《农业物联网应用技术》课件-5 农业物联网的种植业应用

农业物联网应用项目五

农业物联网的种植业应用知识目标1.能够叙述大田种植物联网系统的技术特点及组成。2.了解设施园艺物联网应用。技能目标能够对农业物联网应用场景的技术组成提出方案。素质目标培养学生农业信息化的意识。项目描述农业物联网涉及农业生产、经营和管理的方方面面。单从生产来说，农业物联网可以对种植进行管理，对病虫害进行诊断，对设备进行自动控制等。那么农业物联网是如何开展这些项目的?通过本项目的学习，我们将得到答案。案例导入病虫害你了解多少?农业农村部办公厅印发的《2023年“虫口夺粮”保丰收行动方案》指出，据全国农作物病虫害测报网监测和专家会商分析，预计2023年小麦、水稻、玉米等粮食作物病虫害呈重发态势，发生面积31.5亿亩次，同比增加24%,预计产量损失在3600亿斤以上。油菜、大豆重大病虫害发生1.1亿亩次，同比增加15%,对稳粮增油、提高油料自给率构成威胁，需加大组织力度，采取有效措施，坚决遏制暴发危害趋势，最大限度降低危害损失，实现“虫口夺粮”保丰收。1,种类多、范围大、暴发性强目前水稻病虫害呈现种类多、侵染范围大、暴发性强等特点，在病虫害呈上升趋势或大面积暴发前做好相关防御工作，并及时发布预警信息，才能防患于未然。2,温室效应影响农作物生长温室效应影响了农作物的生长周期，水稻的生长周期大致分为四期，每期所需的温度、光照强度和水量等都不同，例如，分蘖期最适气温为30～32℃,最适水温为32～34℃,持水量不能低于70%、气温升高会使得衣作物的生长速度加快，导致农作物的生长期缩短，产量减少。同时，气温升高，还会使得更多病原体和害虫越冬、增加春季感染面积。3.发生速度快病虫害发生速度很快，病菌从大量繁育到侵入寄主最多只需24小时，对预警时效要求非常高。以稻瘟病为例，其便入期为8小时左右，以当前时间为基准，需利用水稻生长环境前5小时的历史气象数据和后3小时的气象网预报数据对该病菌侵入寄主的情况进行预警，如果依靠人为经验极易误判、漏判而延误时机，导致病虫害的暴发与流行。4.处理不及时，影响农作物品质设备监测可以实现24小时不间断，发现问题及时反馈，如果等病虫害暴发后再进行防治，可能增加农药的用量，导致土壤肥力下降，农作物的农药残留也会降低农作物品质。靠天艺饭或人力防治的传统手段已经难以应对多变的外界因素，必须要增配自动化、智能化监测设施，提升实时监测和早期预警等末端发现能力。思考：农业物联网能做些什么?怎么做?(一)概念种植业是农业的主要组成部分，包括各种农作物栽培以及与之相应的农田有关作业，如农作物播种、中耕、除草、施肥、灌溉、植物保护等。广义的种植业还包括林业、畜牧业、副业、渔业的采伐和农产品的初步加工。对种植业而言，生产环境相当重要，比如对土壤而言，pH应控制在适宜农作物生长所需范围之内，要求有机质含量较高，并必须保持足够的湿度、通气性和保水性。农业物联网应用于种植业的优势如下：①可以实现科学栽培，精准操控：通过利用布置的各种传感器收集的数据，能根据农作物生长的需要对栽培基地的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等进行调控。②便于追根溯源：农业物联网可通过各种监控传感器和网络体系将一切监控数据保存下来，便于农产品的追根溯源，完成农业从生产到出产全流程的绿色无公害化。一、大田种植物联网系统(一)概念大田农业是指大面积种植农作物的大规模农业生产。一般来说，大田农业与精细农业的概念是相对的。大田作物主要指在我国大面积种植的农作物，如小麦、水稻、玉米等。大田种植物联网是物联网技术在产前农田资源管理、产中农情监测和精准农业作业以及产后农机指挥调度等领域的具体应用。大田种植物联网通过实时信息采集，对农业生产过程进行及时的管控，建立优质、高产、高效的农业生产管理模式，以确保农产品在数量上的供给和品质上的保证。一般来说，在大田种植中会使用土壤墒情监控系统、农田环境监测系统、测土配方施肥管理系统、大田作物病虫害诊断与预警系统、农机调度管理系统等。一、大田种植物联网系统(二)技术内容1.数据采集与处理通过部署专业摄像头，定时抓拍具有代表性的植物图像，通过网络远程传输、存储图像数据到数据中心和控制中心，实现精准查看现场近景图像情况，管理土地情况。