基于物联网和人工智能大数据的高效精准农业建设方案（67页 PPT）

微信扫码，打开到小程序

让智慧农业服务于每一块田地 为了更好地打造成全国领先的现代农业示范区，为园区企业提供一流的配套服务，带动农业产业转型，园区物联网建设需从顶层设计，采取统筹规划、分步建设、稳步推进的建设原则。软件平台采用 B/S 体系结构。总体设计坚持以下原则： 目 录 一、以经验为主的传统农业 二、数据是现代农业核心的生产要素 三、如何采集农业大数据 四、基于物联网和大数据的高效精准农业 五、农业物联网智慧农业应用案例 随着应用规模的发展，系统能灵活方便地进行硬件或软件系统的扩展和升级，具有良好的开放性和可扩展性，以适应系统规模和应用功能的不断完善和扩展，包括用户数量上的可扩展性 ( 或性能可扩展性 ) 和业务上的可扩展性 ( 或功能可扩展性 ) 。设计全面考虑与其它信息系统的接口，保证各系统间的数据交换无瓶颈、无障碍。 传统农业经验隐含的也是数据 •小满前后，种瓜种豆。 •小暑风不动，霜冻来的迟。 •头秋旱，减一半，处暑雨，贵如金。 •燕子低飞要落雨。 •猪衔草，寒潮到。 •庄稼是支花，全靠肥当家。 网络方面支持国际上通用标准的网络协议、动态路由协议等开放协议，有利于与其它网络之间平滑连接互通，以及将来网络的扩展。软件方面依照国家的有关标准和规范，采用开放构件技术进行建设，统一规划、统一工作标准、统一业务流程、统一软硬件平台、统一数据编码，系统能够提供开放的客户接口，可方便地进行自身拓展和实现与其他相关系统的无缝连接。 每一种环境因素都有一个适宜作物生长的最佳范围 最佳水分 凋蔫点 田间持水量 设施蔬菜精细化种植管理系统主要由数据采集、实时数据展示、报警提示以及数据汇总等模块组成。系统通过传感器采集大棚内空气和土壤的温湿度、光照强度、日照数等数据，通过有线或无线网络传递给数据处理系统，并对数据进行存储、展示。当数据出现阈值告警时，并可以自动控制相关设备进行智能调节或发送报警短信。 土壤% 水分 土壤 深度 有效根系深度和土壤水分吸收分布图 农业技术资料库一部分是现有公开的农业技术，具体内容包括农作物品种介绍、栽培技术、种植技术、病虫害防治技术、采摘技术、农业种植、养殖管理技术、设备设施管理技术等 ; 另一部分是后文中的生长数据库 ( 详见 7.2.3 生长数据库 ) 。主要包括农作物生命周期模型、生长过程信息、种子使用信息、化肥农药使用信息、作业信息、人员信息等内容，农业生产者可以在专家库的指导下进行农业生产。 Onion Shape 洋葱形状湿润区 不同类型土壤滴灌湿润区 基于精确监测的精准灌溉技术 降雨、灌溉时间 \ 频率 \ 水量 \ 方式、土层、根系、植物生长期、蒸 发、蒸腾、土壤温度、肥料、土壤 EC\ 结构、地面空气温湿度、病虫 害、产品质量、产量、标准化， etc. 传统农业生产要素——稀缺资源（土地、水、肥、药、能源、人 工） 新的农业生产要素——农业大数据 （统计数据、地图数据、遥感 数据、实时传感数据） 每个农场都会像使用肥料和水一样使用实时传感数据来提高农场 的经济效益，保证农业产业的可持续发展。 农业生产要素 精准数字农业的经济效益 作物 物联网设备投入 每年增加收益 增加净收益 / 亩 / 年 100 公顷马铃薯大田 50 万元 150 万元 1 千元 2 公顷温室大棚草莓 30 万元 60 万元 2 万元 10 公顷樱桃果园 60 万元 300 万元 2 万元 随着农业环境数据的持续累积和完善，农业精准化水平会不断提高，以 设施水果和蔬菜为例，单位面积的收益将在目前国内平均水平的基础上 增加 3-10 倍。 