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物联网在智慧农业中的应用

发布时间：2019-09-29

　　在传统农业中，灌溉、施肥、喷药，农民全凭经验和感觉。而如今，在智慧农业中，农作物浇水、施肥、打药时间，农作物的空气温度、空气湿度、酸碱度、光照、二氧化碳浓度、土壤水分，做到按需供给，一系列作物在不同生长周期的问题，都有信息化、智能化监控系统实时定量 “精确” 把关。智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统、无线通信技术等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽，作用显着，具体表现为：在监控农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测，收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量、土壤污染和土壤pH 值等方面实现科学监测、科学种植 , 帮助农民抗灾、减灾[1].

　　在智慧农业中，可运用物联网的温度传感器、湿度传感器、 PH 值传感器、光照传感器、 CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、 PH 值、光照强度、土壤养分、 CO2浓度等参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。采用物联网，特别是无线传感器网络来获得作物生长的最佳条件，可以为智慧农业提供科学依据，达到增产增收、改善品质、调节生长周期及提高经济效益的目的。

　　1 智慧农业

　　智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动通信网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感器节点（环境温湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器等）和无线传感器网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

　　1.1 智慧农业定义

　　“智慧农业” 也称为 “智能农业”, 它充分应用现代信息技术、计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、 3S 技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、问题预警等智能管理。智慧农业是以最高效率地利用各种农业资源，最大限度地降低农业成本和能耗、减少农业生态环境破坏以及实现农业系统的整体最优为目标，以农业全产业、全过程智能化的泛在化为特征，以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流和电子化交易为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生态和安全的一种现代农业发展模式与形态[2]. 智慧农业所具备的功能有无线采集、无线控制、远程监控、自动灌溉、自动施肥、自动喷药等（附图）。

　　1.2 智慧农业特点

　　基于物联网技术的智慧农业是当今世界农业发展的新潮流，传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，农产品质量问题、农业资源不足、普遍浪费、环境污染、产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而智慧农业为现代农业的发展提供了一条光明之路。智慧农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约，它是由信息技术支持的根据空间时间，定位、定时、定量地实施一整套现代化农业操作与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状、空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度等调节对作物的投入，即一方面查清田地内部的土壤性状与生产力，另一方面确定农作物的生产目标，调动土壤生产力，以最少或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源取得经济效益和环境效益双丰收。

　　1.3 智慧农业系统架构

　　物联网智慧农业平台系统由前端数据采集系统、无线传输系统、远程监控系统、数据处理系统和专家系统组成[3]. 前端数据采集系统主要负责农业环境中光照、温度、湿度和土壤含水量以及视频等数据的采集和控制。无线传输系统主要将前端传感器采集到的数据，通过无线传感器网络传送到后台服务器上。远程监控系统通过在现场布置摄像头等监控设备，实时采集视频信号，通过电脑或 3G 手机即可随时随地观察现场情况、查看现场温湿度等参数和进行远程控制调节。数据处理系统负责对采集的数据进行存储和处理，为用户提供分析和决策依据。专家系统根据智慧农业领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，帮助进行决策，以解决农业生产活动中遇到的各类复杂问题。

　　2 物联网在智慧农业中的应用

　　物联网技术是新生事物，是多学科技术的集成[4].随着世界各国对物联网行业的前景看好和企业的大力投入，物联网产业正飞速的发展，并渗透进每一个行业领域。可以预见的是，越来越多的行业领域以及科技、应用会和物联网产生交叉融合，传统农业向智慧农业方向的转变也已经成为了大势所趋。

　　2.1 物联网定义

　　物联网是新一代信息技术的重要组成部分，英文名称叫 “The Internet of Things”, 顾名思义，物联网就是 “物物相连的互联网”. 包含两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。目前公认的物联网定义是通过智能传感器、射频识别（RFID）、激光扫描仪、全球定位系统（GPS）、遥感等信息传感设备及系统和其他基于物-物通信模式（M2M）的短距无线自组织网络，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大智能网络[5].

　　物联网被公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业第三次浪潮。物联网的基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理[6]. 它是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其原理和实质是在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过无线传感器网络、互联网、移动通信网等交互传递，从而实现对世界的感知。

　　2.2 物联网架构

　　物联网架构可分为以下三层：感知层、传输层和应用层。

　　2.2.1 感知层

　　采用各种传感器，如土壤温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、风向传感器、风速传感器、雨量传感器等来获取作物的各类信息。其中的一项关键技术是射频自动识别，射频识别（Radio Fre-quency Identification, RFID）技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。 RFID 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享[7]. 感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。

　　2.2.2 传输层

　　传输层由各种网络，包括互联网、无线传感器网络、移动通信网和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。其中无线传感器网络是农业领域应用较广泛的一种网络。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN），是由监测区域内随机分布的大量种类繁多的微型传感器组成，它们通过无线通信方式迅速自行组网，对网络覆盖区域中被感知对象的动态信息进行采集、计算和处理[8]. 由于可以对特定的区域进行大面积监控，单个节点成本低，使得传感器网络非常适合于农业领域的信息采集工作[9].