2.智能机械作业农业机械安装有卫星导航系统、自动驾驶系统、计算机设备及必要的传感器，能对田间农作物信息、土壤信息、环境信息进行不间断监测，并准确地执行农业机械的施肥、喷药。3.自动控制采集、传输、分析和处理农田各类气象因子，并根据数据远程控制和调节农田小气候。4.精准农业决策自动检测农作物需水量，对灌溉的时间和水量进行控制；采用测土配方技术，结合3S技术和专家系统技术，根据农作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，测算肥料的施用数量、施肥时期和施用方法。一、大田种植物联网系统(二)技术内容5.预测预警实时观测土壤墒情，进行预测预警和远程控制；根据农作物病虫害发生规律或观测得到的病虫害发生前兆，提前发出警示信号，制订防控措施。大田种植所涉及的种植区域多为野外，面积广阔，气候多变。因此，在设计物联网方案的时候要综合考虑以下问题。(1)由于种植区面积一般较为广阔，因此物联网平台需要监控的范围较大。(2)野外天气多变，信号传输的稳定性受到考验。(3)农业物联网监控数据采集的频率和连续性要求并不太高，如果是有线传输，则存在布线复杂和供电困难的问题。因此，可以选择远距离低速无线传输技术。一、大田种植物联网系统(三)体系架构1.系统技术架构大田种植物联网系统结合种植业标准化生产要求，将架构分为感知层、传输层、服务平台和应用层。(1)感知层：主要是各种农田信息采集设备，包括农田生态环境传感器、土壤墒情传感器、气象传感器、作物长势传感器、农田视频监测传感器、灌溉传感器、田间移动数据采集终端等。重点实现对大田作物生长、土壤状态、气象状态和病虫害的信息采集。(2)传输层：采用远距离低速无线传输技术，包括网络传输标准、PAN网络、LAN网络、WAN网络。通过上述网络可实现信息的可靠和安全传输。(3)服务平台：作为一个关键的组成部分，服务平台在物联网应用中扮演着至关重要的角色。它能够有效地将各种设备、传感器、超级计算(云计算)和应用程序连接起来，并通过提供数据存储、视频等管理服务，实现物联网系统的智能化运营。(4)应用层：农业物联网应用系统在多个领域发挥着重要的作用，其功能和价值在不同行业和应用场景中有所差异。常见的有农田作业管理系统、精准施肥服务系统、作物生长监测系统、病虫害远程检测系统、水稻田间远程灌溉监测系统、农田视频监控系统。一、大田种植物联网系统(三)体系架构2.服务体系架构基于云计算的平台服务体系，大田种植物联网能够在基础设施层面为种植业物联网应用系统提供传感数据接入服务，空间数据、非空间数据访问服务；在平台层面为应用系统提供开放的、方便易用的、稳定的部署运行环境，适应种植业业务的弹性增长，降低部署的成本；在应用层为应用系统开发提供种植业生产基础知识、基础空间数据以及涉农专家知识模型，实现多类型终端的广泛接入。种植业物联网服务平台服务架构体系可以分为三层架构：基础平台、服务平台、应用系统。一、大田种植物联网系统(三)体系架构(1)基础平台：包括物联网应用管理、种植业生产感知数据标准、种植业生产物联网服务标准、种植业生产物联网数据服务总线、种植业生产物联网安全监控中心。(2)服务平台：包括传感服务、视频服务、遥感服务、专家服务、数据库管理服务、GIS服务、超级计算服务、集群调度及其他服务。(3)应用系统：包括农作物种子质量检测产品应用，水稻工厂化育秧物联网技术应用，智能程控水稻芽种生产系统，智能程控工厂化育秧系统，便携式作物生产信息采集终端及管理系统，水稻田间远程灌溉监控系统，农田作业机械物联网管理系统，农田生态环境监测系统，农田作物生长及灾害视频监控系统，大田生产过程专家远程指导系统，农作物病虫害远程诊治系统，地块尺度精准施肥物联网系统，天地合一数据融合技术灾害监测系统及种植业生产应急指挥调度系统等。一、大田种植物联网系统(一)建设意义我国是一个农业大国，人口众多，国土面积辽阔，但耕地资源相对匮乏，土壤总体质量不高。在这种条件下，需要更加精细而有效地利用土壤资源，对土壤的信息进行监控与预警。每种土壤都可能有不同的土地利用方式和管理措施，及时了解土壤质量信息与变化对指导农业生产和保护生态环境有十分重要的参考意义。