学年论文——物联网在智能农业中的应用研究.doc

1、 本科毕业论文（设计）模板本科学年论文(设计)论文题目 物联网在智能农业中的应用研究 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指导教师： 完成日期： 2015 年 5 月 20 日信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究0目 录一、 研究背景和意义 1（一）研究的背景 11.传统农业面临的问题 12.智能精确农业实例介绍 2（二）研究的现实意义 2二、研究目标3（一）无线网络监控平台3（二）农业灌溉控制系统3（三）农业大棚信息系统4三、农业应用中各类传感器简介5（一）各类传感器产生背景5（二）各类传感器简介5四、研究内容6（一）精确农业物联网监测平台6（二）精准农业的数字化管理系统

2、7（三）物联网感应的智能农业灌溉系统7五、在农业中的应用8（一）数据采集8（二）农业设施智能控制系统9（三）农业影像监控9（四）病虫害预警10（五）无线传感器网络自动灌溉系统10（六）物联网技术在农业应用中存在的问题10（七）智能农业在应用领域的未来11参考文献12信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究物联网在智能农业中的应用研究内 容 摘 要进入 21世纪以后，科学技术的发展带动着农业技术的革命。农业生产与现代网络联姻，将农业和因特网技术联系在一起，创新了生产方式，也催生了现代的智能精确农业。本文试着将所学的物联网技术用于现代农业，名为“精确农业”的高科技农业工程，即利用卫星、遥

3、感、计算机和自动控制等高新技术于农业生产，以提高产量，降低能耗。这项国际先进的农田耕作技术成熟后将向全国推广，以解决我国地少人多的农业发展瓶颈、减少污染和浪费，走农业持续发展的道路。高科技可以促进农业发展方式的转变，智能管理可以实现各类农业资源的高效利用，也可以实现改善环境这一可持续发展目标；不但可以最大限度的提高农村农业现实生产力，而且是实现优质、高产出、低能耗和环保的可持续发展型农业的高效途径。关键词：精确农业 物联网 智能农业信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究The Internet of things in the application of intelligent

4、agriculture researchAbstractAfter entering the 21st century, the development of science and technology promotes the agricultural technology revolution. The agricultural technology and the Internet are related together, it innovated the mode of production, and it dose good for the emergence of the in

5、telligent precision agriculture. The program named high-tech agricultural engineering which means using satellite, remote sensing, computer and automatic control of high and new technology in agricultural production, in order to improve production and reduce the energy consumption. It will be popula

6、rized to the whole country after this international advanced farmland farming technology matures, in order to solve the bottleneck of field-lacking in agricultural development in our country. And it reduces pollution and waste, as well.High-tech agriculture can promote the transformation of developm

7、ent mode, and intelligent management can realize all kinds of high efficiency utilization of agricultural resources, and it protects the environment as well. The intelligent management can not only improve the rural agricultural productive forces, but also achieve the purpose of sustainable developm

8、ent.Key words：Precision Agriculture Internet of Things Agricultural application 信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究0序 言物联网的概念：物联网的英文名称叫“The Internet of Things”，简称 IOT。物联网的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。即物联网就是“物物相连的互联网” ，这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然

9、是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。智能农业的概念：“智能农业” （Intelligent Agriculture） ，指的是利用全球定位系统（GPS） 、地理信息系统（GIS ） 、连续数据采集传感器（CDS） 、遥感（RS） 、变率处理设备（VRT）和决策支持系统（DSS ）等现代高新技术，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间及时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，并采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区域对待，按需实施定位调控的“处

10、方农业” ；其基本涵义是一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理” ，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。一、研究背景和意义(一)研究的背景1.传统农业面临的问题我国人多地少，随着经济的飞速发展,我国加入世贸组织后,国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国,这对我国的农产品市场构成极大威胁。因此,如何提高 我国农产品的质量和生产效率,如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理,是一个既前沿又当务之急的

11、科研课题。而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益与环境污染令人惊叹。 传统农业生产的物质技术手段落后，主要是依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。在现实中主要存在的问题是： (1)农业科技含量、装备水平相对滞后， (2)农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究1民群众饮水安全受到影响。 (3)农业产出少、农民收入低 (4)农产品的品种少。依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技术维持着简单再生产，农业生产率低下，农业的产量增长缓慢

12、，农业得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。于是，传统农业的自身发展陷入恶性循环之中。传统农业在向现代农业发展过程中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。因此,关于智能农业技术的研究， 显得非常必要与重要。2.智能精确农业实例介绍精确农业是最近几年来在美国、加拿大和欧盟一些国家发展起来的高新技术与农业生产相结合的新型农业模式。它的特点是“精确” ，它利用卫星全球定位系统、遥测遥感技术和计算机，做到精确作业、精确施肥和精确估产。 波特是美国明尼苏达州的农民，

