農業物聯網綜合應用模式初探

摘要：回顧了農業物聯網應用的重點模式，在此基礎上，以向陽坡生態園區的農業物聯網建設為著力點，針對溫室、塑料大棚和大田，提出了農業科技園區溫室農業物聯網立體交叉綜合應用模式。該模式強調節點和多樣化的終端應用，嘗試提出了大田分布式物聯網節點的布局模式，初步搭建了大田種植區耦合物聯網技術的農業空間信息平臺；并突出農機和農藝建模的融合，指出了農業信息建模是農機和農藝相結合研究應用的重要切入點之一，為進一步推廣物聯網技術支持下的溫室和大田精準農業模式提供技術儲備。

關鍵詞：農業物聯網；應用模式；精準農業

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）03-0017-04

當前是農業信息爆炸式增長的時代，被稱為“大數據時代”[1]，快速、智能、有效地提取農業信息進行智能決策和管理是農業物聯網應用的重要內涵，也是農業科技創新的具體體現。無線傳感網絡是物聯網的重要組成部分，具有傳輸帶寬較高、抗干擾能力強、安全保密性好及功率譜密度低的特點。基于無線傳感網絡采集農田信息，可實現無線、實時傳輸，可提供更多的決策信息和系統的遠程管理。

向陽坡生態農業園區，隸屬于“現代農業信息化建設試點”——禹城市，園區建設包括大田和溫室大棚、拱棚。以該園區為實驗基地進行大田和溫室物聯網應用模式的探討和研究，具有較好的自然和技術優勢。基于物聯網技術進行農業信息智能表達，實現物聯網技術、農業知識和精準農業技術的融合和集成，可為大田環境物聯網精準農業技術應用和溫室環境感知系統技術應用模式提供借鑒和參考。

1 農業物聯網綜合應用模式

1.1 農業物聯網應用服務模式

農業物聯網應用服務較廣泛，一般分屬于以下兩種模式：大田物聯網精準農業技術應用模式和溫室感知系統技術應用模式，各種模式狀況下的信息盡可能考慮作物-土壤系統內的重要元素。針對農業物聯網應用服務的多終端狀況，具體分屬于以下幾種模式：

1.1.1 網站服務模式 比較常用和普及階段的服務模式。用戶通過建設網站可查詢所在大田區域和溫室田塊的肥料配方、施肥方案；具備上網條件的種田大戶還可以查詢承包農田的土壤理化性狀和具體的施肥建議以及作物的灌溉、施肥、病蟲害防治與日常管理等主要環節的有關注意事項。構建大田和溫室種植的物聯網應用平臺，對于作物不同生育期的有關參數，如葉面積指數（LAI）、植物冠層的葉綠素、氮含量、作物水分含量、土壤含水量等信息進行分階段建庫管理，適合有一定技術基礎的人員和農技專業推廣人員，也可為農業領導科學決策提供基礎參考。該模式適用于全國所有的地區。

1.1.2 觸摸屏查詢模式 觸摸屏查詢系統可以方便直觀地查詢各個田塊的土壤養分豐缺情況和具體的施肥建議。觸摸屏查詢系統簡單易用，適用鄉村肥料銷售點應用。

1.1.3 掌上電腦模式 掌上電腦施肥和作物生長階段咨詢系統將成果圖和施肥建議以及灌溉、病蟲害防治等信息貯存于掌上電腦。比較適合集約化程度較高的農場和農產品生產基地。

1.1.4 3G手機模式 土壤的肥力狀況以及障礙因素概況和作物的施肥建議以及灌溉、病蟲害防治等信息貯存于智能3G手機。用戶帶上該手機，走到轄區內任意地塊，軟件就能自動定位并顯示該地塊的土壤養分狀況、施肥和作物不同生長階段的特征以及有關措施等。比較適合集約化程度較高的農場和農產品生產基地。

在以上諸多農業智能化服務模式中，共性的有價值的決策基礎信息應注重農業空間信息的可視化。提供區域特點鮮明、形成施肥信息和作物生長信息的區域變異基礎圖，以及集成自然和社會經濟屬性信息的集成空間分異圖，利于決策者和一般技術人員了解溫室和大田作物-土壤系統內重要元素的區域空間分布特征以及作物生長的各種診斷結論，因此農業空間信息在物聯網應用服務模式中具有重要作用。

1.2 向陽坡生態園區溫室農業物聯網應用模式

1.2.1 溫室環境信息采集和控制的無線傳感器網絡應用模式 在溫室環境里，采用不同的傳感器節點和具有簡單執行機構的節點（風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執行機構） 構成無線網絡來測量土壤濕度、成分、pH 值及降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強度、CO2濃度等來獲得作物生長的最佳條件， 同時將生物信息獲取方法應用于無線傳感器節點， 為溫室精準調控提供科學依據。最終使溫室中傳感器、執行機構標準化、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、增加作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

