面向智能农业的物联网应用

摘 要物联网技术已经成为科学研究领域的前沿课题之一,因其巨大的应用前景而备受关注.阐述了物联网的概念、技术架构及关键技术,介绍了其在智能农业领域中的应用.可以看出,将物联网技术应用于智能农业生产中,能够改变粗放的农业经营管理方式,降低劳动力成本,从而引领现代农业的发展.

关 键 词物联网；智能农业；信息采集；应用

中图分类号TP393文献标识码A文章编号1007-5739（2013）14-0337-03

智能农业是指将人工智能技术应用于农业领域的一项新兴技术,是我国传统农业发展的必经途径和重要战略.物联网是指通过一些信息传感设备,如射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等按约定的协议,连接任何需要交换和通信的物品与互联网,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-2].目前,物联网技术在我国传统农业的信息感知、传输、控制等方面起到了重要作用,促进农业向智能农业发展.

1物联网概述

1.1物联网的定义

物联网是指将所有现实物体通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化的识别和管理.其获取信息的途径为感知,以网络传输进行信息的传递和交换,通过计算机对信息进行处理,帮助人们感知和监控物理世界的信息.实现物联网技术的基础是嵌入式系统和互联网技术的应用.物联网通过连接物体,对其进行感知,然后通过计算机、决策终端等设备将信息反馈成人们所能识别的信息,使资源利用率和生产力水平得到提高,从而实现智能农业[3-4].物联网目前正成为世界各国竞相聚焦的战略性新兴产业.

1.2物联网的体系架构

物联网的体系架构可分为3层：感知层、网络层和应用层[5].感知层由各种传感器以及传感器网关构成,主要任务是识别物体、采集信息并进行智能化识别,然后通过接入设备将信息与互联网进行资源共享与互交.网络层由各种私有网络、互联网、网络管理系统、通信网和计算机平台等组成,负责将感知层获取的数据进行分类、汇聚、处理和传输.应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口,实现信息的处理和决策,解决特定的智能化应用和怎么写作问题,实现物联网的智能应用.

1.3物联网的关键技术

物联网的关键技术有射频识别技术（RFID）、传感器技术、传感器网络技术和网络通信技术等.射频识别（RFID）技术的识别不需要接触,不管环境是否恶劣都可以工作,其传输信息是利用射频信号和空间耦合（电感和电磁耦合）传输特性,可以实现无线双向通信,自动识别被识别的物体[6].一个典型的RFID系统包括RFID标签、读写器和信息处理系统.RFID标签可以标识物体,由读写器收集所需要的信息,然后由信息系统对信息进行处理,从而实现物体信息的交换[7].RFID在畜产品精细化养殖系统、动物识别与跟踪系统、农畜产品安全生产监控系统等很多方面已正式投入使用.

传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,一般由敏感元件和转换元件组成.物联网的传感器节点在传统传感器的基础上,具有感知、计算和通信能力,其功能为数据的采集、筛选、计算以及交互.其中,嵌入式智能技术将硬件和软件结合起来,具有低功耗、高集成度和高效率等特点[8].因此,传感器是物体感知世界的“感觉器官”.

传感器网络是由部署在监测区域内大量的低功耗微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统,能协作地感知、监测、采集网络覆盖区域中的各种微观环境信息,并对这些信息进行处理,发送给观察者[9].传感器网络技术可分为近距离通信技术和广域网通信技术2类.传感器网络通信技术为物联网数据提供传送通道.通过IP互联网、固定和移动通信技术,可以将物体与物体、物体与用户相连,实现信息的交互与处理,从而实现网络层和应用层的功能.与传感器节点有关的近距离通信技术主要有蓝牙、ZigBee、WiFi等.

2面向智能农业的物联网技术

2.1智能农业

农作物的生长与自然界的多种因素息息相关,如大气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度、气压、土壤养分等.在传统农业生产过程中,人们主要依靠自身的感知能力对影响农作物生长的环境参数进行辨识和管理,存在极大的不准确性,农业生产也成为一种粗放式管理.随着科学技术的发展,越来越多的劳动力从农业生产解放出来,劳动力成本的不断增加使得传统农业无法进一步的发展.因此,将先进技术应用于农业生产势在必行.

智能农业是指将人工智能技术应用于农业领域的一项高新技术.智能农业涉及的关键技术包括检测技术、嵌入式技术、通信技术等.智能农业系统覆盖了从影响农业生产的自然参数的采集,到利用知识推理和计算机技术进行参数分析,最终通过农业专家系统指导农业生产的整个生产管理链.显然,智能农业可以推动中国农业向实质意义上的“工厂化、现代化”方向持续快速地发展.

2.2物联网应用于智能农业的意义

农业发展是我国的基本国策.在工业化、城镇化深入发展中同步推进农业现代化,是“十二五”时期的一项重大任务.我国“十二五”振兴农业规划中明确提出“加快农业科技创新：发展农业信息技术,提高农业生产经营信息化水平”[10].物联网技术在农业中的应用,能改变粗放的、低效的农业经营管理方式,提高动植物疫情疫病防控能力,确保农产品质量安全,引领现代农业发展.

