精准农业中农田信息传输方式的研究进展

精准农业中农田信息传输方式的研究进展

钱　燕,尹文庆,张美娜

(南京农业大学工学院,江苏南京210031)

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摘　要:基于农田信息传输在精准农业中的重要作用,评述了有线传输介质和无线传输介质信息传输的特点,以及不同的传输方式应用领域和研究开发前景;通过对不同的信息传输方式综合性能的比较分析,指出精准农业中信息传输存在的问题,并就今后的发展提出自己的见解。关键词:精准农业;农田信息;传输方式

中图分类号:S126　　　　　　文献标识码:A　　

文章编号:1004-1524(2010)04-0539-06

ReviewontransmissionmodeoffieldinformationinprecisionagricultureQIANYan,YINWen2qing,ZHANGMei2na(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

Abstract:Theprogressintransmissionmodeoffieldinformationinprecisionagriculturewasreviewed.Firstly,theimportanceoftransmissionmodeoffieldinformationinprecisionagriculturewasdescribed.Secondly,thecharactersofwiredandwirelesstransportmediumandapplicationfieldsandthedevelopmentaltrendswereintroducedindetail.Thirdly,thecomprehensivepropertiesofdifferentmethodswerecompared.Finally,problemsinnowadaysandtrendsinfutureoftransmissionmodeoffieldinformationinprecisionagriculturewereproposed.Keywords:precisionagriculture;fieldinformation;transmissionmode

3

　　数字农业(digitalagriculture),是指用数字化技术,按人类需要的目标,对农业所涉及的对象和全过程进行数字化和可视化的表达、设计、控制和管理的农业。数字农业建立在信息技术、生物工程技术、自动监控、农艺与农机技术等一系列高新技术之上,力求最大限度的节省资源,重视环境保护和生态均衡,追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出,以保持农业可持续发[1,2]展。

精准农业技术是21世纪农业的新模式,是农业发展的必然趋势。它通过定位的田间信息采集和技术,可确保在土壤水分、肥力、理化

收稿日期:2010-01-13

作者简介:钱燕(1979-),女,江苏南京人,博士研究生,主要从事农业机器人技术研究。E2mail:qianyan@njau.edu.cn.3通讯作者,尹文庆,Email:yinwq@njau.edu.cn.

性状、苗情、病虫草害不同的农田小区,分别采取有针对性的定位定量灌水、施肥、施药等措施,提高作物产量和经济效益。在社会效益方面,精准农业的应用将引发传统农业经营技术思想和方

[3-5]

法上的。

信息传输技术贯穿了精准农业的每一个环节。精准农业的核心问题可叙述为信息获取、农田信息管理和分析、决策分析、决策的田间实施

[6,7]

四大部分。信息传输技术的作用主要体现在信息获取和田间实施环节,先进的数据通信技术可以在很大程度上节省开销,并取得良好的实施效果,对于数字化农业的全面推广有深远的意义。本文旨在探索和选择针对不同的农田环境和场所,适合目前市场需求的,有利于农业现代化发展的,有推广价值和综合性价比高的农田信息传输技术。

・0・浙江农业学报　第22卷　第4期(2010年7月)

1.2　基于嵌入式技术的通信方式

1　农田信息有线传输方式

1.1　CAN总线通信方式

控制器局域网(controllerareanetwork),简称CAN,是目前国外大型农机设备普遍采用的一种

精准农业技术是一种以信息为基础的农业管理系统,快速、有效采集和处理农田空间分布信息,是实践精准农业的重要基础。田间信息采集技术利用传感器及监测系统来收集当时当地所需的各种数据,如土壤水分、土壤含N量、pH值等,再根据各因素在作物生长中的作用,由GIS系统迅速做出决策。在采样密度达到一定要求时,手工定点采样与实验室分析相结合的方法耗资费时、难于较精准地描述这些信息的空间变异性,而传感器则能自动收集土壤、作物、害虫数据,满足密度要求。从这个意义上说,利用传感器快速、高效地评估所测因素对作物产量的影响

[15]

