基于无线传感器网络的精准农业灌溉技术.doc

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基于无线传感器网络的精准农业灌溉技术

一、研究背景及意义

1、精准农业概述

精准农业（PrecisionAgriculture）是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。

其根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，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。

精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益，它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。

精准农业技术系统以大田耕作为基础，定位到每一寸土地，它从耕地，播种，灌溉，施肥，中耕，田间管理，植物保护，产量预测到收获、存储、管理的全过程实现数字化，网络化和智能化。

应用遥感，遥测，遥控等先进技术，以实现农业生产的信息驱动，科学经营，知识管理，合理作业，使每一寸土地都得到最优化使用，形成一个包括对农作物，土地和土壤从宏观到微观的监测预测，农作物生产发育状况以及环境要素的现状和动态分析在内的信息农业技术系统。

精准农业在美国等发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，已被广泛承认是可持续发展农业的重要途径，并无疑是21世纪领先的农业生产技术。

美国八十年代初提出精准农业的概念和设想，九十年代初进入生产实际应用，目前还处在研究发展阶段，部分技术和设备已经成熟和成型，但还没有形成系统。

美国实施精准农业是根据需要、经济、实用的原则来进行的，很少把所有的技术都全套应用上。

以色列是目前世界上采用节水灌溉技术最广泛的国家。

缺水是制约以色列农业发展最主要的因素，因此，在以色列的大地上节水灌溉无所不在。

经过半个多世纪的发展，目前，以色列已形成了完整的节水农业体系，凡有人居住的地方就有绿色存在,有绿色的地方就有滴灌。

除此之外，在英国、德国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家都有开展精准农业研究和应用的报道。

日本、韩国等国家近年来已加快开展精准农业的研究工作，并得到政府部门和相关企业的大力支持。

2、推行精准灌溉的意义

实施精准灌溉是推行精准农业的重要环节。

从控制工程的角度来讲，精准灌溉表示在土壤、气候、作物、水源和灌溉设施等约束条件下，通过对灌溉方式、时机、速度、水量等实施精准控制，使农田水势保持在适宜作物生长的最佳状态，即农田水势的最优化控制。

我国农业用水量约占总用水量的80％左右，但水的利用系数即利用率却普遍低下。

就全国范围而言，农业灌溉水的利用系数平均为0.45。

换句话说，我国农业用水的55％浪费掉了，水资源严重短缺以及水资源利用率偏低严重制约着我国经济的可持续发展。

加上全国90％的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放的水污染，11%的河流水质低于农田供水标准。

水是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源，因此实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，是我国目前发展精确农业的关键。

国家发改委、科技部、建设部、农业部和水利部联合发布的《中国节水技术政策大纲》明确指出:

发展高效节水型农业是国家的基本战略,改进田间灌水技术是农业节水的重点；鼓励应用精准控制灌溉技术；提倡适时适量灌溉；加强农作物水分生理特性和需水规律研究；积极研究作物生长与土壤水分、土壤养分、空气湿度、大气温度等环境因素的关系。

精准灌溉不仅可以大大提高水的利用率80%～90%，提高水对农业的增产率20%～40%，而且还可以提高水分的生产率。

以科学配水、科学用水、科学节水、兴利避害为核心的精准灌溉，是解决我国农业用水的有效途径。

精准灌溉最大的目的和特征就是，以最精省的水资源投入去换取农作物的最优最高产出。

3、无线传感器网络概述

能够在人、物和事件之间实现无缝连接一直是计算机业界发展的目标，这个目标看起来似乎遥不可及，但现在这种局面已经有所改变。

由于在传感器、计算和通信技术领域取得的快速进步，互连世界已不再仅限于互联网的广泛使用，一些全新的应用将把强大的计算能力和无线通信能力带入我们的日常生活。

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。

随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

2003年，美国《技术评论》提出无线传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

同年，美国《商业周刊》评价无线传感器网络是人类未来四大高新技术产业之一。

著名的《福布斯》杂志评论说：

“未来的传感器网络将比现有的Internet大得多。

”

我国无线传感网在研究、应用及标准化等方面与国际先进水平基本同步。

传感器网络已经成为我国信息领域少数位于世界前列的方向之一。

我国传感器网络研究没有盲目地跟从国外发展路线，而是形成了以应用为牵引的研究特色。

以中科院为代表的我国传感网的研究，面向国家重大战略和应用需求，开展了无线传感网基础前沿、关键技术、应用开发、系统集成和测试评估技术等方面的研究。

中科院上海微系统与信息技术研究所经过近十年的努力，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面均取得了重大进展。

“5·12”汶川地震灾害发生后，当地通讯系统几乎完全瘫痪。

中科院微系统所使用部分无线传感网技术，在没有固网和移动网的情况下独立工作，使指挥所能够实时了解灾情和救灾现场的状况，极大地提高了一线救灾单位的统筹沟通效率、信息获取速度和对外联络宣传的效果；之后又在唐家山大坝及堰塞湖沿线布设了14个视频监测点，用于全天候、24小时实时监控唐家山堰塞湖水文资料和坝体变化等情况。

所提供的视频监控画面不但实时传输给位于绵阳的指挥中心，还为国家及相关部省领导提供了50多路远程监测视频信息，为相关领导关心和了解现场情况、科学指导救灾提供了第一手的实时资料。