二、墒情监控系统(二)概念墒情监控系统是利用传感器测量土壤水分含量，对土壤墒情(土壤湿度)进行长时间连续监测的自动化系统。该系统可以灵活布置土壤水分传感器，也可将传感器布置在不同的深度，测量剖面土壤水分情况，而且扩展方便，可根据监测需求增加对应传感器，监测土壤温度、土壤电导率、土壤pH、地下水水位、地下水水质以及空气温度、空气湿度、光照强度、风速风向、降水量等信息。土壤墒情仪器自动采集各农作物的土壤水分，并将结果通过GPRS传输到中心服务器，监控与预警中心按用户的请求，从数据中心调用相应的数据反馈给用户，即墒情监测数据、旱灾预警数据、走势分析数据、报表分析数据等，能够全面、科学、真实地反映被监测区的土壤变化，可及时、准确地提供各监测点的土壤墒情状况，为减灾抗旱提供了重要的基础信息。二、墒情监控系统(三)功能(1)实现各级土壤墒情数据监管：不同渠道获得的信息在同一个平台上进行管理、分析，实现信息互通。(2)建立完善的信息发布机制：可以实现农业相关的政策、法规、咨询、新闻信息库的建立，为省、市、县农业管理部门提供依据，为农户提供交互平台。(3)建设及时的旱情预警与短信通知：可以通过不同颜色来区分不同灾情，及时预测预警灾害，并发送到各级部门和农户手中。二、墒情监控系统(四)系统特性(1)满足野外作业需求，具有防风、防雨、防尘等功能，满足IP65防护等级。(2)采集器：电源具有防反接、抗脉冲群、防雷、防静电等保护措施。(3)通信方式：贯桥云盒采集传感器数据并通过GPRS传输至云端，实现通过手机、电脑远程实时查看数据。(4)GPS功能：通过软件平台可查看设备具体的地理位置(经度、纬度)。(5)采集器可靠性：外部电源和通信系统出现的临时故障不影响数据采集，通信恢复后自动下载延误传输的数据；永久断电不丢失已采集存储的数据。(6)设备供电方式：外接交流电(220V供电)或者太阳能供电系统(80W太阳能板、40AH蓄电池、太阳能控制器、支架、金属防护箱)。二、墒情监控系统影响农业生产的关键因素有光照强度、温度、湿度、降水量、二氧化碳含量等。如何控制好这些因素，成为提高农业效率，使农业向精细化方向发展的重要步骤。农田环境监测系统可以实时采集温度、湿度、光照强度、风速风向、降水量等农业环境参数，解决了参数控制困难的问题，同时也为农作物生长发育提供了准确的一手气象基础资料。农田环境监测系统是一种由太阳能供电式采集仪，各种传感器和智能网关所组成的农业监测系统，可同时监测空气温度及湿度、光照强度、土壤温度及湿度等参数，通过LoRa/NB-IoT网关上传数据至云端数据库，终端设备可远程实时查看数据信息。农田环境监测系统的具体功能如下：①温室环境实时监控；②智能报警系统；③远程控制；④数据分析；⑤视频监控；⑥土壤监测、农作物监测、病虫害监测等。三、农田环境监测系统我国是农业大国，农田是用水大户，用水量占全国总用水量的60%以上，但是由于农业灌溉效率低下，农业用水的有效利用率不高。因此，急需一项新技术来缓解水资源紧缺和农业用水量大的矛盾。1.水肥一体化狭义来讲，水肥一体化就是通过灌溉系统施肥，农作物在吸收水分的同时吸收养分。通常与灌溉同时进行的施肥，是在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水管道而实现的。溶有肥料的灌溉水，通过灌水器(喷头、微喷头和滴头等)喷洒到农作物上或滴入根区。广义来讲，水肥一体化就是将肥料溶解后施用，包含淋施、浇施、喷施、管道施用等。2.水肥一体化系统水肥一体化系统是一种农业新技术，它将灌溉与施肥融为一体，借助压力系统(或地形自然落差)将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和农作物种类的需肥规律和特点进行配兑并与灌溉水一起通过可控管道系统相融后，再通过管道和滴头形成滴灌，均匀、定时、定量浸润农作物根系生长发育区域，使主要根系土壤始终保持疏松和有适宜的含水量。水肥一体化系统可根据土壤环境和养分含量状况、农作物不同生长期需水需肥规律进行不同生育期的需求设计，把水分、养分定时定量，按比例直接提供给农作物。水肥一体化系统是将灌溉与施肥合二为一的智慧农业新形势，一般包括水源工程、首部枢纽、田间输配水管网系统和灌水器四个部分。