[00127878]基于无线传感网络的数字农业关键信息快速采集与管理系统研究及试验示范

1、课题来源与背景 数字农业与精细管理是现代农业生产和农产品高效、优质和安全生产的重要技术保障,是国家中长期科技发展规划纲要和863 发展的重点领域。当前我国设施栽培普遍存在智能化程度低、肥水浪费严重、农产品安全难以保证等问题,其关键是缺乏低成本、实用化、智能化的技术和装备,急需自主研发。为此,在嘉兴市科技计划等课题的资助下,围绕农业物联网信息感知、传输和应用三个层面,进行相关研究,其中,无线传感器网络是物联网感知层与传输层的核心部分。 当前,国内外农业物联网应用普遍存在的问题是：在感知层部分,缺乏土壤与作物信息快速无损检测的传感仪器、环境检测仪器亦成本过高。在感知层与传输层两部分,现场多需要采用无线传感器网络,但目前缺乏统一的通信标准与接口规范,使得农业物联网在实施过程中信息获取与网络接入成本高、软件互操作困难、系统集成复杂等,不利于大规模推广。在应用层部分,农业物联网系统与农艺的融合研究较少,致使农业物联网系统的智慧化、实用化程度不足。本项目主要旨在解决上述问题。 2、技术原理及性能指标、技术创造性与先进性 1)针对农业物联网感知层,研发了多套土壤、作物与环境信息快速检测传感仪器,包括： a、研发了农田环境低成本、一体化快速检测仪,实现空气环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、风速、风向、雨量的实时采集,多参数一体化集成,降低当前最常用的农田环境指标检测仪的成本与售价。 b、根据可见-近红外特征波谱与土壤指标的响应机制和耦合关系,并基于FFT及小波变换的光谱微弱信号处理方法,研发了农田土壤环境多参数快速测量仪样机,经试验可实现土壤水分、有机质、氮素、电导率、PH值等指标的快速无损检测,解决了土壤信息全方位快速实时感知的难题。 c、基于光谱分析方法,提出了作物养分与病害的快速光谱检测方法,并通过了大量实验验证,可以实现作物养分、病害和三维形态信息的快速无损实时感知,并申请了相关专利,为产品化奠定了重要条件。 2)针对农业物联网传输层,研究了农业物联网标准体系,在此基础上研发了农田复杂环境条件下信息变送、无线传输和可视化监控的无线传感器网络关键技术与设备,包括： a、面向农业应用环境特殊需求,包括对象多样、环境复杂、高温高湿、传感信息多源,研究无线传感器网络标准化架构、传感器接口规范及相关互操作协议,研究了无线传感器网络智能组网、深度路由、休眠与唤醒机制、远程维护、数据压缩感知方法,提高了网络传输的效率与可靠性,解决了农业物联网应用中适应性差、维护难、能耗大、成本高等瓶颈问题。 b、开发了农业物联网系列关键设备,包括无线采集器、无线控制器、智能网由等,并面向系统集成商开发系列中间件,实现农业无线传感器网络与公网（GPRS、WIFI、3G、以太网等）的深度融合、信息实时可靠上传,实现农业物联网传输设备的标准化、通用化。 3)针对农业物联网应用层,重点面向农产品生产,开发了应用系统与云服务平台,包括： 面向农产品生产,建立了农艺与物联网融合的智慧农业云服务平台,设计了基于物联网的典型农艺专家系统,系统采用开放式结构,具体内容包括种养对象、何时、何种情况下、做出何种控制或建议（如灌溉、通风、卷膜、增氧、施肥等）,实现农业信息实时云端存储,智能分析、决策与控制,用户随时随地、多途径（电脑/手机/平板等）访问,农业专家/经营者/管理员协同管理,为农业生产提供数字化、精准化、可视化管理及决策,促进农业物联网向专业化、实用化、低成本发展。 3、技术的成熟程度,适用范围和安全性 项目组在作物、土壤信息快速检测,农业无线传感器网络系列技术研究方面达到国际领先或先进水平,在农艺与物联网技术融合系统,基于云服务模式的智慧农业、农产品安全监测与溯源方面,国内相关研究尚不多见,达到国内领先水平。 相关成果可广泛应用于设施大棚、大田种植、畜禽养殖、水产养殖等行业。 4、应用情况及存在的问题 系统成功应用于大桥镇多个合作社葡萄园、凤桥镇嘉兴市精品果园示范基地、大运河生态牧业畜禽养殖基地、萧山葡萄园、慈溪梨园、温州多个铁皮石斛种植基地、建德多个西红栽培基地等大量智慧农业物联网项目中,覆盖了粮食、果蔬、花卉、畜禽、水产等多种应用,获间接经济效益上千万元元;节省人工50%,节水和节肥40%,显著减低了成本,提高了效率。 在该项目基础上,成立了成果转化公司—嘉兴市宏联电子科技有限公司;目前,农业物联网产品已成为该公司的主营业务之一,设备销往全国各地,成为众多系统集成商的供应单位,相关产值已超过200万元,有力地推进了我国数字农业和农业物联网技术的发展和应用。 5、历年获奖情况 浙江省科学技术一等奖,2012（浙江大学 何勇）; 嘉兴学院优秀科技成果,2013（嘉兴学院 张伟）; 2013年嘉兴市创业创新领军人才（张伟）。