　　2.2.3 应用层

　　应用层是物联网和用户的接口，与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。例如在农作物大棚或园区，利用无线传感器网络获取作物实时生长环境中的温湿度、光照强度等信息，收集每个节点的数据并进行存储和管理，实现整个监测区域的信息动态显示，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、调温控光等操作，对异常信息进行自动报警。

　　2.3 物联网在智慧农业中的应用案例

　　对土壤水分及其变化的监测是生态、农业和水土保持等研究中的一项基础工作[10]. 蔡镔等[11]针对棉花茎杆直径变化的测量参数，结合 Zigbee 无线传感器网络技术设计了棉花精准灌溉监控系统。该系统由无线监控网络和远程数据中心 2 个部分组成，给出了系统总体架构，设计开发了无线传感器网络节点，并给出了软件流程。该系统使人们随时获得棉花作物精确的需水信息，并实现精准灌溉。由于采用了无线数据传输方式，该系统解决了有线通信方式存在的难以扩展、难以升级等问题，具有低功耗、低成本、扩展灵活等优点。

　　赵玉成等[12]针对我国农业生产活动的特点，提出在农田土壤肥力监测领域应用无线传感器网络的方案和思路，实现把无线传感器网络技术与土壤肥力监测相结合，达到提高土壤肥力的目标。将无线传感器网络应用于土壤肥力监测，可实时、动态地测定土壤中养分和肥料的含量，从而有效地指导施肥，使肥料得到更高效的利用。在农业生产活动中，农田土壤肥力信息的监测、采集与处理是不可或缺的重要环节，将无线传感器网络技术应用在土壤肥力监测，分布在农田土壤中的大量传感器节点通过无线通讯网络与汇聚节点进行信息交换，能很大程度地提高土壤肥力监测的实时性、可靠性，且实施成本较低廉，性价比高，维护简单，节点的扩展也非常容易，提高了农田作业中土壤肥力信息采集、监测的自动化程度。

　　滕红丽等[13]提出了一种基于 ZigBee 无线传感网络的作物环境监测系统的设计，该系统在 ZigBee 协议和CC2530 芯片基础上 , 通过对系统软硬件设计 , 实现了作物环境的温度、湿度、光照度、 CO2浓度等参数的实时监测，为作物产量提高提供了有效保证。

　　在农业温室环境下，温室环境测控系统可对温室内外环境进行自动检测、显示；可按不同作物的要求进行多因子综合调节与控制；还能对温室内各环境因子的数据长期存储，满足科研和生产的需要，为智能农业专家系统的开发积累丰富的资料数据。将无线传感器网络技术应用在温室环境测控系统，极大地提高了系统的实时性、可靠性，且系统开发成本较低廉，性价比高，维护简单，节点的扩展也非常容易，提高了温室环境下农作物种植环境信息采集、监测和控制的自动化程度[14].

　　朱伟兴等[15]基于物联网技术开发了保育舍环境可视化调控系统，采用 Zigbee 无线技术将舍内各保育床及周围设备组成无线网络系统，系统依据分布于各保育床内的传感器获得的环境参数，精确调节各保育床内的小气候环境。通过 WIFI 无线技术将服务器与 IN-TERNET 无缝连接，使用户端延伸并扩展到猪舍及室内设备，实现环境与设备之间，环境与人之间进行信息交换。该系统性能稳定，信息无线采集、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求，适合保育猪舍环境智能化精准管理，可应用于自动化、智能化的牲畜养殖中。

　　王文山等[16]以物联网技术为基础，研究了果园环境信息监测系统总体结构，将系统分为数据采集模块、数据传输模块和数据管理模块三部分，研究了数据传输模块，实现了无线组网和数据的远距离传输，在山东栖霞果园的实际应用效果良好。

　　顿文涛等[17]针对国内的食品安全问题，对构建食品安全物联网体系进行了研究，设计了一种食品安全物联网管理体系，主要由四个方面组成，分别为食品生产、食品流通、食品监管及食品追溯。利用物联网技术收集食品产业链数据、构建食品安全物联网体系，对食品从源头到餐桌的各个环节进行追踪监管，能有效加强食品安全。

　　在农业资源利用方面，随着物联网技术的不断发展，北美一些发达国家通过卫星监测来收集国家土地利用信息，然后再对所采集的信息进行一系列的分析处理，最终实现了大范围内的农业统筹规划管理。近年来，我国运用 GIS、传感器和 GPS 定位相结合的技术，通过 WSN 与无线通信实现了对农业资源的规划管理。为了更加准确地获取农田状态信息，在作物施肥、病虫害监测和防治、土壤养分监测等农田信息采集、管理，以及农业环境变化和农业污染监测等方面都使用了 GPS 定位技术[18].

　　3 结束语

　　智慧农业取代传统农业是农业现代化发展的必然，更是符合我国国情的选择。智慧农业可以促进农业生产方式的转变，实现各类农业资源的高效利用和改善环境的目标，同时可最大限度地提高农业生产力，是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

　　参考文献

　　[1] 严璋鹏，彭程。基于物联网技术的智慧农业实施方案研究[J].西安邮电大学学报，2013,18（4）：105-108.

　　[2] 施连敏，陈志峰，盖之华。物联网在智慧农业中的应用[J].农机化研究，2013,（6）：250-252.

　　[3] 葛付伟，毛建新。基于 NRF905 的智能农业无线通信系统设计[J].消费电子，2014（4）：105-106.

　　[4] 顿文涛，赵玉成，朱伟，等。物联网在现代化农业中的应用[J].农业网络信息，2013,（12）：5-8.

　　[5] 李道亮。物联网与智慧农业[J].农业工程，2012,2（1）：1-7.

　　[6] 孙其博，刘杰，黎羴，等。物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010,33（3）：1-9.

　　[7] 王保云。物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009,23（12）：1-7.

　　[8] 顿文涛，夏斌，车银超，等。基于无线传感器网络的农业精量灌溉系统设计[J].现代农业科技，2012,（24）：216-221.

　　[9] 徐刚，陈立平，张瑞瑞。精准灌溉系统无线传感器网络休眠技术研究[J].农业机械学报，2009,40（z1）：232-236.