目前，无线传感器网络处于研究阶段，正朝着实际应用的方向发展，因此，抓住这个时机，积极地研究无线传感器网络及其相关技术和应用模式是十分必要和迫切的。

4、无线传感网络在农业上的应用

在传统农业中，人们获取农田信息的方式很有限。

主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力。

农田灌区中数据采集量很大,利用网络可以比较方便地实现大量数据的远距离传输,但如果在农田灌区中铺设有线网络,一方面不便于农田的耕作,另一方面成本也较高。

而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。

通过离子、生物传感器可以获知农田中的土壤养分，包括土壤有机质、PH值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的监测，然后通过节点定位技术或在中心节点安装GPS芯片可以确定缺少养分的区域，从而实现精确的施肥灌溉。

近几年发展起来的无线传感网络由于应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远,已经在很多领域得到了应用。

通过无线传感器网络可轻易采集气温、湿度、光强等农田作物环境信息，而且随着压缩算法的改进，还可以通过图像传感器实时传输相关图像，结合机器视觉技术,再由专家系统对作物和作物环境进行诊断，并反馈给农民适当的信息。

此外，通过对作物信息和作物环境信息建立数据仓库，建立产量与周围环境变量的模型，可以预测以后的作物收成。

DigitalSun公司开发了无线传感器网络自动洒水系统，传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。

澳大利亚的CSRIOICTCenter将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等）和外界环境进行监测，避免了有线线路对动物生活的干扰，研制成完善的草地放牧与动物模型。

蓝会立、张认成、毛思文（2005）针对目前我国仓储行业粮情检测系统存在的不足，提出了一种基于无线传感器网络的设计方案，主要进行了无线温度传感器节点的硬件结构和软件设计，用来监测粮食储备库温度的变化，具有精确度高、稳定、使用方便的特点。

冯友兵、张荣标、谷国栋（2005）针对农田灌区范围广、数据量大、实时传输难的特点，提出在节水灌溉控制系统中利用无线传感网络传送农作物需水信息的方案，该方案解决了灌区信息实时传输的问题，根据农田灌区的具体情况，结合无线传感网络的特点，设计了一个切实可行的灌区无线传感网络系统，系统中解决了网络结构、节点定位、路由和能量监控等问题。

孙程光（2007）通过应用PTR8000无线收发模块,配合VB和Flash技术组成上位机系统，解决了温室里因大量布线而导致安装维护困难的问题。

同时能够组成简单网络，迎合了传感器的无线化、网络化的趋势，并建立了具有高度智能化、人性化操作平台的智能温室环境监视和控制系统。

此外还有基于无线传感器网络的温度、土壤水分以及酸碱度的农业监控系统；养猪场监测母猪行为与个体健康状况的无线传感器网络系统；为防疫控制的动物运输与运动过程无线实时跟踪监测系统；还有利用无线传感器网络系统监测牧场中牛的活动，防止两头牛相互斗争等农业应用系统均有报道。

近几年来，随着无线传感网络的持续深入研究，利用无线传感网实施农田精准灌溉已被证明是可行的且拥有广阔前景。

二、国内外研究现状

1、国外现状

采用节水和节能的精准灌溉方法是当今世界供水技术发展的总趋势。

精准灌溉系统在国外发达国家起步比较早，推广比较快，技术发展较为成熟，特别是美国、以色列和加拿大等国，先进的电子技术、计算机和控制技术运用到了农业供水中，大大提高了用水效率和生产力。

美国是世界上研制开发精准灌溉最早的国家之一,目前有20%的耕地、80%的大农场都已经实行精准灌溉模式,给农场主带来了明显的节约效应和规模效益，并将于2010年前得到广泛普及。

美国的用水管理水平也很高,一些灌区做到了土壤墒情监测和灌水预报相结合,从渠道取水、渠道（或管道）输水、田间灌水全部实行自动化管理,统一调度、优化配水,减少了输配水损失和渠道弃水,大大提高了水的利用率。

以色列位居沙漠边缘，降雨量少，年降雨量仅20～50mm，是一个极度干旱少雨、土壤瘠薄的国家，发展精准灌溉对他们至关重要，为克服区域水源缺乏，以色列目前已经研制出世界上最先进的喷灌、滴灌、微喷灌和微滴灌等精准灌溉技术，完全取代了传统的沟渠漫灌方式。

境内所有的水源均联合在一整体管网内，利用各种输水管网经由主管道将水自北部运送到中部和南部干燥地带。

耕地下面的湿度传感器可以传输有关土壤湿度的信息，通过直接接触植物的根部，传感器系统根据检测植物的茎和果实的直径来决定植物的灌溉间隔。

无论灌溉区域大小，完全由计算机控制，根据土壤的吸水能力，作物种类，作物生长阶段和气候条件等定时、定量、定位为农作物供水。

不仅使水资源利用率达95%以上，而且大幅度地提高了农作物的单位面积产量，农民的生产经营环境日益改善，经济效益不断提高，农民户均年收入普遍达到5万～8万美元。

世界其他国家如意大利、德国、法国、日本、俄罗斯、加拿大、澳大利亚和韩国等也都积极发展精准灌溉技术，有些国家已经开发成功并形成系列的灌溉控制器产品。

2、国内现状

随着我国经济和科技的发展，节水供水系统发展得也很快，但大多停留在以单片机控制为核心技术基础上，与国外发达国家有一定的差距。

我国对精准灌溉技术的开发研制工作起步较晚,对数字化农业模式的认识尚处于启蒙阶段,目前只有少数科研院所进行这方面的研究开发工作,在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段,能实际投入应用,且应用较广的灌溉控制器比较少见，整体水平只达到先进国家20世纪80年代末的水平,很多关键的灌溉设备严重依赖进口，不仅价格昂贵，而且不适合我国国情。

因此,加速开发我们自己的、符合我国国情的精准灌溉系统及