農業物聯網體系結構與應用領域研究進展

鄭紀業，阮懷軍，封文杰，許世衛

（1中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；2山東省農業科學院科技信息研究所，濟南 250100）

農業物聯網體系結構與應用領域研究進展

鄭紀業1,2，阮懷軍2，封文杰2，許世衛1

（1中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；2山東省農業科學院科技信息研究所，濟南 250100）

農業物聯網是計算機、互聯網、移動通信等信息技術在農業領域的高度集成和具體應用，是農業信息化、智能化的必要條件。隨著農業物聯網產業發展，各種農業物聯網系統層出不窮，由于缺乏對整個農業物聯網系統層次結構的分析，導致當前各農業物聯網應用呈現出碎片化、垂直化、異構化等問題。如何從農業物聯網各種應用需求中統一抽取出系統的組成部件以及它們之間的組織關系，建立農業物聯網體系結構，實現農業物聯網設計與實現方法的統一是當前急需解決的問題。文中從農業物聯網的概念發展、基本特征、體系結構研究現狀等方面進行深入分析后認為，當前各個國家與機構制訂的物聯網發展和管理計劃對科研人員從事物聯網研究與應用開發起到了很好的引導作用，但是都沒有指出設計與實現物聯網系統的具體方法，并且農業生產環境的多樣性和生產流程的復雜性決定了必須統籌考慮農業各行業的具體應用特點來建立農業物聯網體系結構。為此在文章中首先討論了農業物聯網體系結構構建原則包括可擴展性、可復用性、安全性和可靠性等，在此基礎上結合農業產業的具體需求及工程實踐經驗，進一步劃分農業物聯網的基本結構，提出五層農業物聯網結構模型，該模型由下至上劃分為感知層、接入層、網絡層、數據層及應用層五層，各層對應不同的通信協議，農業物聯網層次結構模型與協議體系的配套構成了農業物聯網體系結構。該體系結構與傳統的三層、四層物聯網體系結構相比，增加的農業物聯網接入層針對泛在環境中多數物體的資源和計算能力受限問題，著重強調了底層異構感知網絡與網絡層的無縫連接，可以有效屏蔽底層異構感知網絡的復雜性，并提供統一的抽象管理接口，為農業物聯網硬件感知系統的快速搭建提供便利。增加的農業物聯網數據共享層，主要針對當前農業物聯網系統存在垂直化、封閉化導致不同系統之間農業數據資源無法共享，農業生產、經營、管理、服務歷史數據無法得到充分利用，形成信息孤島問題，通過面向服務的數據資源共享架構，為各農業物聯網應用系統間數據交換與共享提供有效解決方案。五層農業物聯網體系結構中各層功能更加清晰獨立，有利于各層服務器之間的網絡負載均衡，降低企業網絡的通信負擔。隨后提取農業各行業應用的共性問題，按照監測對象的不同，分析了農業生產環境監控物聯網、動植物生命信息監控物聯網、農產品質量安全追溯物聯網、農機作業監控物聯網等不同應用的研究現狀和涉及的主要技術。從農業物聯網體系結構角度出發，可以發現當前農業物聯網各領域研究與應用存在兩方面的問題，一方面是異構網絡接入層硬件網關研究較多，嵌入式網關中間件研究應用相對較少的問題；另一方面是農業物聯網數據共享層研究應用嚴重缺失，各應用系統通常將感知層獲取的數據直接發送至農業物聯網應用層，缺乏對感知數據的深度挖掘和分析，難以達到進一步指導農業生產的效果。最后討論了未來農業物聯網技術研究和應用發展的重點方向。

農業物聯網；體系結構；層次模型；應用領域；發展方向

0 引言

從工業4.0概念的提出到中國的“互聯網+”行動計劃，都把未來產業發展指向新的方向，以信息化帶動工業化、城鎮化和農業現代化的深度融合，由此打破傳統的行業界限，帶來跨行業重組融合，并產生技術模式、管理模式和理念的創新。農業物聯網作為“互聯網＋”農業的一個重要發展方向，可實現對農業生產的全面感知、智能決策分析和預警，為農業生產提供精準化種植、可視化管理和智能化決策服務。目前無論國內還是國外，農業物聯網的研究與應用都還處于初級階段，不同應用領域的專家學者對物聯網研究的起點各異，關于農業物聯網的概念特征、系統模型、體系結構和關鍵技術都還缺乏清晰化的界定[1]。本文從農業物聯網的概念、體系結構現狀、應用領域等方面進行了深入分析，抽象出農業物聯網的應用類型和應用場景，探討建立農業物聯網體系結構，為農業信息化從業人員設計和實現農業物聯網系統提供理論和技術指導。

