一、 引言
20世紀90年代中期以來，“精細農業”（Precision Agricultrue, Precision Farming）在美國、歐洲、以色列等發達國家和地區中的試驗研究與實踐有了快速的發展，被喻為是“信息時代作物生產管理技術思想的革命”。進入新世紀，世界各國更是面臨如何提高農產品國際市場競爭力和實現農業可持續發展目標的嚴峻挑戰，利用應用生物與信息等高新技術提升農業科學技術水平的創新研究由此進入了新時代。
無線傳感器網絡技術作為一種新型網絡技術，以其低功耗、自由組網、低價位，正被歐美各國廣泛應用于精細農業領域的生產和科學研究，例如，大棚種植室內及土壤的溫度、濕度、光照監測、珍貴經濟作物生長規律分析與測量、葡萄優質育種和生產等，可為農村發展與農民增收項目帶來高科技的輔助手段。
采用無線傳感器網絡建設農業環境自動監測系統，用同一套網絡分別完成風、光、水、電、熱和農藥等的數據采集和環境控制，可有效提高農業集約化生產程度，簡化系統復雜性，降低設備成本。
目前，無線傳感網絡作為一種廉價、安裝便捷的分布式農田信息實時采集網絡系統，結合實用的農作管理決策支持系統，隨著世界精細農業技術體系的研究與實踐的不斷發展，其技術思想和目標的明確性和富有吸引力，已經被全世界絕大部分專家學者所認可。
基于上述因素，本公司農業信息化項目組與浙江農科院合作研發了遠程農作管理決策服務平臺，該平臺在杭州示范區農業生產中已經取的很好的效果。
二、 農作管理遠程監測服務平臺介紹
遠程農作管理決策服務平臺主要由農田環境遙測系統、農作管理專家系統和用戶服務系統三部分組成。
1. 平臺架構圖
農田環境遙測系統由分布在農田溫室大棚里的各種無線傳感器組成，如圖2、3、4所示，負責采集農田里的溫度、濕度、露點、光照等環境信息，并通過GPRS或CDMA等遠程無線網絡技術將這些數據回傳給服務平臺的農作管理決策專家系統；
圖表 2 農田環境無線遙測實例
圖表 3 農田環境無線遙測實例
圖表 4 農田環境無線遙測實例
農作管理專家系統是一種智能程序子系統，內部集成了大量專家水平的領域知識和經驗，能利用專家可用的知識和方法來解決該領域的問題。農業專家系統綜合了大量農業專家的經驗，把分散的、局部的單項農業生產技術綜合集成起來，經過智能化的、綜合性的信息決策處理，針對不同的生產條件，給出最佳的農事生產和管理的解決方案，為農業生產全過程提供高水平的信息和決策服務；
用戶服務系統是利用短信、郵件等手段將專家系統決策結果通知相關用戶，并指導用戶進行相應的農事操作的程序，這是根據當前的國情而設計的一種反饋機制，將國外精細農業中常用的機械化灌溉
控制系統進行了簡化，以人力操作代替機械操作，這一方面考慮到節省機械化設備的巨額投入，便于本系統更容易、更快速地推廣，同時也考慮到這樣的設計使得廣大農民能夠親身參與農作，加強對農民的農技知識指導，讓他們在實踐中得到學習，從而更快地提高我國農民的整體農業知識和技術水平。、
2. 平臺組成
平臺主要分為兩大部分：
第一部分為硬件設施及網絡框架的建設，通過無限傳感網絡長期穩定高效的特點，采集大量的不同地區、不同位置、不同季節、不同環境下的真實數據，用于后續專家系統的開發。具體來說，在農田環境遙測子系統上實現溫度、濕度、露點、光照四大要素的環境信息采集及CDMA遠程傳送；在農作管理專家子系統上實現簡單實用的環境參數上下限警示，并給出相應的農事操作建議；在用戶服務子系統上實現用戶服務平臺，包括環境遙測設備注冊、農作物信息登記、決策信息短信通知等功能。
