智能物聯網技術在現代農業中的應用

徐英武

摘要

為了進一步提高現代農業的管理水平和經濟效益，可利用物聯網技術實現對大棚種植的精細管理，實現現代農業生產智能化。該研究以大棚種植紅掌為例，利用物聯網技術進行大棚內溫度、濕度和光照度等的控制，從而實現相應控制器的自動開關。

關鍵詞智能物聯網；精細管理；現代農業

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-376-03

物聯網技術是互聯網借助傳感技術由虛擬空間向現實物理空間拓展的一種新的技術形式，這種技術帶來了人類生產方式、生活方式、思維和思考方式的變革。

物聯網技術是系列技術的組合，但以傳感技術為基礎。隨著通信技術、嵌入式技術和微電子技術的快速發展，微型智能傳感器得到了現實應用，這種傳感器同時擁有感知、計算和通信能力，目前已應用到各個領域，但在我國依然不是十分廣泛。筆者基于物聯網相關知識，以大棚紅掌種植為例，探討了智能物聯網技術在現代農業中的應用。

1物聯網相關知識

物聯網概念源頭公認的是源于美國麻省理工學院（MIT）在1999年建立的“自動識別中心”（Auto-ID Labs）提出的網絡無線射頻識別（RFID）系統。對于物聯網概念界定，國內學者有明晰的框架：“狹義的物聯網是指連接物品到物品的網絡，實現物品的智能轉化識別和管理；廣義的物聯網則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，使物品之間、物品與人之間、人與現實環境之間實現高效信息交互方式，并通過新的服務模式，使各種信息技術融入社會行為，使信息化在人類社會綜合應用達到更高境界[1]。

在物聯網的世界里追求目標就是物物相連、人與物相連。網絡本身就是去中心化的，物聯網通過網絡的節點把物與人的關系等同化，人也是其中的一個節點，沒有任何凌駕其他物之上的權利。人與物之間通過網絡相連各自成為網上的一個節點。王志東等對物聯網技術研究已從哲學角度來解釋其含義，超出了單純從技術角度來完成或實現其功能[2]。我國古代哲學家荀子所說的“善假于物也”就是這個道理。

目前，世界各國對物聯網的研發蓬勃發展。美國自2009年IBM集團提出“智慧地球”，其推出的多個典型智能方案已在全球推廣，并且制定了一些物聯網標準、體系架構、安全和管理制度等。2008年歐盟制定了物聯網政策路線圖，發布了全球首個國家級物聯網發展戰略規劃《歐盟物聯網行動計劃》，與企業對接，實現物聯網應用市場的部署。在亞洲，日本的uJapan戰略和韓國的uKorea戰略，建立互通有無、無所不能、無所不在的社會環境，讓普通百姓享有科技智慧服務。我國自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”概念后，“物聯網”迅速得到科技界、商業界的重點關注。“全面感知，讓物說話，一切事務智能處理”將是今后發展的方向。相繼也提出了物聯網技術標準，建立了物聯網技術研究基地等。越來越多的“物品”嵌入信息網絡和智能感知敏感電子元件進行相互間和機器內部進行通信，使得網絡不斷延伸，李振汕等對此做了細致研究[3]。

敏感電子元件是作為傳感器網絡作為物聯網周邊的末梢網必備硬件，常用來感知環境參數，如溫度、濕度、壓力、光照等。王雷等認為，無線傳感器網絡研究的主要內容是通信、組網、管理和分布式信息處理等多個層面。依然是以網絡通信技術為基礎，實現私有和共有網絡的技術互聯，并實現共有或私有云計算基礎之上的智能感應[4]。

2 物聯網技術在紅掌種植中的應用

2.1 物聯網技術在農業中的應用現狀

目前，農業物聯網感知技術取得了一些進展，主要表現在農業傳感器微型化；農業灌溉智能化；實時監控農作物生長；農業信息可移動化，農產品質量追溯化成為主流。這得益于農業生產信息化技術的成熟和發展，尤其是農產品種植、加工智能化的技術。王寧等將無線傳感器網絡在精細農業中的應用概括成了4個方面：空間數據采集、精準灌溉、變量作業、提供數據給農民[5]。其中，數據采集最關鍵的無線網絡實現的最重要的硬件組成部件就是利用ZigBee技術——一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術[6]，再利用云平臺進行存儲、分析、提取規則，為農戶提供種植策略。但是目前只有大型農業承包戶、集團化農產品加工生產商等在這方面具有優勢。

要想改變目前我國大部分農民“靠天收”的現狀，農業生產、加工、銷售、質量監控等的物聯網化成為必然。

2.2 精準種植實驗種植紅掌條件

紅掌原產地于南美洲，是一種喜陰忌曬、喜濕忌旱、喜高溫、怕寒冷的熱帶花卉，對環境的要求很高，以此作為實驗對象十分有意義。這也給研究者提供了一個很好的機會，在最苛刻的條件下能實現智能化管理，那么其他植物的種植智能管理更為方便。經查閱資料[9-10]，紅掌栽培養護時首先要保持大棚溫度在16～24 ℃，冬季最低溫度在12 ℃以上，夏季溫度超過30 ℃時，要及時給紅掌植株周圍噴水降溫。其次，紅掌生長須充足的散射光，避免強光直射葉片、花朵；要使得陽光均勻，使其任何一個葉片都能獲得光照。第三，需要保持空氣濕度在70%左右。第四，紅掌對基質或者肥液的pH和EC值也有較高要求，研究者認為，紅掌生長環境的pH為5.0～6.0，EC值為1.0～1.5 ms/cm，根據季節氣溫不同，還應該做適當微調。還要測定CO2濃度，在溫室大棚中，一般調整至800 μmol/mol。這些苛刻條件，人工培植十分困難，效果肯定不佳，也就沒有經濟效益。運用智能物聯網技術發展現代農業，勢在必行。