四、水肥一体化系统3.优势(1)节水节肥：可以通过按照正确的比例调控，使水肥达到最大化利用，减少水资源和肥料的浪费。(2)提高产量：改善农作物生长环境，促进农作物产量的提高和产品质量的改善。(3)省时省力：应用管道进行灌溉和施肥，只需要打开阀门并将肥料溶解后倒入加肥系统，不需要下地，有效减少了时间消耗和人力成本。(4)智能控制：灌溉控制系统通过实时采集土壤水分、温度等相关参数，并根据农作物生长需要进行实时智能控制，实现定时、定量、精准施肥。(5)减轻病虫害发生：水肥一体化技术提高了土壤通透性，降低了温室内空气湿度，提高了农作物的抗逆性，在很大程度上抑制了农作物病虫害的发生，从而减少了农药的投入和防治病虫害的劳力投入。(6)科学研究：通过收集传感器及灌溉控制系统采集的数据，为专家做研究提供数据支持。四、水肥一体化系统农业病虫害是大田作物减产的重要因素之一，它具有种类多、影响大、时常暴发成灾的特点，如稻飞虱、白粉病、玉米螟、棉铃虫、小麦锈病、蝗虫等，会对农业生产造成重大损失，严重影响农业发展。此外，由于我国缺乏病虫害专家，难以充分深入基层，农民文化程度偏低，农业技术推广不到位，因此病虫害问题得不到及时发现和科学解决。为了解决上述问题，现在已研发设计出农业病虫害远程诊治及预警平台。该平台实现了病虫害数据采集、自动诊断和专家咨询三个功能。环境传感设备采集农作物生长环境信息，作为系统判断病虫害成因的参考依据，图像采集工具可以采集病虫害图像，数据库中存储的数据可供用户查看，也可供专家进行远程诊断，实现了农业病虫害远程预警、诊断及防治。五、病虫害诊断与预警系统(一)病虫害诊断与预警系统概述病虫害诊断与预警系统是利用现代科技手段，对农田、果园、森林等农林作物及其病虫害等进行智能化实时监测和预警的体系。该系统主要包括病虫害数据采集、病虫害数据库、在线诊断、预警及防控系统。病虫害数据采集：病虫害诊断与预警系统的第一步就是病虫害数据采集，主要利用各类传感器和摄像头采集气象、土壤、水质、农作物生长及病虫害数据。病虫害数据库：病虫害数据库是病虫害自动诊断得以实现的关键。病虫害数据库能将采集的数据存储，并与数据库中已有信息进行比对来判断是否有病虫害，以及病虫害的程度。当有新型病虫害出现的时候，也会被存储在数据库中。病虫害数据库列出了每种疾病的发病原因、症状、防治方法等，当比对成功时，便会在下一步实现在线诊断。在线诊断：输入农作物的病症，可以检索得出相应的解决方案。预警及防控系统：提供病虫害的预测、预报与防控技术和方法的指导。五、病虫害诊断与预警系统(二)病虫害专家决策系统病虫害专家决策系统是建立在诊断与预警系统基础上的。农业物联网采集的数据会首先跟知识库(数据库)中的数据进行比对(推理),如果比对成功，根据知识库的数据进行推理得出结果，但是当我们采集的数据在病虫害数据库中无法找到对应数据时，就需要向专家咨询。专家决策系统内存储了相关领域内一个或多个专家水平的大量知识和经验，应用人工智能技术和计算机技术进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程。1.专家系统专家系统由知识库、知识获取、推理机、综合数据库、解释程序、人机接口六部分组成。种植人员输入问题，推理机接收问题并反馈给知识库，然后得到答案。2.专家咨询系统不能由专家系统直接得出的答案，种植人员可以通过专家咨询系统终端设备以文字或者图片的形式向专家说明病虫害情况，专家根据得到的信息结合专业知识，给出诊断结果和防治措施。专家系统的数据库会自动记录上述情况，当类似病虫害再次发生的时候就会自动给出诊断结果。五、病虫害诊断与预警系统(一)概述设施园艺又称设施栽培，是指在不适于园艺作物生长的季节(寒冷或炎热)或地区，利用特定的设施(连栋温室、日光温室、塑料大棚、小拱棚和养殖棚)人为创造适合园艺作物生长的环境，以生产优质、高产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品的一种环境可控农业。设施园艺是能够同时利用太阳光合能量和光热转换的设施，可为种植业创造四季如春的种植条件，能将产量提升至露天种植的5倍。尤其是在缺水、寒凉的地方，设施园艺的优势更为突出。