第二部分為農作管理專家系統，在理論的指導下，通過對前期大量真實數據的分析，為不同的農作物品種建立各種環境下的農作物生長曲線，更好地為廣大農民提供準確及時的農作指導。同時，根據專家系統的要求，擴展相應的各種無線傳感器，包括測量土壤水分、酸堿度、肥料成分，二氧化碳濃度等指標。另外，在某些條件成熟（資金充裕、農田規模較大、人員知識水平較高）的地區可以考慮建設全自動的灌溉施肥系統，進一步提高農業信息化，以便更加“精細”地管理農作物。
三、 用戶服務系統設計
? 數據查詢
用戶服務系統提供實時數據、歷史數據、報警數據等各種類型的數據查詢功能，下圖是即時數據顯示的一個例子：
圖表 5 用戶服務系統界面
淳安縣基地 甜椒大棚 種植的蔬菜品名為甜椒
采集時間：2008-09-26 10:17:00
甜椒 環境溫度： 3.60度
環境濕度： 4.55%
環境紅外： 4.56次/分
環境光照： 4.56%
環境露點： 4.55%
采集設備電池余量： 2.81伏
環境濕度： 異常
總的環境條件分析結果即 (工作狀態):異常
即時數據查詢，可以顯示某蔬菜在其種植的蔬菜大棚內最近的采集時刻的即時環境溫度采樣值，或環境濕度采集值，或環境紅外采集值，或環境光照采集值，或環境露點采集值，或采集設備的電池余量采集值。進而總結出當前環境是否適合該蔬菜的最佳生長發育環境。
即時查詢，可以為相關的責任人提供最新的種植蔬菜的當前環境生長條件。
歷史數據的查詢，除了可以在某種植蔬菜在所種植的蔬菜大棚中，所有的環境因數采集點在采集數據沿時間的分布曲線上
? 系統設置
系統設置以對系統的蔬菜基地和閾值及前端采集設備的基本參數進行設置。模塊功能包括：
閾值（種植蔬菜）信息維護：有閾值編號，閾值名稱的溫度、濕度、光照、紅外、電池余量、露點報警閾值等
蔬菜大棚維護：有蔬菜大棚編號，蔬菜大棚名稱，蔬菜基地編號等
節點信息維護：有節點編號，節點名稱，位置，蔬菜大棚編號，閾值編號等。
測點信息維護：測點編號、測點名稱、測點類型編號、蔬菜大棚編號等
測點類型維護：有溫度、濕度、結露、光照、紅外、電池電壓等
數據轉換維護：有設備編號和測點編號等
短信通知維護：有短信編號、短信通知內容、需短信通知部門責任人
? 系統管理
系統管理用以對涉及到整個系統的基本參數進行設置。模塊功能包括：
部門信息維護，用以維護系統涉及的有關的責任部門
員工信息維護，用以維護系統涉及的有關責任部門中的責任人。
系統用戶維護，用以維護有關的系統管理與使用人員的權限。
系統日志維護，用以查看及清除系統運行過程中所產生的日志信息。
四、 國外無線傳感器網絡技術在農業領域的應用案例
1 葡萄園環境監測系統應用方案
該方案由英特爾公司所設計的應用在美國盛產葡萄酒的俄勒岡州的一個葡萄園中，用于測量葡萄園中環境的細微變化。在俄勒岡州葡萄園長出的葡萄大部分用于釀制葡萄酒，葡萄園中氣候的細微變化可能會對釀制出的葡萄酒的質量帶來極大的影響。葡萄園工作人員通過長年的數據記錄及對應的分析結果，便能精確地掌握葡萄酒的質量與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關系。該環境監測系統通過采集葡萄園中各環境因素的數據，經過數據分析，然后由葡萄園工作人員根據分析結果來開展有效的灌溉等工作，從而確保葡萄可以健康生長，獲得大豐收。