农业环境是一个开放复杂的生态体系.这个体系包含光照度、空气温湿度、土壤肥料、CO2浓度、土壤温湿度、养分等实时多变的环境因素.将物联网技术应用到农业现场,通过近距离无线传感技术、互联网远程通信技术,对现场的复杂多变的农作物生长信息进行实时采集和传输.一方面找出该区域内的环境性质和生产力空间变异,另一方面对农业现场的因素进行自主控制和实时反馈,定位“系统诊断,优化配方,技术组装,科学管理”,调动生产力,用最节省的投入实现更高的收入,同时改善生态环境,有效利用各类农业自然资源,增加经济效益和环境效益.2.3物联网在智能农业领域的应用

物联网技术在智能农业领域已经有了初步应用,如面向精准农业的传感技术、智能化专家管理系统、远程监测和遥感系统、生物信息和诊断系统、食物安全追溯系统等.国外方面,欧洲和美国利用卫星对土地信息进行实时监测,并将检测结果发送到各级监测站,进入信息融合与决策系统.与此同时,在地面利用GPRS定位系统,对区域农业的地理位置进行标定,实现对区域农业的合理规划,达到大区域农业统筹规划的目标；法国工作者利用物联网技术对土壤环境进行精确的数据分析,根据种植品种的具体需求,调节并改善智能感知环境,以提高农产品的产量与质量[11].

我国农业目前正处于传统农业向现代化农业转型的发展时期,物联网的应用使农业生产的自动化、虚拟化、精细化、远程化成为可能.通过物联网的实时传感采集和历史数据存储,能够摸索出植物生长对温、湿、光、土壤的需求规律,提供精准的科研实验数据；通过智能分析与联动控制功能,能够及时精确地满足植物生长对环境各项指标的要求,达到高幅度增产的目的；通过光照和温度的智能分析与精确干预,能够使植物完全遵循人工调节[12].目前,物联网在智能农业方面的应用主要有以下几方面.

2.3.1农业大棚温室的环境信息监测.采用温湿度传感器、pH值传感器、光传感器、生物传感器、二氧化碳传感器等传感器节点来测量土壤温湿度、土壤成分、pH值、空气温湿度和气压、光照强度、二氧化碳浓度等,再由无线传感器网络传输所采集的信息,通过互联网或移动通信传输至监控中心,来获得作物生长的最佳条件.工作人员根据接收的数据,适时调整、反馈控制信息,为作物选择和耕种方式提供指导,从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的.

2.3.2动植物生态信息监测.通过布置多层次的传感器网络检测系统,利用物联网技术实现对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、生存环境、生理状况及种群复杂度的观测研究,也可用于对森林环境监测和火灾报警.

2.3.3农业自动化节水灌溉.利用传感器感应土壤的水分,并在设定条件下与接收器通信,控制灌溉系统的阀门打开与关闭,从而达到自动节水灌溉的目的.可在庭院花园绿地、高速公路隔离带、农田井用灌溉区等区域,实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化,促进节水农业的快速健康发展[13].

2.3.4农产品质量的安全追溯.农产品质量安全是重大的民生问题,关系到人民群众的身体健康和生命安全,关系到社会稳定和经济发展.基于物联网技术的“食品安全追溯系统”则实现了对农产品质量安全的追溯,完成对农产品从生产到流通每个环节的监管,将食品安全隐患降至最低.

2.3.5在农产品储运中的应用.农产品储运过程中的储运环境对农产品的质量影响较大.物联网技术可以通过实时监测农产品储运过程中的环境变化,方便人们及时调整环境的温湿度等参数.在农产品的运输过程中,物联网技术可以监控运输车辆信息及车厢内外的环境,一旦车辆出现异常即可进行报警处理[11,14-15].

3结语

目前,物联网在我国的发展已经取得一定的成绩,但就农业而言,物联网在我国的应用还处于萌芽阶段.随着其技术的发展与应用,农业物联网的发展势必是21世纪农业发展的必然之路.我们应该抓住机遇,积极探索物联网的发展方向,抓住物联网和现代农业的结合点,发展高精尖农业,将物联网技术更广泛地应用于我国现代农业,为第二、三产业的发展打下坚实基础[16].

4参考文献

[1]何立民.物联网概述第1篇：什么是物联网[J].单片机与嵌入式系统应用,2011（10）：79-81.

[2]金攀.用物联网提升现代设施农业[J].农机市场,2010（3）：27-28.

[3]聂洪淼,焦云涛,赵明宇.物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计[J].自动化技术与应用,2012,31（10）：89-97.

[4]李圣华,肖传辉.基于物联网技术的智能农业系统设计[J].科技广场,2011（7）：73-75.

[5]李真,宋朝阳.物联网技术发展及应用研究[J].软件,2012,33（6）：125-127.

[6]游战清,李苏剑,等.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社,2004.

[7]任晓莉.基于物联网的公交智能停车系统设计[J].计算机与数字工程,2013,41（2）：318-320.

[8]焦政达.物联网在弱势群体中的应用[J].中国科技信息,2012（1）：70-73.

[9]蔡镔,袁超,顿文涛,等.无线传感器网络在农业生产中的应用研究[J].江西农业学报,2010,22（9）：149-151.

[10]徐彩娟.物联网技术在农业大棚中的应用研究[J].科技信息,2012（30）：302-305.

[11]董晓琳,杨淑萍.物联网在我国棉花产业中的应用[J].合作经济与科技,2013（1）：7-9.

[12]邢志卿,付兴,房骏,等.物联网技术在现代农业生产中的应用研究[J].农业技术与装备,2010（4）：16-20.

[13]肜丽,徐大伟.物联网在豫南地区智能农业中的应用研究[J].信阳农业高等专科学校学报,2012,22（2）：124-126.

[14]张凌云,薛飞.物联网技术在农业中的应用[J].广东农业科学,2011（16）：58.

[15]姚建松,仲云龙,孙雪钢,等.物联网技术在嘉兴市现代农业的应用研究[J].农业装备技术,2012（2）：4.

[16]李跃.浅析物联网技术及其应用前景[J].黑龙江科技信息,2013（2）：118.