党的二十大报告指出，树立大食物观，发展设施农业，构建多元化的食物供给体系。设施园艺是食物供给体系中重要的部分，尤其是果蔬的供给，更多依靠设施园艺。数据显示，我国设施蔬菜(含设施食用菌)生产面积约为2.33×10⁴km²,年产量约2.65亿t,大概占总生产量的1/3,年人均近190kg。20世纪60年代以来，美国、荷兰、以色列、日本等国家开始研究设施农业工厂化，使传统农业逐步摆脱了自然资源的束缚，进一步满足了多元化、多层次的消费需求。我国的设施园艺发展空间巨大，全国蔬菜播种面积约为2.13×10⁶km²,设施蔬菜占比不到20%,却生产了1/3的蔬菜。但是目前，我国的设施园艺商品率较低，我们迫切需要实现设施园艺的现代化，探索设施园艺的智能化，集成创新、提质增效，发挥设施园艺的最大价值。六、设施园艺物联网应用(二)设施园艺物联网总体架构设施园艺物联网是以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、最优化控制、智能化管理为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生态、安全的一种现代化农业发展模式与形态，主要包括设施园艺环境信息感知、信息传输和信息处理或自动控制三个环节。(1)设施园艺物联网感知层。设施园艺物联网的应用一般指对温室生产的7个指标进行监测、即通过土壤、气象、光照等传感器，实现对温室的温、水、肥、电、热、气、光进行实时调控与记录，保证园艺作物生长的最适环境。(2)设施园艺物联网传输层。一般情况下，在温室内部通过无线终端实现实时远程监控温室环境和园艺作物长势情况。通过手机网络或短信的方式，监测大田传感器网络所采集的信息，以园艺作物生长模拟技术和传感器网络技术为基础，通过常见蔬菜生长模型和嵌入式模型的低成本智能网络终端。通过中继网关和远程服务器双向通信，服务器也可以做进一步决策分析，并对所部署的温室中灌溉等装备进行远程管理控制。(3)设施园艺物联网智能处理层。通过对获取的信息的共享、交换、融合，获得最优和全方位的准确数据信息，实现对设施园艺的播种、施肥、灌溉、收获等的决策管理和指导。结合经验知识，并基于园艺作物长势和病虫害等相关图形图像处理技术，实现对设施园艺作物的长势预测和病虫害监测与预警功能。还可将监控信息实时传输到信息处理平台，信息处理平台实时显示各个温室的环境状况，根据系统预设的阈值，控制通风/加热/降温等设备，达到温室内环境可知、可控。六、设施园艺物联网应用(三)设施园艺物联网系统1.设施环境监控设施环境监控是设施园艺物联网的重要组成部分。通过使用各种传感器，如温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等，对设施内的环境进行实时监控。这些传感器能够准确测量设施内的环境参数，并将其传输到云平台或本地控制系统。2.设施设备智能控制设施设备智能控制是利用物联网技术实现对设施内各种设备的智能控制。例如，通过智能控制系统调节设施内的温度、湿度、光照强度等环境参数。此外，智能控制系统还能够对设施内的设备进行远程控制，提高管理效率。3.设施植物生长监测与调控设施植物生长监测与调控是通过数据采集、云计算等技术，对设施内的植物生长情况进行监测和调控。通过监测植物的生长参数，如生长速度、叶面积等，及时了解植物的生长状况，并根据不同植物的需求进行精准调控。4.设施灌溉与施肥控制设施灌溉与施肥控制是利用物联网技术对设施内的灌溉和施肥进行控制。通过监测土壤环境和植物生长情况，自动计算出植物所需的灌溉水量和施肥量，实现精准灌溉和施肥。这样的控制方式可以提高设施作物的产量和品质，减少水肥浪费。六、设施园艺物联网应用(三)设施园艺物联网系统5.设施病虫害预警与防治设施病虫害预警与防治是利用物联网技术对设施内的病虫害进行预警和防治。通过实时监测植物的健康状况，能够及时发现病虫害的迹象，并采取相应的防治措施，减少因病虫害造成的损失。6.设施影像监测与远程诊断设施影像监测与远程诊断是利用物联网技术对设施内的影像进行监测和分析。通过安装摄像头，可以对设施内的植物生长状况、环境参数等进行实时监测，并将影像传输到云平台或远程诊断系统。管理者可以通过影像了解设施作物的健康状况，进行远程诊断和决策。7.设