發(fā)布時(shí)間：2018-11-07所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 高原煙葉種植過程中，一直以來由于天氣因數(shù)，對(duì)煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量影響較大。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器獲取煙葉種植過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息;通過無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)信息，上層應(yīng)用系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類，存儲(chǔ);并對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反饋到煙葉種植過程
高原煙葉種植過程中，一直以來由于天氣因數(shù)，對(duì)煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量影響較大。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器獲取煙葉種植過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息;通過無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)信息，上層應(yīng)用系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類，存儲(chǔ);并對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反饋到煙葉種植過程中，提升煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量。本文介紹了以上述技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)在高原煙葉種植中的應(yīng)用可行性和應(yīng)用前景分析。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng),高原,煙葉種植
1背景介紹
煙葉自引入云南高原地區(qū)種植以來，一直作為重要經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，為云南高原農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。優(yōu)質(zhì)的煙葉，需要種植于紅土中，每天至小時(shí)的陽光照射。上述條件，都是云南高原所特有的。煙葉是一種喜溫作物，生長發(fā)育的適溫是至攝氏度，在零下至攝氏度時(shí)，煙株極易死亡。同時(shí)，煙葉對(duì)于水分的需求，也因不同的生長時(shí)期而不同。一般情況下，煙株在生長前期需水量適中，生長中期需水量最多，生長后期需水量最少。而對(duì)于惡劣天氣對(duì)的影響，煙葉較其他農(nóng)作物更為敏感，不論是在苗床或大田期，都可能會(huì)帶來嚴(yán)重的損失。基于上述背景，提出運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煙葉種植全生命周期精細(xì)化，數(shù)字化管理，以降低煙葉種植的人力和經(jīng)濟(jì)成本，提升煙葉產(chǎn)量和煙葉品質(zhì)，降低煙葉種植過程的風(fēng)險(xiǎn)。
2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可分為三層架構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。感知層通過將物理信息的收集并處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息化;通過本地網(wǎng)絡(luò)層無線或有線的方式對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與傳輸;最終可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多種智能化應(yīng)用。
2.1感知層
感知層是通過傳感器，智能控制器，將環(huán)境中的化學(xué)、生物、物理等信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并傳輸至后端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.2網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層通常分為有線傳輸、近距離離線傳輸、傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)空中網(wǎng)。其中，移動(dòng)空中網(wǎng)將會(huì)成為主流通信方式。基于5G的NB-Iot通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)以億計(jì)的無線連接。如圖1所示，涵蓋了大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)通信方式。
2.3應(yīng)用層
應(yīng)用層接收來自于網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，根據(jù)特定應(yīng)用需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類，整合，儲(chǔ)存，分析，并將分析結(jié)果進(jìn)行反饋。
3應(yīng)用前景分析
利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煙葉種植全生命周期進(jìn)行管理，需要對(duì)技術(shù)基礎(chǔ)，穩(wěn)定性，成本，經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行綜合分析。
3.1應(yīng)用舉例
位于云南高原某煙葉產(chǎn)區(qū)，煙葉種植在山區(qū)和半山區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，晝夜溫差大，年降雨量不確定性大。對(duì)于傳統(tǒng)煙葉種植來說，人力成本高，管理難度大，對(duì)天氣影響的抵抗能力差。針對(duì)上述問題，在煙葉幼苗時(shí)期，需要在塑料大棚種進(jìn)行播種。塑料大棚中，安裝有溫度傳感器，濕度傳感器，二氧化碳傳感器，光照傳感器，用于獲取塑料大棚中的溫度，濕度，二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。如圖2所示。由各類傳感器，實(shí)時(shí)獲取大棚中空氣溫濕度，土壤濕度，二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，將通過無線通信模塊，把所有數(shù)據(jù)周期性的匯總到上層應(yīng)用系統(tǒng)中。
無線通信模塊，可以采用配備3G/4G無線網(wǎng)卡的設(shè)備，也可以采用基于NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備。如圖3所示。上層應(yīng)用系統(tǒng)，接收到來自無線通信模塊的數(shù)據(jù)后，將對(duì)海量的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。由于數(shù)據(jù)量巨大，應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)使用分布式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存;對(duì)于一些常用的數(shù)據(jù)，應(yīng)該采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行緩存，以供用戶高效使用。