尤为重要。

国外如美国StarPal公司生产的HGIS(Hand2

TM

heldGeographicInformationSystems)系统,该系统运行在基于WindowsCE操作系统的PocketPC设备,能进行GPS位置、田间地物分布和土壤采样等矢量和属性信息的采集记录。美国ESRI公司也推出了野外信息采集软件ArcPad,Trimble公司也开发了可用于农田作业信息采集的Ag2GPS160,EZ2maI等便携式软硬件设备。国内方慧等研究开发了一种基于掌上电脑的农田信息快速采集与处理系统,该系统采用从底层开发专用小型GIS系统的方式实现农田信息采集处

[17]

理系统。孟志军等设计了一种利用嵌入式COM2GIS组件技术和MicrosoftADOCE310嵌入式数据访问组件技术开发的,面向精准农业应用的便携式农田信息采集系统。

[16]

标准总线,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

现代分布式测控网络多采用RS2485作为现场总线,但由于其传输距离、主从工作方式的局限性,不适合在远距离、恶劣的环境下工作。与RS2485相比,CAN总线实时性强、可靠性高、抗

干扰能力强。使用基于CAN总线的数据采集技术和基于Internet的远程数据传输技术实现远程温室环境监测,即在远离温室现场的异地,通过网络进行温室设施的温、湿度等环境数据的采集、读取,也可以变更数据采集设备的某些工作参数

[8]

。

CAN总线在我国目前已经成功地应用于农业温室控制系统、储粮水分控制系统、畜舍监视系统、温度及压力等非电量测量、检测等农业控制系统

[9-11]

,是农田信息传输系统向智能化发展

的理想系统。美国AgLeader公司的AgLeaderInsightPrecisionFarmingSystem采用了CAN现场

总线控制方案。使用CAN总线可以使得系统具有可扩展性、兼容性

[12]

,使系统内部成为一个简

单的组合网络的用户接口,用来控制其他的一些控制单元,并且可以接收来自这些控制单元的大量信息。

近年大量研究采用了CAN总线技术。2008年,陈立平等

[13]

设计了基于CAN总线的变量施

2　农田信息无线传输方式

2.1　短距离通信方式2.1.1　蓝牙

肥控制器,田间常量和变量施肥试验表明,所设计的变量施肥控制器能满足变量作业的要求。李霜

[8]

利用CAN总线技术和网络通信技术实现

了分布式远程监控系统,克服了传统远程监控系统中存在的传输距离短、速率低等“瓶颈”缺陷,实现了测控单元之间高速、可靠的数据通讯。2009年,宋树民

[14]

蓝牙是一种短距离无线通信规范,其标准为

IEEE802115,在214GHz频带工作,传输范围为10～100m,传输速度可以达到1Mbps。中国农业大学李莉等设计了一个基于蓝牙的无线温室环境信息采集系统。由无线传感器、采集模块和监控中心组成,温室中布置温、湿度等各类传感器,它们通过蓝牙无线通道实现与采集模块的数据通信。在成本增加不多的情况下克服了传

[18]

采用嵌入式ARM微控制器设

计了便携式温室监控系统,基于WindowsCE和CAN总线协议,完成整个监控系统的控制和管理

工作。

钱　燕等:精准农业中农田信息传输方式的研究进展・1・

统数据采集系统难以安装和维护的缺点,实现了温室中无线通道的建立。

2.1.2　无线传感器网络

无线传感器网络(wirelesssensornetworks,WSN)具有自组织、无需布线、即插即用、智能性强、健壮性好、成本较小等优点,成为农业环境监控自动化、智能化和网络化的发展趋势。

目前ZigBee技术广泛应用于农业无线传感器网络中,其无线传感器通过无线传输模块与主机系统进行通信,同时主机也可提供决策支持和

[12]

进行数据库管理。

智华等给出了基于ZigBee技术的设施生产无线监测控制系统的结构和设计思路,提出了系统的实现方案。现场测试结果表明,模块间通信距离单跳达到400m,可实现6跳的数据传

[21]

