農業物聯網技術應用

河南省現代農業設計有限公司 王書蓮

農業物聯網技術應用

河南省現代農業設計有限公司 王書蓮

一、背景和意義

（一）背景

物聯網被世界公認為是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮。他是以感知為前提，實現人與人、人與物、物與物，全面互聯的網絡。在這背后，則是在物體上植入各種微型芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網絡、互聯網、移動通信網等各種通信網路交互傳遞，從而實現對世界的感知。傳統農業，澆水、施肥、打藥，農民全憑經驗、靠感覺。如今，設施農業生產基地，看到的卻是另一番景象：瓜果蔬菜該不該澆水、施肥、打藥，怎樣保持精確的濃度、溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度，如何實行按需供給一系列作物在不同生長周期曾被“模糊”處理的問題，都有信息化智能監控系統實時定量“精確”把關，農民只需按個開關，做個選擇，或是完全聽“指令”，就能種好菜、養好花。

（二）意義

1.在種植準備階段，我們可以在溫室里面布置很多的傳感器，分析實時的土壤信息，來選擇合適的農作物。

2.在種植和培育階段，可以用物聯網的技術手段采集溫度、濕度的信息，進行高效的管理，從而應對環境的變化。

3.在農產品的收獲階段，我們同樣可以利用物聯網的信息，將其傳輸階段、使用階段的各種性能進行采集，反饋到前端，從而在種植收獲階段進行更精準的測算。

4.提高效率，節省人工，如果是幾千畝的農場，要對各大棚進行澆水施肥，手工加溫，手工卷簾，那要用大量的時間和人員來操作。如果應用了物聯網技術，手動控制也只需點擊鼠標的微小的動作，前后不過幾秒，完全替代了人工操作的繁瑣。

二、國內外研究現狀和發展趨勢

（一）國內外物聯網應用現狀

在農業資源監測和利用領域，美國和歐洲主要利用資源衛星對土地利用信息進行實時監測，并將其結果發送到各級監測站，進入信息融合與決策系統，實現大區域農業的統籌規劃。我國主要將GPS定位技術與傳感技術相結合，實現農業資源信息的定位與采集；利用無線傳感器網絡和移動通信技術，實現農業資源信息的傳輸；利用GIS技術實現農業資源的規劃管理等。

在農業生態環境監測領域，美國、法國和日本等一些國家主要綜合運用高科技手段構建先進農業生態環境監測網絡，通過利用先進的傳感器感知技術、信息融合傳輸技術和互聯網技術等建立覆蓋全國的農業信息化平臺，實現對農業生態環境的自動監測，保證農業生態環境的可持續發展。我國研制了地面監測站和遙感技術結合的墑情監測系統，建立了農業部至各省、重點市縣的農業環境監測網絡系統，實現對農業環境信息的實時監測。融合智能傳感器技術的墑情監測系統已在貴陽、遼寧、黑龍江、河南、南京等地推廣應用。

在農業生產精細管理領域，美國、澳大利亞、法國、加拿大等一些國家在大田糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、果園生產不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面應用廣泛。

我國在涉及田間環境土壤信息獲取、聯合收獲機自動測產、農田作物產量空間差異分布圖自動生產和農業機械作業監控等大田糧食作物生產方面，在設施農業環境數據采集、發布、調控等設施農業生產方面；在果園監測、水肥控制、節水灌溉自動化等果園精準管理方面；在養殖環境監控、健康養殖等畜禽水產養殖等方面研發了一批系統，且應用成效顯著。

（二）農業物聯網產業發展現狀

農業物聯網產業鏈主要包括3個方面內容：傳感設備、傳輸網絡、應用服務。

1.在傳感設備方面，國外發達國家從農作物的育苗、生產、收獲，一直到儲藏緩解，傳感器技術得到了較為廣泛的應用，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器等各種不同應用目標的農用傳感器。在農業機械的試驗、生產、制造過程中也廣泛應用了傳感器技術。RFID廣泛應用在農畜產品安全生產監控、動物識別與跟蹤、農畜精細生產系統和農產品流通管理等方面，并由此形成了自動識別技術與裝備制造產業。據美國市調公司ABI research 2007年度第一季報告顯示，2006年全球RFID市場為38.12美元，其中，亞太地區已躍為全球最大市場，規模為14.07億元。

