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农业物联网系统集成开发及综合应用

kumb 综合案例 2021-04-23 09:48:36 127 0 农业物联网

(北京派得伟业科技发展有限公司)

一、 企业基本情况

北京派得伟业科技发展有限公司成立于2001年6月,注册资本人民币2000万元,由北京 市农林科学院和国家农业信息化工程技术研究中心共同投资组建,主要从事农业、农村信息化软硬件开发及系统集成、销售和服务。公司隶属中关村高新技术企业,位于北京市海淀区北京农科大厦,办公面积2000多平方米,具有完善的软硬件条件。以“立足农业、面向农村、服务农民”为宗旨,凭借人才、技术、管理和服务等优势,不断提高新技术、新产品的设计和开发能力,积极探索新的商业模式和盈利模式,拓展销售渠道和提高市场占有率,公司综合竞争力和品牌知名度不断提高。先后承担了国家863计划、科技支撑计划、中小企业创新基金、农业成果转化基金等国家级、省部级项目30余项、市场产业化项目100余项,获得国家科学技术奖、北京市科技进步奖、市场金桥奖、自主创新产品等奖励30余项,专利8项,软件著作权100余项。先后获高新技术企业、双软企业、丨S09001、系统集成等资质证书12项,荣获中国信息化贡献企业、北京市“守信企业”、中国中小企业100强、中关村最具发展潜力十佳中小高新技术企业奖、中关村国家自主创新示范区百家创新型企业试点等荣誉16项,技术产品及服务网络遍布全国30多个省市和地区,已经成长为我国农业和农村信息化的龙头企业。

二、 模式应用情况

(一)农业物联网系统应用原理

基于物联网技术感知层、传输层及应用层三个层次相关技术,针对大田作物及设施农业种 植特点与需求,开展农业物联网系统集成开发及综合应用,采用先进的传感器感知技术、物联网技术、云计算技术、大数据等技术,由监测预警系统、网络传输系统、智能控制系统及综合管理软件平台构成,通过对监测区域的土壤资源、水资源、气候信息及农情信息(苗情、墒情、虫情、灾情)等进行统一化监控与管理,构建以标准体系、评价体系、预警体系和科学指导体系为主的网络化、一体化监管平台,以技术手段完成农业生产活动全程实时监测、危害状况及时预警、管理人员与专家指导人员多方面信息共享、农事生产过程管理远程化、经营管理标准化等过程,实现农作物逆环境因子生长,提高农作物产量、改善农作物品质、节约农资成本的目的。

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物联网系统结构图

1. 农业物联网技术在大田作物种植过程中的应用

针对大田种植普遍存在的基础设施较差、地域广阔、地形地貌复杂、劳作活动繁重等特点, 研发及集成相关技术设备,解决如下问题:

在感知层,采集田间气象环境参数,与土壤环境参数,并针对不同作物在不同生育期的需水 量和土壤质地,根据有效降雨量、灌水量、地下补给量与作物蒸腾量(ET)之间的平衡关系,确定灌水量;以太阳能与市电供电结合的方式,采用低功耗设备与技术,满足供电条件优劣不同地区的环境信息监测设备供电需求;以3S技术为基础,获取农机工况信息、土壤肥效分布信息,并结合光谱反演技术,获取作物生长态势信息;集成低功耗视频采集设备,以图像的形式有效补充田间作物及设备实况信息;集成各类工业用表及专业传感器,采集首部灌溉设备及施肥设施的工况与耗损信息等。

在传输层,采用433M工业射频技术、无线网络桥接技术构成项目区域性局域网络,与3G/4G 技术及各类通讯公司搭设的网络设施设备结合,定时传输感知层获取的各类信息,实现内外网有效互通。