1.2.2 環境信息實時監測的無線傳感器網絡應用模式 如何對農業小環境的溫度、濕度、光照、降雨量等，土壤的有機質含量、溫濕度、重金屬含量、pH值等，以及植物生長特征等信息進行實時獲取、傳輸并利用，對于施肥、灌溉作業來說具有重要意義。可以通過布置多層次的無線傳感器網絡檢測系統，來監測溫室環境中的害蟲、土壤中有機質、土壤酸堿度和施肥狀況等；也可實時遠程獲取溫室大棚內部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強度及視頻圖像，通過模型分析，遠程或自動控制濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備，保證溫室大棚內環境最適宜作物生長。該模式適用于各種類型的日光溫室、連棟溫室、智能溫室。如無線傳感器網絡自動灌溉系統利用傳感器感應土壤水分，并在設定條件下與接收器通信，控制灌溉系統的閥門打開、關閉，從而達到自動節水灌溉的目的。

1.2.3 多種傳感器對作物生長信息的綜合應用模式 在作物的生長過程中可以利用形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等來監測感應物的外形、顏色、大小等， 用來確定作物的成熟程度， 以便適時采摘和收獲； 可利用二氧化碳傳感器進行植物生長的人工環境監控， 以促進光合作用的進行，例如， 塑料大棚蔬菜種植環境的監測； 可以利用超聲波傳感器、音量和音頻傳感器等進行滅鼠、滅蟲等；還可以利用流量傳感器及計算機系統自動控制農田水利灌溉。

1.2.4 溫室農業物聯網立體交叉綜合應用模式 從農業信息的無線傳感器網絡采集、節水灌溉到作物環境和生長監測的物聯網應用模式，形成了溫室農業物聯網立體交叉綜合應用模式。在數據采集方式上物聯網不同于傳統的有線工業自動化總線方式，而是選用工業總線和無線網絡技術相結合的方式，可實現分片采集、廣域傳輸，從而進行溫室信息的采集和控制。基于傳感網絡和3G網絡融合的綜合集成應用，通過在向陽坡溫室大棚內現場布置光照、溫度、濕度等無線傳感器、攝像頭和控制器，自動調控溫室大棚環境，保證最適宜作物生長，為作物高產、優質、高效、生態、安全創造條件。溫室管理者可隨時隨地通過物聯網服務終端，進行遠程監控、遠程控制澆灌和開關卷簾等設備，并可實時查看到溫室大棚內的溫度、濕度信息以及作物生長階段的主要特征和有關病蟲害的診斷結論。基于3S技術，結合調查和統計手段，收集日光溫室、大棚等各種類型設施的分布與規劃建設情況，實現對建設實踐、設施類型、墻體結構、骨架類型、設施面積、占地面積、所屬設施帶、育苗場、滴灌、栽培作物、生產管理方式、勞動力人數和菜農人數等屬性信息的組織管理，同時提供相應的地圖定位、圖標互查、遙感影像調用、多媒體管理與專題地圖輸出功能，為領導決策設施農業的布局規劃和建設管理等提供科學依據。值得一提的是，溫室種植歷史信息的搜集和整理是一項重要內容，尤其是同期溫室信息的比較對于決策具有重要的影響，綜合區域數據庫信息以及專家的土壤信息區域決策圖和作物生長重要元素的關聯空間圖，進行科學決策[3，4]。

1.3 大田種植的物聯網應用平臺模式

向陽坡生態農業科技示范園，隸屬于禹城市。禹城市在努力發展高效高品質農業的過程中，加速推進了信息化與農業融合，加快了禹城市國家級現代農業信息化試點的培育，建成了禹城市農業信息服務平臺和農作物遙感監測網絡，構建了基于物聯網技術的高效計量節水灌溉系統，探索形成了“節能、節水、節肥、節藥”和糧食增產、農業增效（四節一網兩增）現代農業模式，促進了全市農業經濟和農村管理健康快速發展。“智慧農業禹城模式”的提出為向陽坡農業物聯網應用的發展提供了較高的起點，農業物聯網應用模式也因此具有引領性。

1.3.1 大田物聯網節點的布局模式 物聯網涉及感知層、傳輸層和應用層，感知層包括各種類型傳感器的研發和推廣，傳輸層涉及物聯網自組織體系和節點的優化配置模型，應用層涵蓋物聯網信息融合與優化處理技術、農業物聯網集成服務平臺等內容。針對大田農業物聯網應用，監測的合理布局對于結果的影響和效益的產出是非常重要的。因此優化的物聯網監測點布局是首先要考慮的問題，分布式網絡的節點優化、多源數據信息的融合、傳感器網絡布局、數據管理終端的問題以及智能環境信息監測系統布局都是節點布局涉及的重要方面，農田地塊面積的大小、傳感器節點攝像頭的數目和成套的灌溉系統的覆蓋面積等因素也需在布局中進行優化[5]。