2.在傳輸網絡方面，國外已在無線傳感器網絡領域初步推出相關產品并得到示范應用。如美國加州Grape Networks公司為加州中央谷地區的農業配置了“全球最大的無線傳感器網絡”，2002年英特爾研究中心采用跟蹤方法采集了因州海岸的大鴨島上的生態環境信息。國外互聯網與移動通訊網在農業領域得到廣泛的應用。2004年，佐治亞州的兩個農產已經用上了與無線互聯網配套的遠距離視頻系統和GPS定位技術，分別監控蔬菜的包裝和灌溉系統。美國已建成世界最大的農業計算機網絡系統，該系統覆蓋美國國內46個州，用戶可通過計算機便可共享網絡中的信息資源。

3.在應用服務方面，SOA（service oriented architecture）即服務導向架構，自1996年Gartner提出以來受到了IT業界的熱捧，產業化進程不斷加快。2006年以來，IBM、BEA、甲骨文等一批軟件廠商開發推出了一系列實施方案并部署了一些成功案例，使得SOA進入現實的腳步在不斷加快。同年，IBM全球SOA解決方案中心在北京和印度成立，定制各個行業的模塊化SOA解決方案，并結合IBM服務咨詢和軟件力量全方位實施，這意味著IBM已經在SOA產業化方面搶先一步。BEA也宣布推出“360度平臺”以進一步鞏固其在中間件領域的優勢，而微軟和甲骨文也紛紛發力中間件市場，競爭進一步加快SOA產業化進程。

（三）農業物聯網應用相關標準進程發展狀況

物聯網的標準化將成為占領物聯網制高點關鍵之一。總的說來，在農業物聯網標準化方面，全球幾乎處于同一起跑線上。目前，我國雖有很多傳感器、傳感網、RFID研究中心及產業基地都在積極參與建立物聯網標準，但由于對物聯網本身的認識還不統一，有些還停留在戰略性粗線條層面，物聯網標準制定進程緩慢。

1.在感知設備方面，1994年3月，美國國家技術標準局NIST和IEEE共同組織了一次關于制定智能傳感器接口和連接網絡通用標準的研討會，討論IEEE1451傳感器/執行器智能變送器接口標準。1995年4月，成立了兩個專門的技術委員會：P1451.1工作組和和P1451.2工作組。IEEE會員分別在1997年和1999年投票通過了其中的IEEE1451.2和IEEE1451.1兩個標準，同時成立了兩個新的工作組對1451.2標準進行進一步的擴展，即 IEEE P1451.3和 IEEE P1451.4。關于RFID標準的制定方面，其爭奪的核心主要在RFID標簽的數據內容編碼標準這一領域。目前，形成了五大標準組織，分別代表不同團體或者國家的利益。EPC Global由北美UCC產品統一編碼組織和歐洲EAN產品標準組織聯合成立，在全球擁有上百家成員，得到了零售巨頭沃爾瑪，制造業巨頭強生、寶潔等跨國公司的支持。而AIM、ISO、UID則代表了歐美國家和日本；IP-X的成員則以非洲、大洋洲、亞洲等國家為主。

2.在傳輸網絡方面，2006年9月27日，ZigBee聯盟宣布ZigBee標準的增強版本完成并可以供成員使用。ZigBee聯盟已經吸引了分部在六大洲26個國家超過200個成員公司的支持。IEEE制定的IEEE802涵蓋了互聯網和移動通信網絡方面的標準，主要包括無線通信領域的802.11系列無線局域網標準、802.15無線個域網標準、802.16寬帶無線接入（無線城域網）標準和有線接入領域的802.3以太網標準。

3.在應用服務方面，物聯網標準的關鍵主要在于基于軟件和中間件的數據交換和處理標準，即物物相連的數據表達、交換和處理標準。首先，需要定義一批XML數據表達與接口標準，然后開發出支撐這個標準的配套運行環境和中間件業務框架，使用戶能夠快速開發出垂直應用業務系統，讓標準落到實處，推動產業高速發展。微軟、IBM、Apple等公司均建立了與物聯網應用服務的多種標準，有些已經占領了壟斷地位。在我國，同方從2004年就開始研發這方面的產品和標準，推出了M2M物聯網業務基礎中間件產品和OMIX數據交換標準。中國移動建立了基于WMMP標準的M2M營運平臺。