施行初步水平的精准操作以后 农业环境信息复杂，多维度、多模态、分散、不均匀、动态变 化、相互影响； 传统信息采集仪器和仪表需要专业技术人员操作，设备购置、 安装、使用、维护和管理成本高； 信息处理 数理统计方法复杂，效率低； 自动控制措施技术匮乏或应用成本太高。 传统的农业环境信息采集、传输、处理和应用方式 农业大数据对采集、传输、处理和应用技术的要求 农业大数据采集需要的传感器：检测准确、小型化、低成本、无 线、低功耗、在线监测、方便安装、免维护； 农业大数据需要的信息采集：多维度、高粒度、大范围、连续、 在线、高频率； 农业大数据需要的信息传输：无线、远距离、稳定、双向； 农业大数据需要的信息接收和处理：云平台、数据库、数字模型、 自动预警、标准协议； 农业大数据需要的信息应用：智能控制、传感器驱动、控制指令 无线传输、大面积、海量设备无限接入、自动反馈。 农业物联网是农业大数据唯一的采集和应用基础 系统组成： 各类传感器 CaipoWave 物联网无线节点 CaipoBase 物联网基站 CaipoWeb 云平台 病虫害数字模型 控制软件 设备无线控制节点。 核心技术： 远距离无线信息采集和传输技术 温室大棚设备无线控制技术 水肥一体化精准无线控制技术 病虫害数字模型应用 多节点信息协同和自组网技术 网络预警 无线节点和基站低功耗技术等。 土壤水势 雨量计 土壤水分 PR2 土壤温度 空气温湿度 大气 压 超声波风速风向 太阳辐射 植物红外线温度 植物茎杆直径测量计 果实生长尺寸 叶面湿度 叶面水分散失和 水分胁迫 土壤电导率 农业物联网连接的部分传感器 - - 土壤、气象、植物生理 有效光合辐射 土壤水分 C200Q CO2 土壤水分 Z100 机械式风速风向 植物生理传感器 空气温湿度 NH3 传感器 热传感器 CO2 噪音 畜牧业监测用到的传感器 物联网无线信息采集节点 无线节点是物联网无线数据采集专用节点，创新的无线传感器接入、传输 技术。 单点信息采集的成本与传统的自动监测站相比下降大约８０－９０％； 信息传输稳定可靠、即插即用、超低功耗、免维护。无线信号可以轻松穿 越房屋、农作物等各种障碍物。 技术规格 描述 供电电源 Li AA 3.6V 2.4Ah 使用寿命 3-5 年（按每小时一次传输） 接口信息 1 个数字接口、 4 个模拟接口 传输距离 780MHz, 1km-3km 接入信息 物联网基站 / 物联网控制器 / PC 网络云平台 物联网监测基站 GPRS 单台监测站可连接多个无线节点，支持各种传感器。 物联网无线节点工作原理 农业物联网监测基站 单台物联网基站可以轻松实现对 4- 12 平方公里大田或者 16 个温室大棚的自 动在线监测、预警，所有数据通过 GPRS 发送到云平台。 技术规格 描述 数据采集和传输 5 分钟至数小时（用户可设 定） 数据传输方式 GPRS/GSM 、串口、蓝牙 功耗 20-70µA （睡眠模式） 接口 1 x USB, 2 x RS232, 1 x RS485, 1 x SDI-12, 1 x Rain Gauge, 1 Counter 传感器数量 96 个 主机尺寸 130x150x120mm 支持无线节点数量 16 个 Caipos® 农业物联网无线监测、预警和控制系统 使用物联网无线节点进行温室环境监测和控制，每台基站可以服务于 100 个温室。 * 物联网云平台 数据接收和处理；对传感器、节点、基站进行实时监控和管理；在平台上设置、修改各种 参数；集成病虫害数字模型、霜冻预警等模型；无缝兼容其他平台。 农业物联网智能无线控制器 物联网无线控制器在 10 平方公里范围内接 入数百个无线节点，用于环境无线监测和 温室设备以及灌溉设备的无线控制。