歐洲和美國精準農業物聯網研究在物聯網節點布置方面均進行了有益的探索，如通過網端站點和無線傳感器節點相互配合的方式進行農業信息的實時采集、存儲其所在地點的各種土壤和環境參數，獲得包括土壤溫度、水分、空氣濕度、光照強度等數據。并把這些數據直接輸入到監控室的計算機內。澳大利亞悉尼大學精準農業研究中心考慮物聯網在整個農業信息化過程中的作用，針對作物和土壤信息的收集以及對氣侯變化特征、基于地理信息的展示和決策支持，對不同的土地進行不同的智能化操作。有些研究單元加強土壤—作物系統要素信息的如土壤、病蟲害等影響農作物生長因素的監控，基于“星陸雙基農田信息協同反演技術”及時采取預防措施。

1.3.2 空間信息集成下的物聯網決策模式 在作物—土壤系統中，大田種植空間信息是一類重要的信息，進行農業物聯網智能決策促進了衛星遙感技術與地面傳感、無線通信技術有效結合，實現了實時、動態、連續監測，進而實現了大田作物長勢、生長環境的可視化。遙感技術具有不確定性，而物聯網把不同的傳感器放入農田或埋入土壤采集溫度、濕度、光照、病蟲害等信息，并構成監控網絡，按照一定的頻率傳輸數據，并準確地確定發生問題的位置，實現了孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式。物聯網技術和RS、GIS、GPS技術相結合，進行集成應用，綜合考慮了農業信息的時空變異性和信息獲取的智能性、有效性，提高了農業信息的決策精度。

1.4 耦合物聯網技術的農業空間信息平臺的構建 圍繞大田種植生產中的灌溉、施肥、病蟲害防治與日常管理等主要環節，集成基于WEB、WAP、SMS和GIS的農業生產管理、灌溉預報、施肥專家決策、病蟲害防治決策、信息發布等應用技術，開發大田種植業務應用系統，構建大田種植的物聯網應用平臺是農業物聯網發展和應用的重要方向之一。組裝并搭建多源農田信息無縫集成、可視化集成平臺。通過ESRI ArcGIS Server、ArcIMS Server搭建農業空間信息平臺，實現GIS數據裝載，M2M集成GIS平臺，并通過M2M平臺對外提供GIS服務。GIS平臺包括Web GIS和GIS Server。GIS Server作為服務端，提供地理信息服務，包括了地圖服務、要素服務、路徑搜索服務、專題圖服務等；GIS Server通過接口的形式，供各種編程語言（包括Java、VB、C++等）實現客戶程序調用；WebGIS包含在M2M平臺中，用來和GIS Server通信，提供地理信息相關的功能，包括地圖展現、地圖搜索、專題圖展示等，實現M2M平臺的不同功能模塊對WebGIS進行定制，提供相對應的功能。采用松耦合方式集成GIS業務，通過SOA技術實現GIS平臺業務集成，并對外提供GIS服務。把物聯網技術實時收集的溫度、濕度、酸堿性和作物生長狀況等信息通過無線網絡傳送到數據終端，基于空間分析技術，進行農田信息的變異性研究并形成區域決策信息。實現農田信息空間數據組織與管理、地圖編輯、多源數據集成和跨平臺等多項功能。

2 農機和農藝相結合的物聯網應用模式

在大田環境物聯網精準農業技術應用模式、溫室環境感知系統技術應用模式系統中，農機和農藝相結合的物聯網應用模式具有很好的發展前景。而農機和農藝相結合進行物聯網應用的最佳切入點就是農業信息建模以及區域模擬。農機的信息化，如智能設備的關鍵性參數信息以及適用范圍、農藝過程的信息化，涉及壟作的距離、作物之間的間距以及生長性狀的動態實時信息，農業模型不僅串聯了農藝方面的具體參數，而且以模型的方式與農機的智能模塊聯系在一起。農機和農藝結合主要體現在具體變量指標上，如葉面積指數（LAI）、植物冠層的葉綠素、氮含量、作物水分含量、土壤含水量等信息，農業信息建模綜合考慮了以上具體指標，進行模擬和預測，并與農機智能設備以及傳感器網絡有效鏈接，形成了智能化程度較高的農業信息物聯網應用模式。因此農業信息建模和系統模擬針對農業生產中的現象、過程進行模擬，把農機裝備的信息化參數和農藝生長性狀變量進行有限的銜接和融合，實現了物聯網技術支持下的農業設備、農藝性狀變量模擬的智能化。

參 考 文 獻：

[1] 郭華東.人類將進入“大數據”時代[EB/OL].http：//scitech.people.com.cn/GB/18242908.html，2012-06-20.

[2] 加快推進農業科技創新[EB/OL].http：//news.xinhuanet.com/theory/2012-02/17/c_122716890_2.htm，2012-2.

[3] 廖桂平，史曉慧，陳 誠，等.物聯網與云計算環境下的農業信息服務模式構建[J].農機化研究，2012， 4：142-148.

[4] Iyengar S S，Brooks R R編著.夏 立，江漢紅主譯.分布式傳感器網絡[M].北京：電子工業出版社，2010，2-13.

[5] 張長利，沈維政.物聯網在農業中的應用[J].東北農業大學學報，2011，42（5）：1-5.