输,可以较好地满足实际生产需要。张荣标等针对温室测控系统信息传输技术存在的一些问题,根据温室结构特征提出一种动态星型无线传感器网络的框架。结果表明,该网络的通信方法具有很好的节能效果,对温室中数据的传输是有[19]

效的。高峰等采用WSN技术,设计了基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统,实现了农业设施内信息采集节点的自动部署、数据自组织传输,实现了对引起作物水分亏缺的环境因素(包括温度、湿度、土壤温度、土壤湿度)以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化信息的实时远程监测。

2.1.3　RFID技术

RFID(radiofrequencyidentification),即无线

[20]

[19]

(或中长距离)无线通信,数传电台、GSM都是典

型的长距离无线通信方式,也广泛应用于农田信

息的传输。除此之外也有许多新型长距离无线通信技术应用于农田信息传输。2.2.1　蜂窝无线通信技术GSM/GPRS

移动无线通讯技术的发展,为农业信息监控提供了有效的途径。GPRS(generalpacketradioservice)是“通用分组无线服务”的英文简称,是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的概念,经过多年的发展己经日趋成熟,并有很多应用案[23,24]例。目前在各种无线通讯技术中,GPRS技术正不断受到青睐,通过GPRS网络系统,设备可采用Internet的技术标准与服务器交换数据,实现了与国际互联网的连接。GPRS在许多方面具有显著的优势:(1)可充分利用全国范围的电信网络,具有覆盖面广、接入范围大,系统构建便捷、运行成本较低等特点;(2)传输速率高,理论数据传输速率可高达171kbps,应用下一代的改进型GPRS技术(EDGE),甚至可以提供384kbps带宽的广域数据通信服务;(3)GPRS接入等待时间短,可快速建立连接;(4)提供实时在线功能,用户将处于“永远在线”状态,不必频繁建立连接;(5)收费合理,即使用户一直“在线”,但只按流量收费。GPRS上述特点非常适用于间歇的、突发的、频繁的、小流量的数据传输,同时对

[25]

偶有大流量数据传输也能承受。

在农田应用中开发的基于GPRS网络的传感器系统,主要适用于远程实时数据采集监控系统和农用智能监控系统等。国外近年来在农、林、牧业的远程监控方面进行了系统研究。JohnDeer,CaseIH,AGCO等国际大型农业装备厂商均推出了自己的智能产量监测仪、变量控制器产品。欧盟ISI启动了WirelessInfo项目(1998—2003),期望运用GSM/GPRS/HSDCS无线通信技术,建立先进的农林管理多媒体服务系统。

[27]

Thysen探讨了IT技术在农业领域应用的可能

[28]

性和农业信息化的发展方向。McKinion等研究了一个卫星宽带无线接入系统,满足了棉花害虫多谱图像的高速传输和实时处理的要求,提高了配药机械变量作业的效率和有效性。Geers[29]

等应用GSM无线技术开发了牲畜运输过程远程监控系统“TETRAD”。

[26]

射频识别,是一种非接触式的自动识别技术,可

利用射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID和传感器技术相结合,可以用来监控、记录食品运输过程中环境条件和食品品质的变化。Wentworth研发了一种既便宜又可任意使用的RFID生物传感器标签,对食品进行监视。北美最大的食品服务营销和分配组织SYSCO公司己经完成低温储运系统的RFID和传感系统测试,试验证明了RFID在食品运输过程中具备监控温度和环境条件的能力,可以保证食品品质和

[22]

安全。2.2　长距离通信方式

超过1200m的无线通信方式被称为长距离

・2・浙江农业学报　第22卷　第4期(2010年7月)

中国科学院生态与地理研究所与深圳市网核软件技术有限公司联合开发了一个棉花

病虫害监测数据GPRS传输系统,可实现对棉花

[30][31]

病虫害的远程监测。庞树杰等开发了基于GPS和GSM的农田信息远程采集系统。句荣辉[32]

等应用GSM短消息技术实现了温室环境的实时控制,提高了系统的自动化程度。周国祥等研制了基于GSM的远程通信控制器,并探讨了系统监控端的软件框架。在此基础上开发了在线测产远程监测系统,并对该系统的数据实时传

