无线测控技术在现代农业中的应用与展望.pdf
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1、中国农业工程学会设施园艺专业委员会2 006 年学术年会论文集 无线测控技术在现代农业中的应用与展望奋 陈祥薛美盛王俊吴刚秦琳琳成荣 ( 中国科学技术大学自 动化系,安徽 合肥 2 3 0 0 2 6) 摘 要:无线测控技术集成了传感器、自 动控制和无线网络通信三大技术优势,由于其巨大的应用前景而 备受学术界的广泛关注。 本文在介绍无线测控技术基本概念、 应用前景和一些代表性农业研究项目 和应用 的基础上, 结合一些常用的无线传输技术, 阐述了无线测控技术在现代农业的研究现状、 主要优势与不足, 并对其发展进行了展望。 关键词: 无 线测 控 精准 农 业zl gBeeRFID 尽管各个国家的
2、条件与情况不同,但现代农业的基本特征是共同的。表现在是否具有:现代化 的农业技术装备,高效能的农业产前、产中、产后服务部门的支撑,现代化的农业技术水平如生物 技术、信息技术等,农民 组织结构的改善与优化。现代农业的生物技术、信息技术和现代工程技术 不是常规农业技术一般意义上的发展,而是在信息化层次上的一次重大技术突破,一个崭新的技术 平 台 川 。 从 现 代 农 业 的 特 征 上 看 , 通 常 所 说 的 精 准 农 业、 数 字 农 业、 设 施 农 业 都 应 属 于 在 现 代 农 业 的范畴。 1无线测控技术 既具有测量和控制功能的系统,被称为测控系统。无线测控技术则是通过无线网
3、络完成对系统 的测量和控制,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术 以及微机电技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和控制对象。通过嵌 入式系统对信息处理和随机自 组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户,从而实现 “ 无 处 不 在 ” 理 念 121 。 英 特 尔 率 先 在 俄 勒 冈 州 建 立 了 第 一 个 无 线 葡 萄 园 , 装 有 无 线 收 发 单 元 的 智 能 微 尘 ( m ot e) 被分布在葡萄园的每个角落。每隔一分钟检测一次土壤温度以确保葡萄的健康生长,进而 获得大丰收。研究人员期望以后实施一种
4、系统:用于监视每一微尘区域的湿度或该地区有害物的数 量 , 这 些 信 息 将 有 助 于 开 展 有 效 的 灌 溉 和 喷 洒 农 药 , 进 而 降 低 成 本 和 确 保 农 场 获 得 高 收 益 131 。 无 线 测控网络具有简化的系统布线、一次构建成本低、扩展性强、灵活性大、网络组建简单等优点。 现阶段无线传输标准和方式主要包括:“ w正 , ,( I E E Es o Z l l b ) 、B l u e t o oth( I E E Es o Z . 1 5 . 1 ) 、 Zl gBee ( IE EE 8 02154) 、 I rDA 这些应用于近距离和G S N 创
5、G P R S 、 G P S 、 卫星遥感等中长距离的无线数 据传输方式。 I rDA 是利用红外线进行点对点通信的技术, 具有通信成本低廉和传输上安全性高的特点。 其不 足在于是一种视距传输; 相互通信设备之间必须对准,中间不能被其它物体阻隔;只能用于2 台设备 之间的 连接。 w i 一 Fi ( w ireles s Fl del lty , IE E E 8 02l l b) 通信协议,是以 太网的 一种无线扩展,能以 最高 约l l M b /s 的速度接入We b 。 蓝牙( B l u e t o o th , IE E E s o Z . 1 5 1 ) 技术的传输频段为全球