与欧 洲常用的有线控制器相比工作效率提高十 倍以上。 技术规格 描述 数据采集和传输 1 分钟至数小时（用户可设 定） 数据传输方式 GPRS/GSM 、串口、蓝牙 供电 220V 交流电 接口 通常接入 100 个控制节点 传感器数量 常规 100-400 个 主机尺寸 小型工业级 PC 控制设备数量 常规 100-300 个 物联网无线控制节点 物联网无线节点是一种物联网无线设备控制专用节点，采用创新的无线技 术用于各种设备的无线控制。 单个温室的控制成本与传统的控制设备相比下降大约８０－９０％； 信息传输稳定可靠、即插即用、超低功耗、免维护。无线信号可以轻松穿 越房屋、农作物等各种障碍物。 技术规格 描述 供电电源 交流电或太阳能 输入接口 1 个数字接口， 4 个模拟接口 输出接口 3 个，继电器或 / 电磁阀 传输距离 1km-3km 接入信息 物联网控制器 /PC 通风 地面加热管 空中加热 遮阳 灌溉施肥机 风机湿帘 循环风机 补光灯 温室大棚等设施农业环境需要监测，设备需用控制 无 线 节 点 物联网基站 GPRS 云平台 PC 客户端 手机客户端 www..com 农业物联网信息采集工作原理 物联网控制器 GPRS 云平台 PC 客户端 手机客户端 www..com 农业物联网信息反馈与控制工作原理 网络预警 网络平台 监测站 GPRS Warning Soil Moisture Value<15% Soil Moisture Value<15% Air temperature Value<10 °C 邮件预警 短信预警 监测站 GPRS ® 物联网监测系统 E- 预警 当传感器采集到的数据超过预警阈值时，监测系统会立即将预警短信或电 子邮件发送给相关人员。 农业物联网 无线节点 + 低功耗 + 多传感器接入 + 免费使用的云平台 = 高效、经济、方便的农业环境数据采集和控制技术。 农业物联网技术和伴随农业物联网出现的那样大数据系统 将改变和引领中国乃至世界农业的未来发展方向。 农业物联网应用 物联网云平台、采集系统、控制系统、现代农业装备将组成一个统一的巨大的 网络。核心是大平台和云计算 + 海量的端： 数据采集端（传感器、节点、基站）、 浏览终端（手机、 PC ）、 控制终端（控制节点、设备）。 农业大数据服务包含：低成本多维度环境监测、预测；精准化农业生产；动植 物生长模型；病虫害模型；专业化标准化种植养殖体系；全过程追溯；霜冻等灾 害的预测和控制；装备和机械智能控制等；新型农业模式。 来自各个农场的每个数据会自动匹配相关模型和算法，指令自动生成并对各个 设备进行控制。 农业物联网和大数据是现代农业的核心生产要素和基础设施 为农业生产和管理部门提供了高效的技术手段，可以帮助我们应 对农业资源紧缺与农业面源污染导致的生态环境恶化的双重约束， 促进农业资源精准永续利用。 为现代农业科学研究带来革命性的技术手段和全新的理念，能够 大幅提高农业科研环境信息的采集效率、数据处理速度、在大数 据基础上显著提高科研成果的水平。 逐步实现农业科研、生产和管理的标准化和智能化，使优秀的管 理模式、经验和科研成果能够快速推广。 