1 農業物聯網概念及其特征

物聯網的概念最早在1999年由美國麻省理工學院（MIT）自動識別中心（Auto-ID Labs）提出的網絡無線射頻識別（RFID）系統演變而來，目的是利用射頻識別等信息感知技術把所有物品與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。早期農業物聯網的研究主要以農產品倉儲和物流監控為主要應用方向，通過射頻識別技術實現倉儲物流系統的智能化管理。隨著新的信息技術的應用與發展，物聯網的內涵及外延發生了較大變化。2005年在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU Internet reports 2005—the Internet of things》，給出了物聯網的具體定義，并進一步介紹了物聯網的特征、相關的技術、面臨的挑戰和未來的市場機遇。

農業物聯網是物聯網技術在農業生產、經營、管理和服務全產業鏈中的具體應用，對改造傳統農業、加快農業現代化發展具有重要意義[2]。目前，不同領域的研究者對農業物聯網從不同側重點出發提出了農業物聯網的定義。余欣榮[3]從狹義和廣義兩方面給出了農業物聯網的定義，李瑾等[4]從技術角度和管理角度分別給出了定義，認為農業物聯網是指通過農業信息感知設備，采集農業系統中動植物生命體、環境要素、生產工具等物理部件和各種虛擬“物件”的相關信息，按照約定的協議進行信息交換和通訊，實現對農業生產對象和過程的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。李道亮[5]從農業物聯網感知、傳輸、處理的層次結構方面給出了詳細的定義，認為農業物聯網是指綜合運用各類傳感器、RFID、視覺采集終端等感知和識別設備，廣泛采集畜禽養殖、水產養殖、大田種植、設施園藝、農產品物流等不同行業的農業現場信息；按照約定數據傳輸和格式轉換方法，集成無線傳感器網絡、電信網和互聯網等信息傳輸通道，實現多尺度農業信息的可靠傳輸；最后將獲取的海量農業信息進行融合、處理，并通過智能化操作終端實現農業的自動化生產、最優化控制、智能化管理、電子化交易，進而實現農業集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標。

盡管不同研究者視角各異，也沒有一個公認的統一的農業物聯網定義，農業物聯網的內涵與外延也在不斷發展完善，但從農業全生育期、全產業鏈、全關聯因素方面考慮，運用系統論的觀點對農業“全要素、全過程、全系統”的全面感知、可靠傳輸、智能處理和自動反饋控制是農業物聯網具備的基本特征[2]。

2 農業物聯網體系結構研究現狀

由于缺乏對整個農業物聯網系統層次結構的分析，導致當前各農業物聯網應用呈現出碎片化、垂直化、異構化等問題。農業物聯網體系結構可用精確地定義系統的各組成部分及各部分之間的連接關系，引導應用開發人員遵循這些原則來實現系統，使得最終建立的系統符合預期的需求。因此，農業物聯網體系結構是設計與實現農業物聯網系統的首要基礎。為此，國內外的研究人員也對物聯網體系結構進行了廣泛深入的研究，提出了多種具有不同樣式的體系結構。

歐盟第七框架計劃（Framework Program 7，簡稱FP 7）專門設立了兩個關于物聯網體系結構的項目，一個是SENSEI[6]，將互聯網看作是連接物理世界與數字世界的包羅萬象的基礎設施，其目標是整合無線射頻識別技術（RFID）、無線傳感與執行網絡（WSANs）及網絡嵌入式設備等技術，建立開放的基于業務驅動的真實世界互聯網（real world internet，RWI）結構，通過統一的接口來提供服務和應用；另一個是IoT-A[7]，主要制定了物聯網參考模型（IoT reference model）和物聯網參考結構（IoT reference architecture），其目標是建立物聯網體系結構參考模型和定義物聯網關鍵組成模塊，該參考結構模型是物聯網機理的抽象集而不是某個具體應用的結構，從而為不同應用領域的研究人員開發更好兼容性的物聯網結構提供了最佳范例。此外，美國麻省理工學院和英國劍橋大學[8]、日本東京大學[9]、韓國電子與通信技術研究所（ETRI）[10]、美國弗吉尼亞大學、歐洲電信標準組織（ETSI）、法國巴黎第六大學[11]以及北京航空航天大學和蘇州大學[12]都從不同角度對物聯網體系結構進行了探討和設計。DUQUENNOY等[13]和紀陽等[14]提出了一種物聯網結合Web技術演化而成的WoT（web of things）開放結構。沈蘇彬等[15]比較了物聯網與下一代網絡、網絡物理系統（Cyber-Physical System，CPS）、泛在網絡（ubiquitous networking）、機對機通信（M2M）及無線傳感器網絡的區別與聯系，并從已經構建的物聯網應用系統和應用實例出發，研究了物聯網的體系結構。錢志鴻等[16]認為物聯網網絡通信協議、物聯網網絡控制平臺、物聯網應用終端平臺構成了物聯網體系結構。于君等[17]總結了物聯網應用實踐的案例，分析了物聯網體系結構和相關技術，并指出電信運營商在物聯網體系中的作用與價值。GUBBI等[18]提出一種以用戶為中心基于云計算的物聯網實現架構，不僅可以降低物聯網系統的實現成本，而且具有很強的可伸縮性。通過云計算提供基礎設施、平臺、軟件等形式的服務，充分挖掘用戶的創造力。AL-FUQAHA等[19]著重研究了物聯網的使能技術、協議和應用問題，給出了物聯網研究的總體概況，分析了物聯網存在的主要挑戰，探索了物聯網和其他新興技術包括大數據分析、計算云及霧計算之間的關系。SICARI等[20]從物聯網安全性、隱私性和信任機制方面出發，闡述了當前研究存在的挑戰和物聯網領域已經存在的解決方案，并給出了物聯網未來研究方向。