在应用层,利用力控组态软件、WEBGIS等技术,通过传输层设备获取感知层获取的各类信 息参数,以农学理论为基础,利用获取的信息参数进行自动分析处理,行程决策指令,再通过传输层设备将该指令下达至底层控制设备,控制设备根据指令对相应设备进行启停操作,将作物种植管理管理各个方面集成为一个有机整体,提高管理现代化水平,实现逆境因子预警化,肥料农药施用精准化,项目管理省力化,项目信息采集自动化,信息管理远程化,生产经营决策智能化,大幅度提高项目栽培与经营管理的科技含量和效益回报。

2. 农业物联网技术在设施农业中的应用

设施农业的发展,实现了农作物反季节种植与逆环境生产,拓展的各地区种植作物的选择范 围,增加了作物种植频次,提高了单位面积土地产量,是实现农业增产创收的有力手段。为强化设施农业上述优点和进一步增产创收,现代化、信息化的管理措施必不可少。

农业物联网技术在感知层,建立高效、快速、实时的环境采集系统与视频信息采集系统。

在传输层,基于设施农业较好的供电环境与网络条件,集成各类网络传输技术,有效保障第一手资料互通互传。

在应用层,以作物生理生态需求为出发点,以先进、稳定、安全、高效的信息基础设施和应 用平台为基础,以农学原理为依据,有效开发利用各类信息资源和实用性信息化服务手段,大力拓展各类信息化应用,将信息化管理和信息化服务农业生产的各个重要环节,使信息化应用贯穿农业生产、经营、销售、管理的整个过程。

(二)物联网技术应用案例:共青团农场节本增效项目:

共青团农场分别于2011年、2012年先后建立了国家现代农业示范区和国家农业科技园区, 建成了节水灌溉示范基地、农业机械化示范基地和现代农业生产基地。示范区在基础建设上累计投资5.57亿元,建成2座总装机容量4500千瓦的大型调频加压泵站、32个滴灌首部、374公里地下管网,顺利建成了全国最大的喷、滴两用自动化加压泵站系统;节水灌溉面积达到95%以上;完成174公里、80万株的林网建设和125公里道路建设,同时示范区内建有银丰农业机械化展示基地、正大及西部牧业畜牧业生产基地。示范区集中展示了兵团农业规模化、集约化和现代化的突出优势。努力打造集兵团现代农业高新技术示范平台、屯垦戍边典范和产城融合于一体的综合示范区。

为推进农业现代化进程,共青团农场先后将物联网技术应用到智能滴灌节水、农机自动导航、 设施农业自动化控制、畜牧业养殖等方面。

节水灌溉物联网应用方面,以农田墒情监测与灌溉决策系统为核心,根据采集的各个地块的 实时气象、墒情信息,计算各个地块的蒸发蒸腾量,形成灌溉决策意见,再通过手机短信或者互联网推送至水肥一体自动灌溉控制系统,由自动灌溉系统执行灌溉指令,实现适时、适量补水。建设的农田墒情监测与灌溉决策系统由通信后台、管理后台和信息展示前台三部分组成,采用B/S结构,具有农田墒情监测、墒情预报、灌溉决策、灌溉监测、农田生产管理等功能。

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系统采用水量平衡方法为理论基础,水量平衡法将作物根系活动区域以上的土层视为一个整体,针对不同作物在不同生育期的需水量和土壤质地,根据有效降雨量、灌水量、地下补给量与 作物蒸腾量(ET)之间的平衡关系,确定灌水量。

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在农业节水方面农场,建立统一的智能灌溉决策系统,该系统由远程控制中心、泵房分控中 心、田间控制站以及阀门控制器在内的四级控制结构组成。其中,远程控制中心位于共青团农场节水控制中心,通过光纤网络与泵房分控中心进行通信,实时获取泵房控制站内的监测信息和整个系统的墒情、气象和灌溉信息,并可以进行参数设置、灌溉控制等;泵站分控中心在共青团农场2号泵站建设,也是整个智能决策系统的核心,实时监测整个系统的农田土壤墒情信息、气象信息和灌溉信息,并负责生成自动灌溉控制策略,进行灌溉控制;田间控制站在共青团农场A3号小首部建设,用户可以在灌溉控制器上查看该区域的土壤墒情信息,进行灌溉参数设置、灌溉控制等操作;阀门控制器共67处,作为整个系统的执行终端,负责各分区农田土壤墒情信息、灌溉信息的采集及阀门控制器的控制,同时对农作物的灌溉记录,生长记录以及农作物产量进行记录。