2.3紅掌種植中的物聯網技術應用

2.3.1

紅掌的大棚種植。安慶職業技術學院園林園藝系申報了中央財政支持植物保護基地，建立了智能大棚實驗基地1 200 m2。采用智能控制大棚內光照、溫度、濕度、pH和EC值等。大棚設計棚頂采用雙層制，最外層用黑色網袋遮蓋，并采用電機驅動，通過光照度需求測定值來實現開啟開啟和閉合。下層用透明面板保溫，因大棚很寬，采用3段式弧斜面制作。因紅掌要求濕度大，所以地面采用溝槽盛水保持濕度。紅掌放置鋼床上以盆栽方式種植，以便出售時方便，為了節省空間和效率，鋼床設計采用滾動方式進行整床移動，方便管理。大棚全貌如圖1所示。

棚內有一面墻外圍采用增濕墻面，增濕龍頭采用自動控制，當濕度感應器低于50%時自動開機。溫度測定用溫度感應器測定，溫度設定為20～26 ℃。pH和EC值統一測定。風機采用室內風機和對戶外進行交換的大功率風機進行抽風換氣。大棚紅掌種植棚內場景見圖2。2.3.2

物聯網控制系統和監控執行過程，物聯網內感應器有溫度感應器、濕度感應器、CO2感應器等采用陶瓷保護套管特殊材質或需特殊處理，可以耐強酸、強堿、耐鹽水、耐腐蝕等。整個系統采用Zigbee系統實行實時監控，在監控系統中充分利用Zigbee模塊和智能開關的功能，加大平臺管理，在大棚中架設網絡攝像機實時監控，通過無線網關傳送到主控機房，也可以通過平板電腦或手機下載APP應用程序對加濕器、無線電磁閥、加熱器、進風或出風口智能開關、遮陽網等進行控制。其整個監控執行過程步驟如下：

（1）建立硬件系統，完成整個網絡、感應器和節點的布局。首先是溫度感應器布局，既要考慮空氣溫度，又要考慮土壤溫度，所以布局在空中懸掛和鋼床上花盆中插入土壤。這樣既可以測試空氣溫度，又可以測試紅掌土壤溫度。

（2）完成安裝監控系統軟件部分。設計軟件平臺，既可以在網絡傳輸下完成實施監控任務，又可以在無線網絡下使用手機進行監管和控制。此平臺使用Java語言設計，基于B/S模式。主要任務是檢測溫度、濕度、CO2濃度和陽光的光照度等。通過感應器完成數據的采集，通過設置閾值，比對采集數據進行判斷，開啟/關閉無線智能開關，實現溫度、濕度等的智能控制。通過網絡攝像機可以觀看整個大棚紅掌生長情況。紅掌種植大棚智能物聯網軟件控制流程見3。

（3）執行監控程序，判斷溫度、光照、CO2濃度、空氣濕度等閾值，合乎條件下繼續進入監控程序，否則開啟相應無線開關控制閥作出相應的處理，直到合乎監控條件后關閉控制閥。

（4）通過采集數據，進行實時分析，人工調整閾值，加入到數據庫中，建立起植物種植共享資源庫，實現資源共建共享。進一步加大推廣力度，早日實現現代化、科技化、智能化管理當代農業，提高種植效益，增產更增收。

3結語

通過實施控制紅掌的生長環境，實時了解紅掌的大棚溫度、濕度、CO2濃度等相關生長信息數據，通過物聯網技術實現實施補給水、補給肥料、調節CO2濃度或光照強度等，使得紅掌生長環境實現工業化自動控制。這也為今后大規模推廣技術提供依據，也能很好地為其他植物生產提供相應的技術保障。

今后應將進一步加大各類植物生長環境和生活特性資源數據庫建設，從而能夠進行在同一大棚中種植多類植物，完成定位管理。進一步加大信息化建設，對各類植物建立二維碼可以實時查看植物信息，以便實現移動網絡下的信息平臺使用。加大對農戶的技術培訓，及時了解現代農業的優勢和所需要的知識和技能。建議開放高職院校的資源，實現農戶對口服務，進一步加大高校學制改革，進行田間地頭實驗課題教學，讓學生在農田中學習現代農業管理，同時更要讓農民有進入大學學習的機會，讓其掌握現代農業管理技術。

參考文獻

[1]

孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（3）：1-9.

[2] 王治東.物聯網技術的哲學釋義[J].自然辨證法研究，2010，26（12）：37-41.

[3] 李振汕.對物聯網核心技術發展問題的探討[J].硅谷，2011（1）：17-18.

[4] 王雷，馮湘.高等計算機網絡與安全[M].北京：清華大學出版社，2010：298.

[5] WANG N，ZHANG N Q，WANG M H.Wireless sensors in agriculture and food industryRecent development and future perspective[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1-14.

[6] 鄧小蕾，李民贊，武佳，等.集成GPRS、GPS、ZigBee的土壤水分移動監測系統[J].農業工程學報，2012，28（9）：130-135.

[7] 唐珂.國外農業物聯網技術發展及對我國的啟示[J].中國科學院院刊，2013，28（6）：700-707.

[8] 汪兆成.基于云計算模式的信息安全風險評估研究[C]//第26次全國計算機安全學術交流會論文集.《信息網絡安全》編輯部，2011.

[9] 張正偉，王樹忠，曹致富.大型溫室紅掌切花栽培管理技術[J].溫室園藝，2004（7）：48-51.

[10] 黎揚輝，劉鎮南，鐘國君，等. 廣州地區紅掌盆花生產技術規程[J]. 廣東農業科學， 2006（6）：76-79.