6、公众通用的2 .4 G H z Is M 频段, 能 够提供I M b Ps 的 传输速率和1 0 m 的 传输距离。 蓝牙采用时分双工传输方案, 使用一个天 线利用不同的时间间隔发 送和接收 信号, 可实 现全 双工传输。 zl gBee( IE E E 8 02. 15 .4)主要应用于自 . 项目 资助. 新世 纪优 秀人才 支持 计划资助( N c E T- o 4 一 05 64) 、 安 徽省优秀青年 科技墓金( 0 4 o 420 4 6 ) 、 安徽省教育 厅自 批科学研究项目 资助 ( Z oo6 KJ048 B) 联系作者.薛美盛, 园艺设施与环境 动控制的近距离、低复杂度
7、、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它主要工作在无 须注册的2 4 G H z lsM频段,数据速率为2 0 2 50kbl珑,最大传输距离为75m。 表1 几 种短 距离 无 线 传 播 协 议的比 较 141 无线协议 l r DAWI 一 F I Bl u e t o o t h Z l gBe e 无线发送方式 P e e r-t o . P e e r 扭 DS S S F HS S DS S S 传输速率1 6 Mb P s l l Mb P sI Mb P s2 5 0 kPb s 每个主节卢链接最大节卢数 3 l7 2 5 4 数据形式视频、图片、语音、文件 视 频
8、 、 图 片 、 语 音 、 文 件 图片、 语音、 文件小数据包 覆盖范围 ( m) l 01 0 0l 0 7 5 电池寿命几小时几小时 一 星 期 左 右 大 于 一 年 复杂度较复杂复杂 很复杂简单 单元造价 ( U S $ ) 59 63 a o s s s ( d : r c c t s e q u en c e s p r e ad印 e c t r u m ) 直 接 序 列扩 谱 b F S S S ( freq u encyh o P P m g sP re adSP e c t ru m ) 调频扩频 G P R s 是包括G S M在内新的分组数据承载业务,它可以与I
9、n t e m et 以G G sN ( G at e w ay G PRs support N ede ,网 关支持节点) 相连, 构成“ 中心计算机一多个用户点” 的组网方式。 具有资 源利用率 高、传输速率高、支持IP 协议和X25协议和网络覆盖广等技术优势。而卫星遥感技术则是通过卫星 的传感器测得农业目 标物体的信息数据, 通过一定的数据处理和分析判读来探侧、识别农业目 标物 体及其现象的技术。它的主要功能是适时准确地获取农业信息数据。卫星遥感技术覆盖面大、信息 丰富、 时相性强、 速度快、高分辨化的 这些优点。 全球定位系统( G P s) 是导航卫星测时 和测距 淦球 定位系统的简
10、称,目 前利用的实时差分技术, 精度可以达到月m 。 G P S 技术能实时、 快速地提供目 标 物体的位置和海拔高度。它与卫星遥感技术相结合可做到定向与定位获取信息, 并能起到定向导航 的作用。这正是遥感技术实施空间定位, 用于解决农业生产问题的一个十分重要的关键技术。 2无线测控技术在现代农业中的应用 无线测控技术在现代农业中的应用仍处于开始阶段,大多系统采用的无线侧控技术不一,但其 应用基本上分为以下几大类:a) 农业环境监控技术b) 精准农业c) 无线智能农业机械d) 温室环境 无线测控系统e) 农产品可追溯系统 2 . 1农业环境监控技术 农业环境资源,例如土壤、土地、气候、生物和水
11、等都是广泛分布在地球表层,不但空间变异 性很大,而且随着时间的推移而不断的变化 ( 时间变异性)的环境资源。要想合理利用这些农业自 然资源,就必须掌握它们的分布、种类、性质及其利用的变化,并取得现势性资料,只有运用包括 卫星遥感技术、全球定位系统技术 ( G P S )等建立起农业环境监控技术,才能及时地获取现势胜地 环境信息资料, 从而达到对环境资源地合理利用。 2 0 0 4 年10月美国农业部与美国太空署签署协议,美国太空署提供更多的高性能遥感卫星支持美 国农业的发展。 这些高性能遥感卫星在农业中的使用,可以探测感应害虫迁移,提供更高分辨率的 遥 感 图 像 , 更 多 通 道 的 光