在农机物联网方面搭建农机管理调度服务平台,通过在农机具上安装卫星导航,作业检测设 备,播种检测设备等信息化设备,做到对农机播种、犁地等作业时的情况进行监测,并提供了统一的系统平台,实现农机的统一管理,统一结算,面积计量,车载视频监控等一系列的信息化技术支持。

在设施农业方面农场建立起了一整套的信息化服务平台,运用小型气象站、温湿度传感器、 二氧化碳传感器、光照强度传感器等设备为信息化平台提供实时的监测数据,针对每个大棚内种植的不同作物提供不同环境控制,有效地提高了大棚内的农作物品质和产量。

在畜牧业养殖方面通过与企业内部的环境监测设备相连接,使得农场相关部门能及时的掌握 各个企业及养殖户内部的各项参数,提供专业化、定制化的服务。

(1) 项目实施的经济效益:

农场通过以物联网为核心的信息化建设,将信息化作为生产要素贯穿于生产管理的各个环 节,提高了农业生产的效率、精度、水平及目标,促进了生产管理效率和作业精细化水平,带动了团场社会经济并减少了对能源、环境的消耗,取得了良好的社会经济效益和生态环境效益。

通过农机物联网的建设,大幅提高了农场精准作业技术和智能装备在兵团规模化的应用,有 效地增加了团场农业整体效益和资源高效利用率,农场每台装有卫星导航的机车,减少了雇工成本2万余元,增加播种面积0.5%,每台机车年平均作业量2000亩将为农场增加播种面积100余亩。按农场已装有18台卫星导航计算,每年将为团场减少农机户雇工费用36万元,增加农场播种面积1800余亩,从而实现农业增产、增效、增收。

节水灌溉物联网应用方面,农田墒情监测与灌溉决策系统以及水肥一体自动灌溉控制系统的 应用,实现了田间灌溉的适时、适量灌溉,保证了灌溉的均匀性和实时性,提高了水肥药的利用效率,降低了劳动强度,节约了人力成本。经核算,亩均减少用工成本10元,节约用水60方,增产12公斤。按农场现已建设完成的1万亩智能化滴灌规模计算,每年将为农场职工节省费用10万元,节约用水60万方,增产粮食12万公斤。

在智能节水灌溉方面,在智能化决策系统的支持下,通过均匀分布的滴灌装备对每种作物的 不同生长期进行科学合理的水肥控制,提高农作物产量,每亩地减少职工顾工费用10元,增产12公斤同时实现节水10%。按农场现已建设完成的1万亩智能化滴灌规模计算,每年将为农场职工节省费用10万元,增产粮食12万公斤,同时为农场精简了管理人员,提高了工作效率并培养了一批优秀的高素质管理人员。

在设施农业方面,利用移动互联网和光纤网络相结合的网络传输载体,在大棚内安置温度、 湿度、二氧化碳浓度等传感器,并实时的传送至农场信息化平台和承包户手机中,减少了大棚承包户的雇工费用,同时根据不同的种植作物实现个性化的生产管理决策,方便用户扩大种植,为承包户增收20%以上。

(2) 项目实施亮点:

农田墒情监测与灌溉决策系统的应用为灌溉控制提供了更准确的参数信息,使得灌溉程序的 设定更科学。它采用先进的科学技术,监测作物信息和气象信息,根据地理环境和植物生长的需水特性按需精确灌溉,可大大提高水资源的利用率,实现优质高产。系统的应用使人们摆脱了全凭经验的传统灌溉模式,达到了高效节水灌溉的目的。