該葡萄園環境監測系統應用方案如圖7-4所示。它所使用的器件是加州大學伯克利分校研制并授權商業化的用于無線傳感器網絡研究與應用的高科技產品。在該監測系統中，首先把若干無線傳感器節點布放在葡萄園內，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度和日照等；然后把測得數的據通過無線通信技術發送到信號接收節點；再通過網絡發送到計算機上，再由計算機系統中的相關應用軟件對數據進行分析處理；最后由葡萄園主從顯示系統中觀看其分析結果。
系統的顯示分析報告不僅為葡萄園主進行灌溉，控制葡萄園內溫度和日照等提供依據，而且系統可以對所收集到的數據和對應分析結果進行長期的保存。于是，葡萄園工作人員可以根據過去的數據記錄和對應分析結果及灌溉等操作與最終產出的葡萄質量之間的關系，很好地掌握葡萄的質量與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關系，為葡萄園工作人員以后進行灌溉等積累經驗。
該系統中的相關應用程序要牽涉到葡萄種植方面的專業知識，主要是葡萄園主人必須要對葡萄生長過程中所受溫度、濕度和日照的影響有個很好的掌握。該方案設計能夠對以往數據和分析結果進行保存，葡萄園工作人員可以在后期根據過去的數據分析記錄和實際灌溉相結合，積累很好的經驗。該方案體現出了人性化和靈活性，為無線傳感器網絡在農業中其他方面的應用提供了很好的參考價值。
該方案應用的無線傳感器網絡，傳感器節點在應用過程中，故障率相對來說較低。由于傳感器節點的故障率低，這為該方案能夠采集到較準確和齊全的數據提供了很好的保證，該方案可以推廣到其他葡萄園中去，雖然要投入一些資金，但是能夠長出高質量的葡萄，釀制出高質量的葡萄酒，這對葡萄酒的品牌聲譽和市場占有率非常有利，當然該方案也可以應用到農業的其他方面，有很好的適用性和實用性。
2溫室環境應用方案
無線傳感器網絡在大農業中的應用有很多，溫室環境應用是在農業中應用最廣泛、最常見的一個例子。在日常生活中，人們能夠在市場上買到當地自然氣候下長不出來的蔬菜，這些蔬菜都是在溫室環境下種植培育出來的。與以往的溫室環境的應用方案比較，以往都是通過在溫室內布置復雜的電線及相關的控制設備來實現對溫室環境的調控。在溫室中布線，這對為農作物進行施肥等活動造成障礙，可能會在這些活動中把電線弄斷，給系統通信帶來問題。而利用無線傳感器網絡不需要經過布線這個環節，避免了相關問題的出現，同時達到了對溫室環境進行調控的要求。
在溫室環境中，單個溫室可以作為無線傳感器網絡一個測量控制區，網絡中通過采用經過多個節點轉發來實現信息的傳遞(多跳的方式)。網絡中采用不同的傳感器測量節點和具有簡單執行控制的節點(能對風機、調溫機器、閥門等設備進行相關控制)構成無線傳感器網絡，其中節點用來測量土壤濕度、土壤成分、PH值、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強度和C02濃度等數據，以便知道溫室中的環境狀況，同時將生物信息獲取方法應用于無線傳感器節點，為對溫室環境進行適當的調控提供科學依據。最終使溫室中的傳感器執行控制的標準化、數據化，利用網關實現控制裝置的網絡化，從而達到現場組網方便、提高作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的，方案網絡結構如圖7-5所示。
在農業中，特別是在國外的大農場里，可能建有很多溫室，根據應用的設計，在每個溫室都組建一個無線傳感器網絡，由于溫室中的環境都比較相似，因而，每個溫室中的無線傳感器網絡的功能和技術也都是一樣的。所有的溫室通過控制中心的計算機來統一進行管理，這大大提高了工作效率，使得管理更科學化。