[34]

输性能进行了试验验证。王艳玲等提出了一种基于GPS和GPRS技术的农业信息获取及农业远程监测系统;上海交通大学机电控制研究所

[35]

的耿向宇等研制了一种基于GPRS的变量施肥机系统。田间试验结果表明,研制的变量施肥机能够满足精准农业意义上的变量施肥作业要

[36]

求。郑重等采用GSM网络技术和FSK调制技术,开发了适用于精准灌溉控制单元的农田水分监测与智能决策管理信息系统,通过在生产建设兵团(简称兵团)农六师111团覆膜滴灌棉田中的示范应用,该系统实现了农田水分实时监测、数据无线远程传输与灌溉科学决策的智能化管理。2.2.2　新一代蜂窝无线通信技术3G/B3G/4G

第三代移动通信技术(即3G技术)的主流制式有3种:欧洲和日本共同提出的WCDMA2FDD/TDD、以美国高通北美公司为主导提出的CDMA2000和以中国大唐为代表提出的TD2SCD2MA。伴随着TD2SCDMA终端芯片领域的群体突

[33]

器网络和无线GPRS/GSM技术的应用已经取得了一定的成绩,但两者都有其自身的局限性。无

线传感器网络仅针对特定的网络,类似于局域网应用,其与广域网的联系仍需依靠有线方式,制约了其覆盖范围;另外,无线传感器网络中的节点在耗电方面、安全方面以及网络拓扑的布置方面仍存在不足。GPRS/GSM通信技术应用于农业网络目前已经有较多的尝试,但由于GPRS/GSM网络自身的速度、性能问题,使得远程控制的实施仍受到数据量的制约,使得无法进行大数据量以及视频数据的传输。而3G网络则可以针对上述的问题提供更好的解决方案。3G技术属于广域网技术,其技术的可靠性能够依赖移动通信公司的支持,在安全性方面有一定的基础,并且3G技术的关键是无线的高速传输(理论速率为2Mbps,国外已经成熟的WCDMA技术目前最高速率可达1414Mbps),这一高速率的传输基础将可以很好地支持大数据量的传输,并且极大地刺激视频无线通信技术的应用,这将使得农业设施监控中全方位的清晰视频监控成为可能。另外,3G技术目前即将普及,其市场范围大,不需要专业设备的支持即可以实现远程通信技术,易于被广大农村群众接受,单点或多点的方式可以适合个体客户和农场客户的多种角度需求,性价比具有很大优势。

3　农田信息传输方式性能比较

由于传输介质的不同,农田传输方式各自存在不同的特点,表1从传输距离,传输速率,适合传输的信息种类及其所属传输方式特点方面将传输方式的性能进行了比较,得出以下结论:

(1)从传输距离而言,有线及无线传输方式均可以实现远距离传输和近距离传输,无线传输的距离强于有线传输距离,并且造价低,但就传输稳定性及抗干扰能力而言,有线传输方式优于无线传输方式。

(2)从传输速率而言,有线传输速率明显高于无线传输速率,因此目前有线传输广泛应用于视频音频的传输,而无线传输方式大多局限于数据及命令的传输,但随着技术的更新,3G及其配套技术HSDPA的应用,无线通信的速率将极大

破,我国TD2SCDMA终端产品的研发及产业化工作已经步入了快车道,商业化应用也正式起[37]

航。

我国的农业发展正由小型化向大型化、零散化向集约化、个体模式向农场模式发展,这种发展的方向必然要求有网络技术作为其推动力。精准农业中的田间信息采集与实时农业设施对于农业的远程监控技术有一定的要求。对于有线技术而言,目前已经可以实现小范围的远程监控,但由于必须为此大面积铺设专用的光纤电缆,造价高昂,使得很多经济实力不够雄厚的农场望而却步,因此无线通信技术是解决这一问题的必经之路。这一方面,前文所述的无线传感