农场在近几年信息化的建设中全面提升农场干部的信息化素质,由传统管理方式向现代化科 学管理转变,带动了农场现代农业的全面发展,通过对各个网络数据采集节点的建设和农场信息化服务平台的统一管理,促进团场经营管理模式从传统以手工管理为主的方式向信息化、自动化、精准化的方向转变,通过科技要素的投入,加大信息技术融入现代农业生产的力度,挖掘农业增

产潜力,提质增效,促进农业产业结构优化升级,从而建立核心示范区1个,示范推广面积不低 于6万亩,辐射推广面积50万亩以上,有效节省水资源10%,降低对环境的消耗,通过传感器、大数据、云计算等现代技术,实现”互联网+”在现代农业上的推广应用。

(三)自助研发技术设备介绍

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设备性能指标

测量参数

分辨率

测量精度

测量范围

空气温度

0.05。。

±0.5。

-30。〜70。

空气湿度

0.5%RH

±2%RH

0 〜100%RH

降雨量

0.2mm

±4%

天:0〜13107mm 累计:0~858993459mm

风速

0.1m/s

±5%

1 〜67m/s

风向

±7°

0 〜360°

辐射

1W/m2

±5%

0〜1800W/m2

土壤温度

0.05 °C

±0.5C

-30C 〜70C

土壤湿度

1%RH

±3%RH

0 〜100%RH

2.ASE-300型智能控制器

ASE中央灌溉控制器是可编程中央灌溉控制器,取代传统计算机和计算机软件的控制方 法,性能稳定可靠,具有真彩触摸屏人机界面,操作简单、配置灵活,采集和控制模块可以相互替换,内核外围光电隔离,保证主板运行稳定。48路交流电磁阀控制通道;16路电流/电压输入通道;16路双脉冲水表输入通道;具有扩展RS485总线接口和可扩展Modbus协议的RTU,可组成以控制器为中心的多级灌溉控制网络。下图为ASE智能控制器实物图:

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ASE-300实物图

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典型应用结构

技术参数:

技术参数

说明

DI0-DI3

数字信号输入

DIC

数字量输入公共端

AIC

8路模拟量公共端

AI0-AI15

16路继电器输出端

DCOM

8路开关量公共端

RS+,RS-

RS485通信数据接口 A,B

V+, V-

12V直流电源正、负

电源DC

12V-18V

相对湿度

50% (无凝结)

储存温度-20°C-75°C

3.温室娃娃

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测量参数

空气温度

空气湿度

露点温度

测量范围

-20-70 C

0-100%RH

-20-70 C

测量精度

±0.2C

±2%

±1.0C

测量参数

土壤温度

光照


测量范围

-20-70 C

0-200KLux


测量精度

±0.5C

±5%


数据存储量:40000组

数据刷新间隔:2s

通讯方式:标配为USB通讯,可订制RS485/232或TCP/IP通讯

供电电源:3.6伏内置锂电池或外接直流6伏电源

工作时长:语音功能关闭7-10

4.无线温室娃娃

无线温室娃娃能够实现塑料大棚、日光温室、连栋温室等环境空气温度、湿度、露点温度、 光照强度、土壤温度、土壤含水量、二氧化碳浓度等参数测量,测量结果可以在中文液晶屏上直观的显示出来,并且可以通过语音、无线的方式把测量值和对温室的科学管理方法以及温室娃娃

本身是否正常工作的情况等信息提供给用户,便于用户科学的指导生产。传感器通过无线组网方 式,将数据传输到无线版温室娃娃中,温室娃娃能够显示、存储和报警指导生产,同时通过外扩多种通讯模块,构建多种应用模式,以满足不同需求。下图为无线温室娃娃实物图:

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温室娃娃技术参数

测量参数

分辨率

测量精度

测量范围

测量时间

空气温度

0.1。。

±0.3。

-40-80。

1s

空气湿度

0.1%RH

±3% RH

0-100/RH

4s

土壤温度

0.1。

±0.5。

-40-80。

1s

露点温度

0.1。

±1。

-40-80。

1s

光照强度

0.1Lux

±5。/〇

0-200 KLux

1s

土壤湿度

0.1%

±3。/〇

0-100%

2s

C〇2浓度

1ppm

±30ppm

0-2000ppm

5s

5.小型无线灌溉控制器

小型无线灌溉控制器为现场控制执行设备,该设备不能独立运行控制,需要与计算机配合使 用,在计算机程序控制下,执行计算机发送的控制命令。可使用太阳能供电构成无线灌溉控制网

络。下图为下行无线灌溉控制器实物图:

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小型无线灌溉控制器应用系统图

6.—体式灌溉控制器

一体式灌溉控制器是一款针对农业大田灌溉,基于太阳能供电系统的小型低功耗现场灌溉控 制设备,具备传感器数据采集、门闩型直流阀门控制、数据显示、存储、传输及基于GPRS的远程控制功能,既可作为独立设备单机使用也可作为前端节点以有线(基于RS485)或无线(RS485、GPRS)构建典型C-S结构使用,可应用于家庭式小面积灌溉、大田大面积灌溉控制等场合,应用方式灵活、安装简便。下图为一体式灌溉控制器实物图:

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一体式灌溉控制器技术参数

运行模式

独立/轮灌

日期/时间/星期

12/9/18 13:53 三

设备地址

001

采样间隔

015/030^/60

接收地址

192.168.0.126

接收端口

10005

GPRS状态

是/否

GPRS打开时间

08:00

GPRS关闭时间

20:00

脉冲宽度

02

水表类型

单脉冲/双脉冲

脉冲系数

1/100/1000

波特率

1200/2400/4800/9600/19200

7.智能丨C卡预付费系统

智能1C卡预付费水表,采用非接触式射频IC卡作为信息媒介,实现预付费功能,即水表有 水量开阀放水,水量不足则关阀停水。水表采用一体式设计,防水防潮,便于安装更换。电路系

统采用低功耗设计,采用两节3.6V锂氩电池供电,可连续工作6年以上。用户可一卡一表,也 可一卡多表,使用方便快捷,水表口径在DN32以上,属于工业级大口径水表,填补了市场上一体式设计的空白。并且水表可以外扩压力检测以及无线通信功能。下图为智能1C卡预付费设备实物图:

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8.物联网中控中心管理平台

综合控制中心通常由工控机、UPS电源、大屏幕液晶显示器、无线网桥、交换机等网络设备 及其他安装附件组成。综合控制中心对内通过无线局域网实现大田土壤环境参数、墒情监测站空气环境参数的采集、存储、处理及决策以及农场内各关键点的视频信息的采集,对外通过Internet发布上述信息,任何人都可以通过权限设置,查阅需要的环境信息的内容,并查看实时的视频信息。综合控制中心通常选择园区办公管理区域,下图为某综合控制中心实物图:

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中控中心软件拟采用.NET开发,人机界面友好,操作简单,可远程对现场设备进行系统配置、功能配置,软件功能模块包括:⑴实时监控:展示系统内所有监测设备运行状况、传感设备 实时数据状况、实时视频等信息,并可对所有灌溉设备进行操作;⑵气象监测及决策:基于气象预报进行分析,自动生成灌溉制度,形成下次灌溉启动时间、灌溉时长(灌水量)等,并根据设置将灌溉制度发送给现场执行软件或指定操作人员。⑶统计分析:实时记录灌区灌水量,结合降雨信息,生成农田用水时段分布图、分布表,结合农田产量,给出农田水分生产效率;⑷生产过程管理:记录生产过程中种植作物类型、种植时间、产量等信息以及施肥施药种类、时间、施肥量等信息;⑸系统管理:用户和权限的管理,设备参数的管理,系统参数的管理。

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附1:物联网系统技术路线图

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附2:部分设备安装实物图


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传感器实物图


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无线温室娃娃实物图


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远程墒情气象站实物图

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项目智能控制器实物图

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智能控制器实物图


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