13、他驾驶拖拉机在田里工作，表面上看它和别的农民没有什么区别。但是，他的拖拉机上装了一部 586 电脑，从屏幕上可看到面积达 700 公顷的玉米和大豆田的地图，计算机还会告诉他哪个地方需要施肥，施多少肥；如果再装一个卫星信号接收器，就可以收到全球卫星定位系统发出的遥感遥测信息，根据这些信息可进行精确的土壤调查、合理施肥、作物估产、农业环境监测和土地合理利用等。 土壤调查和合理施肥可减少用肥量，减少浪费、减少投入，从而提高经济效益。土壤调查首先要采集土壤样品，如在播种之前，农民驾驶适合地形的车辆在土地上行驶一遍，采集土壤样品数据，并输入计算机；同时全球定位系统精确记录下样品采集地的位置，绘出土壤成分

14、分布图。另外，存入计算机的施肥软件就能根据不同土壤、不同肥料类型和不同作物的施肥标准，推荐最佳方案，做到合理施肥。 作物估产不但能较准确监测产量，还能绘出产量分布图。当农民驾驶联合收割机收割玉米时，玉米棒就碰动收割机上计数器的开关，从而计算出收割的玉米棒子数；与此同时，卫星全球定位系统记录收割这些玉米棒时收割机所处的地理位置，这样就可画出产量分布图和计算出每块土地的产量，根据产量分布图也可判断出何处缺肥，需要施多少肥。 精确农业能针对各条块农田的土壤结构。肥力状况和作物生长情况等因素的精确测量和计算，提出种子、化肥、生长剂、除草剂、杀虫剂等的合理用量。美国农业生产部依阿华州艾姆斯土壤耕作实验室

15、制订了一项“卫星指导农业生产联合计划” ，在种植大豆、玉米、燕麦和苜蓿的 450 公顷农田上进行试验，每隔 13 米收集一组农田各种数据信息，输入计算机，并同时在拖拉机上安装了无线电信号接收系统，接收卫星信号，并确定自身位置。拖拉机即可根据联合计划，进行各种农业生产活动。(二)研究的现实意义通过分析，让我们知道，在实现精确农业的道路上，智能农业系统依然存在着诸多问信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究2题，因为现有的技术是基于有线的；而基于无线传感网的物联网精确农业系统无疑更具发展潜力，无线网络系统具有较高的带宽传输能力，抗干扰能力强、安全保密性良好，而且功率谱密度低。我们可以利用

16、上述特点，针对农田信息采集和管理组建新的无线网络，实现农田信息的无线、实时传输。同时，可以给用户提供更多的决策信息和技术支持，实现整个系统的远程管理。对比国内外的发展现状，不难发现国内在精确农业发展模式上的弊病，没有在应用的结合点上技术熟练的人才，信息标准不统一和技术不成熟。最为尴尬的是，国内更多的是示范工程和项目，仅仅停留在试验和演示阶段而没有能够形成产业的应用项目。而随着物联网技术的发展，基于物联网的智能精确农业系统则致力于将精确农业从概念化转化为产业化，更专注于应用领域和产品化，力图为智能精确农业的大规模推广应用打下良好的基础。综上所述，智能精确农业是目前农业发展的新方向，其取代传统农业

17、是农业发展的必然，更是符合我国国情的选择，智能精确农业根据农作物的生长习性及时的调整土壤状况和环境参数，以最少的投入获得最高的收益。改变了传统农业中必须依靠环境种植的弊端及粗放的生产经理管理模式，改善了农产品的质量与品质，调整了农业的产业结构，确保了农产品的总产量，高效地利用了各种各样的农业资源，取得了可观的经济效益和社会效益。其可以促进农业发展方式的转变，可以实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标，不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。 2、研究目标（一）无线网络监控平台建立无线的网络监控平台，对农作物的生长过程进行多方

18、面监管和精确调控。在大棚控制系统中，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、离子传感器、生物传感器、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来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。(二)农业灌溉控制系统开发基于物联网感应的农业灌溉控制系统，达到节水、节

19、能、高效的目的。利用传感信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究3器感应土壤的水分并控制灌溉系统以实现自动节水节能，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的 70。据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的 50。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅 40。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而

20、且给农田耕作带来不便。因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过 ZigBee 自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。(三)农业大棚信息系统构建智能农业大棚物联网信息系统，实现农业从生产到质检和运输的标准化和网络化管理。智能农业大棚物联网信息系统主要研究温度、化学等多种传感器对农产品的生长过程全程监控和数据化管理；结合 RFID 电子标签在培育、生产、质检、运输等过程中，进行可识别的实时数据存