数字农业和智慧农业的基础是农业大数据的采集、传输、处理和应用 温室大棚人工和物联网记录和保存环境监测数据方法的对比 序号 对比项目 人工 CAIPOS 农业物联网 1 初始投入（ 16 棚） 16*30 元 / 棚 =480 元（温湿 度计） 约 10-15 万元 2 1 年监测成本 3 人 *3000 元 / 月 *12=108000 元 0 （无需人工测量） 3 3 年监测成本 108000*3=324000 元 0 4 监测频率 1 次 / 小时 最低 5 分钟 / 次（可调节） 5 异常提示或预警 经验预警 数字预警 6 瞬时温度监测 无 有 7 记录方式 人工纸质 云平台数据库 8 数据分析 无 有 9 历史数据查询 人工查询 数据库查询 10 远程查询 无 有 11 扩展性 需增加设备和人员 原有系统上增加无线节点、传感器 12 开关门能源浪费 有 无 13 与其他系统兼容 无 有 14 可集成数字模型 无 有 人工监测和 Caipos® 物联网环境监测对比 高成本精准农业技术 荷兰联栋温室有线监测和有线控制系统 高成本精准农业技术 以色列两线解码器灌溉控制系统 准物联网无线灌溉控制系统 （ Zigbee ） • 施工简单、方便 • 信号传输不稳定，不能准确反馈阀门的开 关状态 • 由于信号不稳定，各地尝试建设的无线控 制系统，已经全部废弃不用。 物联网无 线灌溉控 制系统 作物需要精准灌溉 When!? 什么时间灌溉 How!? 怎样灌溉 Where!? 在哪里灌溉 作物 - 病虫害 - 环境三角关系 环境 病害 作 物 虫害 •空气温度 •相对湿度 •降雨 •叶面湿润时间 •度日法（ DD ）计算 每种虫害发生所需有 效积温 •虫害发育阶段可视化 •根据有效积温和病虫 害发生发展的关系 作物环境 数据输出 数据输入 决策 数据采集 模型模拟 数据分析 措施 及时预测 农业物联网病虫害预警决策程序 Caipos® 物联网无线监测、预警和无线控制系统 建立在数据监测和准确定量描述的基础上的精准农业不仅能够 创造高度的经济效益，同时本身非常容易得到复制和规模化推广。 数字将促使农业生产自然而然地大范围地演变为高效生态农业。 数字农业、智慧农业、生态农业、现代农业将应用于所有的农场、 每一块田地。 数字农业 = 智慧农业 = 生态农业 = 现代农业 农业物联网和大数据技术主要应用领域和部分案例 Greenhouse Monitoring 温室大棚环境自动监测、预警和控制 Soil Moisture & Precision Irrigation 墒情监测和精确节水灌溉控制 Disease and Pest Management 作物病虫害数字模型 Environment, Meteorology and hydrology 环境、气象、水文监测 Natural Disaster Reduction and Prevention 自然灾害防灾减灾 * CCTV 焦点访谈现场采访甘肃农垦集团 Caipos® 水肥一体化项目 * 中国农科院 - 智慧型稻田氮磷流失综合防控技术体系构建与应用 1. 基于泵阀灌排一体 化的远程无线控制技术 2. 田 - 沟 - 塘水系 信息采集、传输为基础 的精准调控技术 3. 氮磷流失综合防控 关键指标传感器集成技 术 4. 不同大数据平台集 成融合应用技术 实现田 - 沟 - 塘协同调控和循环利用与排放，为水稻稳产与区 域水质改善提供科技支撑。 空气温度 °C 降雨 高 低 无 CAIPOS 数字病虫害模型应用 - 苹果黑星病 中等 可能染病 风险等级 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 喷药 可能染病 水稻稻瘟病 • 上一年留茬感染 • 上年九月 (2013) 及当年五月 (2014) 多雨 • 五月、六月、九月日均温度 >8 , ℃ • 7-8 月平均温度 > 24-25 ℃ • 湿度： 90-95% 2014 年在俄罗斯克拉斯诺达尔市发生的稻瘟病 降 雨 空气温度 °C 稻瘟病风险 高 低 无 中等 喷药 1. 6 月 21 日测站预报染病 - 6 月 28 日喷药 2. 