（四）發展趨勢

溫家寶《讓科技引領中國可持續發展》中提出“在應對這場國際金融危機中，各國正在進行搶占經濟科技制高點的競賽，全球將進入空前的創新密集和產業振興時代。我們必須在這場競爭中努力實現跨越式發展”。要著力突破傳感網、物聯網的關鍵技術，及早部署后IP時代相關技術研發，使信息網絡產業成為推動產業升級，邁向信息社會的發動機。

我國作為一個農業大國，在這個以科技為主要生產力的年代，傳統的人力養殖已大大不能滿足人們的需求，而物聯網的發展，給科技養殖提供了基礎，而溫家寶的話為我們提供了發展的方向。

三、主要研究開發內容

農業物聯網研發內容主要包括以下方面內容:

（一）技術標準問題

世界各國存在不同的標準。中國信息技術標準化技術委員會于2006年成立了無線傳感器網絡標準項目組。2009年9月，傳感器網絡標準工作組正式成立了PG1(國際標準化)、PG2(標準體系與系統架構)、PG3(通信與信息交互)、PG4(協同信息處理 )、PG5(標識 )、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(電力行業應用調研)等8個專項組，開展具體的國家標準的制定工作。

（二）安全問題

信息采集頻繁，其數據安全也必須重點考慮。

（三）協議問題

物聯網是互聯網的延伸，在物聯網核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協議類別五花八門，GPRS/CDMA、短信、傳感器、有線等多種通道，物聯網需要一個統一的協議棧。

（四）終端問題。

物聯網終端除具有本身功能外還擁有傳感器和網絡接入等功能，且不同行業需求千差萬別，如何滿足終端產品的多樣化需求，對運營商來說是一大挑戰。

四、技術關鍵及主要創新點

（一）技術關鍵

把物聯網技術和農業生產結合在一起，建立一個自動調控的農業生產模式。

1.傳感器：低成本、環境適應性、可靠性、微功耗、安全性。三類態傳感器：一是集聚式傳感器節點。二是移動式傳感器節點(車載、便攜）。三是分布式固定傳感器節點。使用特點: 季節性、空間分布性、多參數嵌入。

2.網絡互聯： 分布式傳感器→ 匯聚節點，采用ZigBee，適于環境變化的多跳、自組織通信技術。互聯網接入。智能信息處理：邏輯思維→ 形象思維，知識工程、云服務、人機和諧；現代信息服務產業。

3.幾種關鍵系統：一是數據采集系統。數據采集管理系統主要負責采集光照，溫度，濕度和土壤含水量等傳感器采集的數據及視頻監控數據的采集和管理。二是無線傳輸系統。將數據傳送到管理中樞，讓管理者能及時的看到新的數據。三是遠程控制系統。主要用過控制設備自由控制各種農業生產設備，管理員可以直接通過管理中樞進行操控。四是數據處理系統。能自動處理傳送過來的數據，為用戶管理數據，這系統擁有數據備份系統，能保存歷史記錄，能為以后改善農業生產方法提供數據。五是智能報警系統。當采集設備采集到的溫度，濕度等基本參數超過預先設置的限制時，報警系統將提供數據的報警，并且提醒相關管理人員。報警限度由管理人員自行設定。

（二）主要創新點

以物聯網為平臺，以云計算為核心，采用模塊化的思想，搭建成一個完整的農業物聯網系統。 系統將基于無線傳感器網絡技術采集農業生產現場數據，并通過傳輸網絡將資料傳輸到管理中樞，管理人員可以通過管理中樞收到數據改變溫室的濕度、溫度等等。

（三）預期目標

建設農業物聯網，實現網內數據交換，使不同的人可以方便有序參加農業生產的協同工作，提高工作效率；同時引入實時監控管理的理念，實現各種信息資源的即時采集和共享，即時通過管理中樞進行遠程管理監控。設有只能預警功能，若采集的數據超過系統設置的限制時，將開啟系統報警功能，提醒短信告知相關管理人員，便于對農作物生產的管理。