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智慧农业中的关键技术------土壤水分测量传感器的发展与未来

来源:中农富通 更新时间:2018-05-17


党的十九大报告把“实施乡村振兴战略”作为贯彻新发展理念、建设现代化经济体系的重要举措。乡村振兴战略的核心是要坚持农业农村优先发展,按照产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕的总要求,建立健全城乡融合发展体制机制和政策体系,加快推进农业农村现代化。而实现农业现代化必须要发展以物联网、智能感知、智能控制、云平台技术为核心的智慧农业。


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我国《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》(以下简称“规划”)中关于精准农业与智慧农业重大科技任务提出:围绕开展“互联网+”现代农业行动,重点攻克农业信息的智能感知与识别关键技术,农业物联网信息融合与云计算重大共性核心技术,构建农业资源环境大数据中心;开发精准农业农田信息快速获取技术系统、精准作业数字化管理与智能决策、肥水药精准实施装备等关键技术和重大产品系统。“规划”关于重点工程农业装备智能化工程方面明确提出:“研发和推广适合我国国情的传感器、采集器、控制器,推动传统设施装备的智能化改造”。以及“以企业为主体,鼓励产学研联合,以‘全要素、全过程、全系统’理论为指导,中试和熟化一批农业物联网关键技术、智能装备和解决方案,推广一批节本增效农业物联网应用模式”。

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土壤水分是土壤肥力的重要组成部分,是植物生长发育的重要影响因素,土壤水分也是研究农业干旱及作物干旱的重要参数,是节水农业中的重要指标。土壤水分是研究在土壤——植物——大气所构成的复杂系统中能量与物质交换时十分重要的指标,也是直接影响土壤发育演变和农作物产量的关键因素之一。土壤水分是农田灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参量。研究土壤水分含量及其动态变化规律是农业科学和环境科学工作中极为重要的组成部分。


土壤是由矿物质、有机质、水、空气和生物组成的复杂共生体,相互作用、相互依存、相互制约。由于土壤、大气环境、水与植物也构成了一个非常复杂的生态系统,各种因素交互作用、交叉影响导致了土壤水分的变化具有一定的不确定性,使得土壤水分的测量增加了难度。


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目前国内市场上土壤水分测量传感器多以单深度针式传感器为主也称为第1代传感器(如下图abcd所示),这种传感器稳定性和重复性都比较差,且精度普遍与标称值不符。传感器大多是RS485/RS232接口,传感器需要长电缆、功耗大,且信号衰耗严重、性能不稳定。第一代传感器一般仅能实现模拟信号的获取,需要配置数字采集仪进行数据采集及通讯,如果把测量数据存入PC机还需要上位机与数据采集仪相连。由于连接电缆的束缚导致应用受限且设备复杂。


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 (a) 第1代传感器

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(b) 第1代数据采集仪表

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(c) 第1代传感器的无线发送短消息装置

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(d) 第1代多深度数据监测系统安装


对于多个深度的土壤墒情监测系统需要多个独立的RS485/RS232接口的针式传感器与数字接收集成为一个系统,系统组成复杂。多个独立传感器集成对设备输出一致性要求很高。此外系统庞大也带来野外监测站的施工安装复杂、安装成本高。如果接入物联网还需另外增加物联网设备,甚至经常因为接口及协议不统一为组网增加了困难。


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图2 土壤墒情自动监测系统


随着物联网技术的普及大规模集成电路的发展,将数字仪表、无线发送设备与传感器一体化设计成为我国土壤水分测量传感器第二代技术的标志(如图3所示)。第2代传感器实现了实时、在线、原位测量,而且“一管到底”、多个深度同时监测、数据直接通过无线发送GSM/GPRS芯片发送至云服务器,用户借助任何终端(手机、PC机)随时随地查看数据。


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图3 第2代土壤水分监测系统


第2代传感器由于将多个设备集成设计,去除了影响系统性能的冗余器件如:电缆、接插件,大大地提高了系统的可靠性,降低了系统成本,也能高效、实时地为农业物联网、大数据提高源源不断的数据源。