3.2技術(shù)基礎(chǔ)
3.2.1傳感器技術(shù)
溫度傳感器：是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，感溫元件主要用于感受溫度并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)等易于測量的物理參數(shù)，經(jīng)過處理電路將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。濕度傳感器：是指能測量濕度并轉(zhuǎn)換成0～100%數(shù)據(jù)輸出的傳感器。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。
濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。二氧化碳傳感器：是用于檢測二氧化碳濃度的傳感器。二氧化碳是綠色植物進(jìn)行光合作用的原料之一，作物干重的95%來自光合作用。因此，使用二氧化碳傳感器控制濃度也就成為影響作物產(chǎn)量的重要因素。光照強(qiáng)度傳感器：是指用于檢測光照強(qiáng)度的傳感器。其工作原理是采用先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0～2V或4～20mA。
3.2.2無線通信技術(shù)
3G/4G無線通信模塊：3G/4G模塊是指硬件加載到指定頻段，支持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，軟硬件高度集成模組化的一種產(chǎn)品的統(tǒng)稱。硬件將射頻、基帶集成在一塊PCB小板上，完成無線接收、發(fā)射、基帶信號(hào)處理功能。NB-Iot窄帶無線通信模塊：窄帶物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-Iot構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。
3.2.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)
對(duì)于上層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，首先要接收來自于網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量巨大，網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)非常多，因此，系統(tǒng)必須考慮分布式高并發(fā)，分布式存儲(chǔ)。分布式并發(fā)：系統(tǒng)為滿足海量連接的需求，部署分布式服務(wù)器集群，滿足高并發(fā)特性。分布式存儲(chǔ)：利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群的功能，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫高速讀寫的特性，進(jìn)行分布式存儲(chǔ)的部署。通常大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫oracle，mysql，sqlserver都已經(jīng)提供了集群的功能。Mongodb，Redis等內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，也已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)應(yīng)用。
3.3穩(wěn)定性
傳感器穩(wěn)定性傳感器技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在電器，工業(yè)，軍工，航天等行業(yè)中普片運(yùn)用，同時(shí)，溫度傳感器，濕度傳感器，二氧化碳傳感器，光照強(qiáng)度傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，也有許多運(yùn)用場景。傳感器的穩(wěn)定性是有保證的。無線通信穩(wěn)定性在國內(nèi)4G已經(jīng)普及的大背景下，無線通信基站已經(jīng)遍及祖國的各個(gè)角落。工信部發(fā)布，預(yù)計(jì)到2020年行政村4G覆蓋率將超過98%。但是，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，存在信號(hào)屏蔽，信號(hào)干擾，數(shù)據(jù)包丟失等各種異常。因此，無線通信模塊在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地緩存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，數(shù)據(jù)緩存到本地;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)正常時(shí)，將緩存數(shù)據(jù)重新發(fā)送到上層應(yīng)用服務(wù)器中。
3.4經(jīng)濟(jì)價(jià)值
3.4.1成本節(jié)約
從根本意義來講，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)獲取的溫濕度，二氧化碳，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制塑料大棚中主要工藝指標(biāo)，滿足不同階段煙葉生長需求，幫助用戶避免了電，水和肥料的浪費(fèi)。同時(shí)，系統(tǒng)允許用戶在必要時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
3.4.2煙葉品質(zhì)提升
由于塑料大棚中受外部天氣的影響非常小，大棚內(nèi)優(yōu)良的環(huán)境指標(biāo)，能大幅提升煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量，大幅增加種植農(nóng)戶收入。
3.4.3大數(shù)據(jù)價(jià)值
在整個(gè)煙葉種植生命周期過程中，積累了海量大數(shù)據(jù)。針對(duì)這些海量大數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析算法，可以計(jì)算出溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度為輸入因子，對(duì)煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量的影響。通過大數(shù)據(jù)的積累，最終實(shí)現(xiàn)大棚智能化反饋控制。
4分析總結(jié)
綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高原煙葉種植中的應(yīng)用，已經(jīng)具備技術(shù)基礎(chǔ)，成本優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)價(jià)值等前提。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能顯著提高煙葉種植對(duì)于惡劣天氣變化的抵抗能力，提升煙葉品質(zhì)的同時(shí)提高煙葉產(chǎn)量。在人工成本不斷提高的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能大量減少種植過程中人力的投入，節(jié)約種植成本。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煙葉種植中的應(yīng)用，已經(jīng)具備大規(guī)模推廣的條件。
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