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物联网在云南高原烟叶种植中的应用前景分析

发布时间:2018-11-07 15:36所属分类:农业论文浏览:1

高原烟叶种植过程中,一直以来由于天气因数,对烟叶品质和产量影响较大。采用物联网技术,通过传感器获取烟叶种植过程中的各项数据信息;通过无线通信模块传输数据信息,上层应用系统接收数据,并进行数据归类,存储;并对大数据进行分析,反馈到烟叶种植过程

  高原烟叶种植过程中,一直以来由于天气因数,对烟叶品质和产量影响较大。采用物联网技术,通过传感器获取烟叶种植过程中的各项数据信息;通过无线通信模块传输数据信息,上层应用系统接收数据,并进行数据归类,存储;并对大数据进行分析,反馈到烟叶种植过程中,提升烟叶品质和产量。本文介绍了以上述技术为基础,发展物联网在高原烟叶种植中的应用可行性和应用前景分析。

  关键词:物联网,高原,烟叶种植

  1背景介绍

  烟叶自引入云南高原地区种植以来,一直作为重要经济农作物,为云南高原农业的发展做出了重要贡献。优质的烟叶,需要种植于红土中,每天至小时的阳光照射。上述条件,都是云南高原所特有的。烟叶是一种喜温作物,生长发育的适温是至摄氏度,在零下至摄氏度时,烟株极易死亡。同时,烟叶对于水分的需求,也因不同的生长时期而不同。一般情况下,烟株在生长前期需水量适中,生长中期需水量最多,生长后期需水量最少。而对于恶劣天气对的影响,烟叶较其他农作物更为敏感,不论是在苗床或大田期,都可能会带来严重的损失。基于上述背景,提出运用物联网技术,对烟叶种植全生命周期精细化,数字化管理,以降低烟叶种植的人力和经济成本,提升烟叶产量和烟叶品质,降低烟叶种植过程的风险。

  2物联网技术

  物联网技术可分为三层架构,包括感知层、网络层以及应用层。感知层通过将物理信息的收集并处理,实现数据信息化;通过本地网络层无线或有线的方式对相应数据进行收集与传输;最终可以实现物联网系统多种智能化应用。

  2.1感知层

  感知层是通过传感器,智能控制器,将环境中的化学、生物、物理等信号转化为数字信息,并传输至后端进行数据处理。

  2.2网络层

  网络层通常分为有线传输、近距离离线传输、传统互联网、移动空中网。其中,移动空中网将会成为主流通信方式。基于5G的NB-Iot通信方式,能够实现数以亿计的无线连接。如图1所示,涵盖了大多数物联网通信方式。

图1

  2.3应用层

  应用层接收来自于网络层传输的数据信息,根据特定应用需求,进行数据归类,整合,储存,分析,并将分析结果进行反馈。

  3应用前景分析

  利用物联网技术,对烟叶种植全生命周期进行管理,需要对技术基础,稳定性,成本,经济价值进行综合分析。

  3.1应用举例

  位于云南高原某烟叶产区,烟叶种植在山区和半山区,基础设施薄弱,昼夜温差大,年降雨量不确定性大。对于传统烟叶种植来说,人力成本高,管理难度大,对天气影响的抵抗能力差。针对上述问题,在烟叶幼苗时期,需要在塑料大棚种进行播种。塑料大棚中,安装有温度传感器,湿度传感器,二氧化碳传感器,光照传感器,用于获取塑料大棚中的温度,湿度,二氧化碳浓度,光照强度等数据。如图2所示。由各类传感器,实时获取大棚中空气温湿度,土壤湿度,二氧化碳浓度,光照强度的数据,将通过无线通信模块,把所有数据周期性的汇总到上层应用系统中。

图2

  无线通信模块,可以采用配备3G/4G无线网卡的设备,也可以采用基于NB-IOT窄带物联网通信设备。如图3所示。上层应用系统,接收到来自无线通信模块的数据后,将对海量的大数据进行分类整理,并存储于数据库中。由于数据量巨大,应用服务器应使用分布式数据储存;对于一些常用的数据,应该采用内存数据库的方式进行缓存,以供用户高效使用。