钱　燕等:精准农业中农田信息传输方式的研究进展

表1　农田信息传输方式性能比较

Table1　Comparisonofdifferentdatatransmissionsystems传输方式

CAN总线

・3・

(1)在农田信息采集过程中,有线传输方式

信息种类

方式

特点有线

传输距离传输速率

40～110m50kbps～1Mbps数据<1000m<2000m

10～100Mbps1Gbps～1Tbps

同轴电缆光纤蓝牙通信器网络

数据/视频有线数据/视频有线数据数据数据数据

无线无线无线无线

适合于测量点位置固定,需长期连续监测的场合。对于需要灵活变化,跟踪采集的目标,有线传输方式可能无法触及或者通过冗余架线增加了很多额外的费用。

(2)有线传输过程中,容易受到地域或人为因素的影响。由于农村地理条件的复杂,或个人对传输线路的保护措施不够到位,甚至遭到人为故意破坏,都可能使有线传输的速率不尽人意。

(3)有线传输方式接入点形式单一,仅可以与固定终端设备及控制端服务器相连,控制过程单一呆板,如需要在现场进行数据查勘则无法实现。

随着无线通信技术的不断发展,农田信息的传输过程中可以引入更大规模、更高需求、更加安全的无线信息传输方式,其可以带来的主要优势在于:

(1)对于移动测量或距离很远的野外测量,采用无线方式可以很好的实现并节省大量的费用。目前的无线网络可以把分布在数千米范围内不同位置的通信设备连在一起,实现相互通信和网络资源共享。

(2)无线传输技术较不易受到地域和人为因素的影响。无线传输中广域网的远程传输主要依靠大型基站及卫星通信,抗干扰能力强,稳定性比有线通信更强。虽然在恶劣气候和极特殊地貌中传输能力可能降低,但属于极少数个例。

(3)无线通信的接入方式灵活。在无线信号覆盖的范围内,可以使用不同种类的通信设备进行无缝接入,例如手持掌上电脑PDA、无线终端设备、车载终端设备、手机、无线上网笔记本、远端服务器等。

综上所述,无线网络的优点还包括较高的传输带宽、抗干扰能力强、安全保密性好,而且功率谱密度低。利用无线网络的上述特点,可组建针对农田信息采集和管理的目的无线网络,实现农田信息的无线、实时传输。同时,可以给用户提供更多的决策信息和技术支持,实现整个系统的远程管理。

随着无线网络技术的不断完善和无线网络产品性价比的提高,建设无线网络的费用会大大

10～100m<1Mbps

<250kbps

ZigBee无线传感<100m

RFID无线射频10～100m<1MbpsGSMGPRS3GWCDMA

无无

<384kbps<1414Mbps<712Mbps

数据/视频无线数据/视频无线

3GTD2SCDMA无

提高,逐渐可以满足视频传输的需要。

(3)从对视频音频数据的传输支持而言,有线传输方式目前优于无线传输方式。目前有线视频传输技术的发展趋于成熟,配合媒体传输技术和图像数据压缩技术的发展,有线视频传输技术正向着高清传输方向发展。无线传输由于前期传输速率的局限性,极少见到进行远程无线视频传输的应用,而随着3G技术的成熟,传输速率已经可以有效支持视频传输,在这方面有着很大的发展空间。

(4)从经济利益的角度而言,无线传输可以节约大量的经济支出。光纤作为有线传输的主要介质目前是网络建设的主要材料,其极高的数据传输率及很强的抗干扰能力可以满足农田信息网络应用的需求,但由于其价格昂贵,施工过程复杂,让很多经济实力一般的农场望而却步。无线传输方式基本没有光纤或电缆的成本,以及高空架线或地底埋线的人工成本,只需要在无线传输发送接收设备方面有所支出,可以节省大量的资金,有利于普及网络化农场,甚至在家庭农户中推广。

4　农田信息传输方式存在的问题及

发展趋势

目前农田信息采集和信息传输任务基本依靠有线通信技术完成,其在实际使用过程存在以下的问题:

・4・浙江农业学报　第22卷　第4期(2010年7月)

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(责任编辑　张　韵)