21、储和管理。本系统致力于构建基于物联网的专用农业评估信息系统以实现数据的存储和管理，实现农业生产的标准化、网络化、数字化。物联网应用层：精准农业、环境监测、温室控制、节水灌溉、气象检测、产品安全与溯源、设备智能诊断管理等物联网网络层：数据信息管理中心、2G/3G/4G 网络、互联网、行业专家系统等物联网感知层：RFID 读写器、摄像头、传感器网络图 1 农业物联网的体系构架信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究4三、农业应用中各类传感器简介(一)各类传感器产生背景有需求就有市场，当今世界在各项技术方面都有先驱者，传感器领域也是科学发展十分重要的分支。在十五期间，国家 863 计划数字

22、农业重大专项实现了农田信息采集技术的突破，推出了一批成本低、高性能的土壤水分和作物营养信息采集技术产品，基本解决了数字农业信息快速获取技术瓶颈问题。开展了农田水分、养分、作物长势、冠层生理与生态因子、品质、产量和虫害草害等信息采集关键技术研究，开发了具有自主知识产权的新型土壤水分传感器，研制了土壤和作物养分信息快速采集方法与新型配套仪器设备;在虫害与杂草动态监测系统的研究方面取得了重大进展，开发了基于称重传感器的高精度智能测产系统，解决了智能测产与谷物品质监测系统的精度难题; 使我国农业信息快速获取迈出了新的步伐。(二)各类传感器简介为了适应现代化温室和工厂化栽培调节与环境控制 (控制温度、湿

23、度、光照、喷灌量、通风等) ，以培育各种秧苗，栽培各种果蔬和作物。在这个过程中，需要温度传感器、湿度传感器、PH 值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2 传感器等检测环境中的温度、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。在果蔬和粮食的储藏中，传感器也发挥着巨大的作用，制冷机根据冷库内温度传感器的实时参数值实施自动控制并且保持该温度的相对稳定。气调库相比冷藏库是更为先进的贮藏保鲜方法，除了温度之外，气调库内的相对湿度(RH) 、O2 浓度、CO2 浓度、乙

24、烯(C2H4)浓度等均有相应的控制指标。控制系统采集气调库内的温度传感器、湿度传感器、O2 浓度传感器、CO2 浓度传感器等物理量参数， 通过各种仪器仪表适时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证有一个适宜的贮藏保鲜环境，达到最佳的保鲜效果。在作物的生长过程中还可以利用形状传感器、颜色传感器、重量传感器等来监测物的外形、颜色、大小等，用来确定物的成熟程度, 以便适时采摘和收获；可以利用二氧化碳传感器进行植物生长的人工环境的监控，以促进光合作用的进行4。例如, 塑料大棚蔬菜种植环境的监测等；可以利用超声波传感器、音量和音频传感器等进行灭鼠、灭虫等；可以利用流量传感器及计算机系统自动控制

25、农田水利灌溉。信息学院本科学年论文 物联网在智能农业中的应用研究5生物技术、遗传工程等都成为良种培育的重要技术，在这其中生物传感器发挥了重要的作用。农业科学家通过生物传感器操纵种子的遗传基因，在玉米种子里找到了防止脱水的基因，培育出了优良的玉米种子。此外，监测育种环境还需要温度传感器、湿度传感器、光传感器等； 测量土壤状况需用水分传感器， 吸力传感器、氢离子传感器、温度传感器等；测量氮磷、钾各种养分需要用各种离子敏传感器7。在动物饲养中也有传感器应用，如有可用来测定畜、禽肉鲜度的传感器。它可以高精度地测定出鸡、鱼、肉等食品变质时发出的臭味成分二甲基胺( DMA ) 的浓度，其测量的最小浓度可以

26、达到 1ppm，利用这种传感器可以准确地掌握肉类的鲜度，防止腐败变质。也有用来检测鸡蛋质量的传感器。四、研究内容(一)精确农业物联网监测平台研究智能农业大棚中的物联网技术，建立无线网络监控平台。密集的网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元、通信模块和能源单元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息并发送给观察者。无线传感器网络集传感器技术、微机电系统(MEMS) 技术、无线通信技术、计算技术和分布式信息处理技术于一体，因其广阔的应用前景而

27、成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。在传统农业中。人们获取农田信息的方式都很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力，而通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。目前无线技术在农业中的应用比较广泛，但大都是具有基站星型拓扑结构的应用，并不是真正意义上的无线传感器网络。农业一般应用是将大量的传感器节点构成， 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，这样农业将有可能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。图 2 所示为该控制系统网络架构图。其主控系统为嵌入式系统，采用 ARM9 S3C2410处理器与 Linux 操作系统，具有通信网络、通用外设接口，能对其中设备进行控制管理。该嵌入式网关连接内、外信息传输通道皆采用无线的方式，外部网络以基于 IP 网络技术、提供通用分组无线业务的 GPRS 通信网络为基础。内部网络采用短距离、低功率 ZigBee 无线通信技术，结合农业领域专用系列传感器对农产品生长环境中的温湿度、PH 值、光照