由于农业物联网传感器大多是插在田间地头,不仅对精准度要求高,还对可靠性、实用性、经济性等有很高要求。此外,传感器长期插在野外如何能保证功耗进一步降低,太阳能板与管子一体化设计,当南方雨季来临没有阳光照射时也确保电力充足?如何满足日益增长农业物联网对数据精准度的需求?中国农业大学信息与电气工程学院石庆兰副教授带领的传感器团队对目前我国传感器市场及用户需求做了大量调研,发现由于传感器数据精准度与稳定性不高使一些物联网无法闭环控制的主要原因。石老师团队总结了我国目前市场上传感器的问题后,在航天恒星科技有限公司的资助下研发了我国第2.5代农业物联网专用传感器(如图4所示),系统框图如图5所示。


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图4  第2.5代土壤水分测量监测系统


2.5代传感器与第2代产品相比在多个深度的检测电路一致性指标上有很大改进,确保了一根管子集成的多个传感器输出的一致性,此外功耗也大大降低,由原来的120mA降为仅为40mA(数据采集周期内),实现了太阳能光伏板与管子一体化设计。


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                                                                                             图5  第2.5代土壤水分物联网监测系统框图


中国农业大学传感器团队再接再厉,为了解决多路检测电路产生的工作点不一致且互相干扰而造成的误差,以及误差引发的不同深度湿度结果倒置造成的判断错误,进一步优化电路,研发了我国第3代“端云一体的多深度土壤水分监测系统”(系统功能如图6所示),完全实现了模拟感知、数据采集、无线通信、云服务器及用户终端一体化、小型化及系统化设计(产品外观如图7所示),系统可以对同一点四个土壤剖面的水分、温度、空气的温度、湿度、大气压等参数同时测量的物联网传感器。采用太阳能电池为系统供电,定时(1小时)采集、并检测土壤体积含水率,系统将数据通过GSM/GPRS方式无线传送至云服务器平台,用户通过微信扫码来登录服务器查看监测数据。系统硬件平台内置了多路土壤水分/温度检测电路、MCU、无线GSM/GPRS、蓝牙及GPS模块,将土壤水分/温度信息、定位经度/纬度/高度、测量参考时间以及状态监测信息组包,通过GSM/GPRS发送给云服务器;同时硬件平台接收并响应云服务器发送的召测指令。


系统具有远距离、低功耗、低运维成本等特点,真正实现了大区域物联网的低成本覆盖。系统还提供了基于扩频的超远距离NB-IoT技术方案以支持海量用户。系统采用混合开发的App(Hybrid App)技术,即在一个App中内嵌一个轻量级的浏览器,部分功能采用HTML5来开发,不仅能够在不升级App的情况下动态更新,而且可以在Android或iOS的App上同时运行,既可以节省开发的资源又可以使用户有卓越的体验。此外,系统内置加速度检测芯片,具有防盗拔声光警报功能;云平台检测到加速度异常值后,可以迅速追踪传感器位置。此外系统采用太阳能可以保障系统野外连续工作无人值守。


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图6 端云一体的土壤水分物联网监测系统组成框图


采用智能算法在不增加传感器成本及测量节点的情况下对其它点精准预估,实现了对传感器四个有感知环的深度精准测量,测量精准度≤2%,其它点任意测,预估误差≤4% ,综合几项国内领先、国际先进技术使该产品处于国际先进、国内领先水平,为我国智慧农业产业提供了坚实的保障。  

  

第3代传感器是农业物联网的整体解决方案,用户购买了传感器后无需另外自组网,直接与云平台、物联网、大数据连接,实现海量用户和传感器互联互通,用户可以借助任何移动终端随时随地查询传感器的测量数据、工作状态、历史数据折线图、散点图等,同时还能查询全国范围内由传感器监测到的土壤墒情地图。


随着党的十九大关于“加快生态文明体制改革,建设美丽中国”,“实施乡村振兴战略”的推进,农业和农村必须坚持绿色发展的理念,意味着农业生产必须依靠科学的现代化手段,对农田、水资源实施全面、高效、稳定、长期的监测;依靠精准的监测数据建立土壤物联网及大数据平台,对农田实施必要的治理和监管。这给智慧农业带来机遇同时也面临挑战,如何将人工智能、深度学习应用于智慧农业,以解决对土壤多参数精准、实时、在线、快速和有效监测,研究和探索新的土壤参数物联网监测感知机理和方法迫在眉睫。

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