12、谱 信 息 sl 。 N ev il le 等( 2 0 00 ) 开 发 的 基 于 图 象 为 基 础 的 Gl s ( G e o gr a p h lc In fo rmatlon s ys te m ) 用来帮 助评价美国 T ex assaitB as in的 地下水水质和土地发展潜力, 结果显示 L an ds at 的 T M( The m at ic M ap p er ) 图 象与G ls 空间 数据库结 合使 用, 生成的图 象可以 辩别地 表和地下 的 属性 , 较 为 精 确 地 对 地 下 水 和 土 地 发 展 潜 力 进 行 评 估 161 。 M or an(
13、 2 0 0 1)在 解 决 意 大 利 P ad ov a 植 中国农业工程学会设施园艺专业委员会2 006 年学术年会论文集 物园由于周围建筑施工大量开采地下水改变了长期建立的植物与地下水之间的平衡所引起的植物缺 水问题时, 需要水循环和月平均腾发量E T资料, 考虑到园中的植物遮挡, 采用水平衡法和与A r c 八 n fo Gl s 结 合 在 一 起 的 数 学 模 型 来 估 算 E T , 得 到 较 好 的 结 果 v1 . 国 内 , 罗 锡 文 等( 2 0 03) 利 用 G P s 和 Gl s 技术获取了草地产草量、 地形和土壤理化性质数据, 给出了产草量和土壤理化性
14、质在空间上的分布差 异, 分析了草地产草量与地形和土壤理化性质之间的相关关系, 并根据灰色综合关联度指出了影响产 草 量 的 主 要 因 素 s1 。 丁 太 胜 等( 2 0 03 ) 根 据 气 象 卫 星 遥 感 、 数 值 预 报 和 农 业 气 象 观 测 资 料 , 详 细 分 析 降水对早涝演变趋势的影响并建立了模型。 通过对数值预报产品动力释用技术方法研究, 研制了中短 期 面 雨 量 预 报 系 统 , 最 终 形 成 江 淮 流 域 旱 涝 遥 感 监 测 预 报 系 统 0l 。 2 . 2精准农业 精准农业是一种基于空间信息管理和变异分析的现代农业管理策略和农业操作技术
15、体系。它根 据土壤肥力和作物生长状况的空间差异,调节对作物的投入,在对耕地和作物长势进行定量的实时 诊断,充分了解大田生产力的空间变异的基础上,以平衡地力、提高产量为目 标,实施定位、定量 的精准田间管理,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。 美 国 的 大 农 场 主 在 农 业 技 术 人 员 的 指 导 下 , 用 G P s 取 样 器 把田 块 按 坐 标 分 格 取 样 , 约 0 5 一 hmZ 取 一份土壤样品,分析各取土单元格 ( 田间操作单元)内土壤理化性状和大、中、微量养分含量,并 应用G P S 和G ls技术做成该地块的地形图、土壤图和各年的土壤养
16、分图等。在收割机上装G P S 接收器 和产量测定仪, 在收获的时间每隔1 .Z S G P S 定位一次, 同时记录当时的产量, 用G ls做成当季产量图, 用 来 分 析 、 参 考 以 及 决 策 l0l 。 我 国 的 周 国 祥 等 人( 2 0 0 4)研 制 的 农 田 精 确 定 位 和 无 线 传 输 技 术 的 产 量远程监测系统对于一个中 大型农场或者农业管理区,如需掌握收获期间各个地块的作物产量, 只 要在每个收割机的产量监测仪和农业监控计算机上安装一个无线通信终端,就可以实现收割现场与 监 控 中 心 的 实 时 通 信 11 。 聂 艳 等 ( 2 0 03) 针