图3

  3.2技术基础

  3.2.1传感器技术

  温度传感器:是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器的结构如图4所示,感温元件主要用于感受温度并将其转换为电信号等易于测量的物理参数,经过处理电路将其转换为相应的温度数据。湿度传感器:是指能测量湿度并转换成0~100%数据输出的传感器。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。

图4

  湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。二氧化碳传感器:是用于检测二氧化碳浓度的传感器。二氧化碳是绿色植物进行光合作用的原料之一,作物干重的95%来自光合作用。因此,使用二氧化碳传感器控制浓度也就成为影响作物产量的重要因素。光照强度传感器:是指用于检测光照强度的传感器。其工作原理是采用先进光电转换模块,将光照强度值转化为电压值,再经调理电路将此电压值转换为0~2V或4~20mA。

图5

  3.2.2无线通信技术

  3G/4G无线通信模块:3G/4G模块是指硬件加载到指定频段,支持标准的协议,软硬件高度集成模组化的一种产品的统称。硬件将射频、基带集成在一块PCB小板上,完成无线接收、发射、基带信号处理功能。NB-Iot窄带无线通信模块:窄带物联网是万物互联网络的一个重要分支。NB-Iot构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

  3.2.3物联网应用系统

  对于上层物联网应用系统,首先要接收来自于网络层传输的海量数据。由于数据量巨大,网络连接数非常多,因此,系统必须考虑分布式高并发,分布式存储。分布式并发:系统为满足海量连接的需求,部署分布式服务器集群,满足高并发特性。分布式存储:利用数据库服务器集群的功能,内存数据库高速读写的特性,进行分布式存储的部署。通常大型的关系型数据库oracle,mysql,sqlserver都已经提供了集群的功能。Mongodb,Redis等内存数据库,也已经是非常成熟的技术应用。

图6

  3.3稳定性

  传感器稳定性传感器技术经过多年的发展,已经在电器,工业,军工,航天等行业中普片运用,同时,温度传感器,湿度传感器,二氧化碳传感器,光照强度传感器在农业生产过程中,也有许多运用场景。传感器的稳定性是有保证的。无线通信稳定性在国内4G已经普及的大背景下,无线通信基站已经遍及祖国的各个角落。工信部发布,预计到2020年行政村4G覆盖率将超过98%。但是,无线网络传输,存在信号屏蔽,信号干扰,数据包丢失等各种异常。因此,无线通信模块在数据采集和数据传输的过程中,需要将采集到的数据进行本地缓存,当网络发生异常时,数据缓存到本地;当网络信号正常时,将缓存数据重新发送到上层应用服务器中。

  3.4经济价值

  3.4.1成本节约

  从根本意义来讲,通过物联网技术,系统根据获取的温湿度,二氧化碳,光照强度数据,控制塑料大棚中主要工艺指标,满足不同阶段烟叶生长需求,帮助用户避免了电,水和肥料的浪费。同时,系统允许用户在必要时做出相应的调整,实现节能。

  3.4.2烟叶品质提升

  由于塑料大棚中受外部天气的影响非常小,大棚内优良的环境指标,能大幅提升烟叶品质和产量,大幅增加种植农户收入。

  3.4.3大数据价值

  在整个烟叶种植生命周期过程中,积累了海量大数据。针对这些海量大数据,运用大数据分析算法,可以计算出温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度为输入因子,对烟叶品质和产量的影响。通过大数据的积累,最终实现大棚智能化反馈控制。

  4分析总结

  综上所述,物联网技术在高原烟叶种植中的应用,已经具备技术基础,成本优势,经济价值等前提。应用物联网技术,能显著提高烟叶种植对于恶劣天气变化的抵抗能力,提升烟叶品质的同时提高烟叶产量。在人工成本不断提高的今天,物联网技术能大量减少种植过程中人力的投入,节约种植成本。因此,物联网技术在烟叶种植中的应用,已经具备大规模推广的条件。

  参考文献

  [1]郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用(第四版).西安电子科技大学出版

  [2]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术.电子工业出版社.2008年06月.

  [3]ViktorMayer-Schonberger,ThomasRamge.ReinventingCapitalismintheAgeofBigData.BasicBooks.2018/2/27,

  [4]刘茜.窄带物联网(NB-IoT)标准与关键技术.电子工业出版社.2013年03月.

  [5]余欣荣.物联网改变农业、农民、农村的新力量.中国农业大学出版社.2016年12月

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