7 月 18 日测站预报染病 - 7 月 29 日喷药 3. 8 月 12 日测站预报染病 - 8 月 8 号— 8 月 17 号喷药 2015 年在俄罗斯克拉斯诺达尔市发生的稻瘟病 农业大数据 - 本地小范围作物生长环境精准预测 以表格和图形形式显示 10 天数据 ，尤其是 48 小时内的预测 准确率高达 85% 以上 每天两次更新——结果更加精确 预测内容丰富：风速、风向、空气温湿度、大气压、太阳全辐 射、降雨、露点及蒸散等。 预测频率：一小时一次 结合当地生长环境数据和最新的预测信息 通过电子邮件或短信进行通知和预警 作物生长环境预测精确最大概率可达 85% 。 农业大数据 - 本地小范围作物生长环境精准预测 中国防汛抗旱减灾工程技术中心 Caipos® 山洪防治监测预警系 统（河南、河北、山西等地） Caipos® 温室环境自动监测和预警系统（ 浙江、安徽、河北等 地） Caipos® 温室环境自动监测和预警系统（江苏、山东等地） 中国农大、中科院地理所沙漠生态环境 CAIPOS 物联网系统（新 疆） * 山东农业大学作物生物学国家重点实验室 于振文院士 课题组 使用的 CAIPOS 墒情自动监测站平台截面 铁道部 Caipos® 物联网铁路边坡泥石流监测预警试验系统（广 东） CAIPOS 农业物联网和滴灌技术在盐碱地精准高效改良项目上的应 用（天津） Caipos® 农业物联网在人参种植中的应用（吉林） 网络云平台 物联网监测基站 GPRS 单台物联网基站可连接 16 个无线节点，监控 4 个平方公里的面积。 Caipos® 农业物联网在动物养殖监测中的应用 Caipos® 物联网大数据应用霜冻监测、预警、控制 当预测到霜冻来临之前， Caipos 云数据平台根据 用户设定的阈值和预警 地址，及时自动发送预 警信息。相关管理人员 配合 Caipos 防霜冻微喷 系统，及时远程自动微 喷，实现防霜冻的目的， 减少或者免除霜冻带来 的灾害。 生态桑园和稻田节水灌溉模式试验区农业物联网（浙江） 云南水科院柑橘园区农业物联网自动监测和预警系统 茶叶基地 CAIPOS 物联网系统（土耳其） 便携式土壤水分测试仪的现场应用 CAIPOS 蓝莓农场霜冻预警系统（乌克兰） CAIPOS 物联网应用于果园和玉米等大田（意大利、法国、西班牙等） 温室大棚环境信息感知单元由各种环境信息传感器和无线数据采集终端组成，可实时监测空气温湿度、土壤含水量、土壤温度、光照强度、 CO2 浓度、作物长势 ,农残检测 ( 蔬菜中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留量快速检测 ) 等信息， 以及农业气象信息。 橄榄油农场农业物联网（希腊） 面向现代设施农业发展需求，运用物联网技术构建“智慧温室”系统，提供温室大棚环境信息智能感知、可靠传输、智能控制、精细管理、病虫害预警与远程诊断等服务，全面提升设施农业的信息化水平，实现设施农业的高产、优质、高效、生态、安全和可持续发展。 大型喷灌农场土壤水分监测和灌溉控制（俄罗斯） 通过网络通信、 GIS、遥感、传感器等技术的创新集成，建设基于物联网的遥感监测系统平台，可针对农业资源、环境与作物生长过程的监测与分析。即应用遥感技术采集并分析耕地、草地的数量、质量、利用状况，以及主要农作物的面积、长势、灾害和产量等农情信息，并实时无线远程传输到信息监控中心，为作物的生育进程、长势、产量、以及灾害的预防、治理，开展技术指导及决策管理提供及时、可靠和科学的依据。在利用仪器检测的同时，各检测点同步开展“遥感”人工检测，采集相关数据、对采集信息进行分类，并与仪器检测结