室環(huán)境的應(yīng)用方案比較，以往都是通過在溫室內(nèi)布置復(fù)雜的電線及相關(guān)的控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控。在溫室中布線，這對為農(nóng)作物進(jìn)行施肥等活動(dòng)造成障礙，可能會(huì)在這些活動(dòng)中把電線弄斷，給系統(tǒng)通信帶來問題。而利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要經(jīng)過布線這個(gè)環(huán)節(jié)，避免了相關(guān)問題的出現(xiàn)，同時(shí)達(dá)到了對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控的要求。
在溫室環(huán)境中，單個(gè)溫室可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)測量控制區(qū)，網(wǎng)絡(luò)中通過采用經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞(多跳的方式)。網(wǎng)絡(luò)中采用不同的傳感器測量節(jié)點(diǎn)和具有簡單執(zhí)行控制的節(jié)點(diǎn)(能對風(fēng)機(jī)、調(diào)溫機(jī)器、閥門等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)用來測量土壤濕度、土壤成分、PH值、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強(qiáng)度和C02濃度等數(shù)據(jù)，以便知道溫室中的環(huán)境狀況，同時(shí)將生物信息獲取方法應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)，為對溫室環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中的傳感器執(zhí)行控制的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化，利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到現(xiàn)場組網(wǎng)方便、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。
在農(nóng)業(yè)中，特別是在國外的大農(nóng)場里，可能建有很多溫室，根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，在每個(gè)溫室都組建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于溫室中的環(huán)境都比較相似，因而，每個(gè)溫室中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能和技術(shù)也都是一樣的。所有的溫室通過控制中心的計(jì)算機(jī)來統(tǒng)一進(jìn)行管理，這大大提高了工作效率，使得管理更科學(xué)化。