17、对目 前 我 国 土 壤 养 分 管 理 和 施 肥 技 术 的 现 状 , 利 用 35( Gl s 、 R S 、 G P S) 技术在农业上的广泛应用,从与土壤肥力、施肥、 作物有关的因素着手,探讨土壤肥料 专家系统的设计过程。这种专家系统不但能指导农民合理施肥,也能为决策者和肥料供销商提供决 策 服 务 1,1。 2. 3无线智能农业机械 对农业信息地采集和对数据地处理以后,通过无线通讯方式对装备有无线传感器 ( 盯 )地智能 农业机机械地操作提供指导、控制。 日 本是研究农业机器人最早的国家之一, 早在20世纪70年代后期, 随着工业机器人的发展, 对农业 机器人的研究工作逐渐启动,
18、 已 研制出多种农业生产机器人。NK ondo等 ( 1 9 9 7) 人研制的番茄收获 机器人, 利用机器人上的红外传感器和设置在地头土埂的反射板实现控制。并包括机械手、 末端执行 器、视觉传感器、移动机构和控制部分。用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实, 能在 田间自 动行走, 可检测是否到达土埂, 到达后自 动停止, 转动后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别 到采摘完成的速度大约需要155 / 个, 成功率在70% 左右, 成熟番茄未采摘的主要原因是其位置处于叶 茎相对茂 密 的 地 方 11 31 。 M c Ki m on( 2 0 03 ) 等 建 立 的 基 于 无 线
19、网 络 的 通 讯 系 统 , 可 将 农 场内 的 机 器 , 如 棉 花采摘机、喷灌机、变量施肥机和个人通讯设备与基站相连,通过无线通讯网络为这些机械提供农 田 信 息 和 操 作 指 导 11 41 。 2 . 4温室环境无线测控系统 目 前, 国内外对现代化温室的监控技术发展很快。 纵观国内外温室环境调控系统的发展过程, 大 园艺设施与环境 体可分为 3 个阶段: 人工控制阶段; 以 机电 一体化控制为主的 阶段,应用计 算机参与调 控的阶段 , 该阶段 又 可 分 为 集 中 式 计 算 机 控 制 和 分 布 式 计 算 机 控 制 11 1 。 随 着 无 线 通 讯 技 术 的
20、 进 步 , 基 于 无 线 的 控 制 系 统应运而生。由于温室是多传感器分布式的自 动控制系统, 基于总线式的温室控制由于布线复杂渐 现缺点。 温室的空间分布相对于大范围的农田要小的多,基本上是基于近距离无线测控方式。 H wan g. H(2003) 在 温室西瓜 种植中 , 通过安装在温室内 基于蓝牙技术的 无线传感器向 上位机发 送西瓜 长势的图像,上位机对无线传感器发送的图像进行分析后,并对装备有无线控制单元的机器人提供 指 导 对 成 熟 的 西 瓜 进 行 采 摘 1 6 。 M lzunu m a 等 人( 2 0 03 ) 通 过 使 用 无 线 网 络( wLAN) 对
21、农 业 与 温 室 植 物 长 势 进 行 监 测 。 同 时 他 们 认 为 通 过 对 植 物 的 远 程 控 制 可 以 极 大 的 提 高 产 量 和 减 少 劳 动 力 l 7 。 在 国内,柳桂国、应义斌 ( 2 0 0 2) 的温室环境检测与控制系统嵌入了蓝牙芯片,参数采集器可以 便捷 地放置在温室内的不同位置, 控制器同样嵌有蓝牙芯片, 它一方面与便携式环境参数采集器无线连接, 另 一 方 面 通 过 R s 一4 85 总 线 与 温 室 内 的 计 算 机 控 制 装 置 相 连 接 11 】 。 在 杜 辉 、 陈 教 料 等 人( 2 0 05 ) 基 于 蓝牙技术的分
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- 关 键 词:
- 无线 测控 技术 现代农业 中的 应用 展望
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