當前，各個國家與機構制訂的物聯網發展和管理計劃對科研人員從事物聯網研究與應用開發起到了很好的引導作用[21]，但是都沒有指出設計與實現物聯網系統的具體方法。并且農業生產環境的多樣性和生產流程的復雜性決定了其必須針對不同的應用場景（大田、設施、畜禽、水產等）考慮不同的網絡通信和控制方式，因而對不同應用的農業物聯網系統的設計要求也不盡相同。

3 農業物聯網體系結構

現行農業物聯網主要集中于單體的應用，其特點是閉環于一個具體的應用，導致整個系統的可伸縮性、可擴展性、模塊化和互操作性不能滿足農業物聯網日益發展的需求。如何從各種應用需求中統一抽取出系統的各組成部件以及它們之間的組織關系，進而指導農業物聯網體系結構的建立與實現是目前農業物聯網研究領域亟待解決的問題之一。

對于農業物聯網體系結構的研究應遵循ITU采用的相關研究方法，首先抽象農業物聯網的應用類型和應用場景，作為設計和驗證農業物聯網結構的主要依據[15]；然后提出農業物聯網體系結構的通用原則和總體需求；之后進一步劃分農業物聯網的基本結構，確定通用框架和功能結構模型[1]。

3.1 農業物聯網體系結構構建原則

3.1.1 可擴展性 擴展性是指農業物聯網系統能夠擴展自身并未包含的功能。隨著各種異構智能終端設備接入、退出系統，或在物聯網中的位置移動，都可能引起網絡拓撲結構發生變化，這就要求系統能夠自動進行網絡運行環境配置，對系統中新增加的數據采集節點，在不會導致其他節點或者服務端的應用改變的情況下能夠快速的建立數據采集程序而不影響整個系統的運行，這就要求依據農業物聯網體系結構建立的農業物聯網系統具有良好的可擴展性。

3.1.2 可復用性 復用性是指采集層提供的各種數據資源能夠重復應用在多個工程當中。農業物聯網是個復雜的系統工程，不同的農業物聯網應用，使用的智能設備不盡相同，不同智能設備需要的采集程序也不一樣，因此需要對采集層獲取的數據資源進行清洗、轉換等操作，實現資源的高度聚合與共享，這樣能夠大大縮短工程的開發周期和減少開發成本。

3.1.3 安全性和可靠性 安全和可靠是對系統的基本要求，也是農業物聯網體系結構設計所追求的主要目標之一。由于農業生產環境復雜多變，特別是信息感知和傳輸環節，要充分考慮系統的可靠性，一方面要選用穩定、可靠、集成度高的感知和傳輸設備，另一方面應從體系結構上增加事件管理、任務調度、權限管理等方式進一步保障系統的可靠性和安全性。

3.2 五層農業物聯網體系結構

根據物聯網體系結構構建原則及農業產業的具體需求，結合工程實踐經驗，提出農業物聯網層次結構模型，該模型由下至上劃分為感知層、接入層、網絡層、數據層及應用層五層，各層對應不同的通信協議。農業物聯網層次結構模型與協議體系的配套構成了農業物聯網體系結構，如圖1所示。

感知層主要由RFID、條形碼、遙感技術及各類傳感器終端構成，通過GPRS、WIFI、ZigBee等協議將采集的實時數據發送至接入層；接入層主要由硬件網關及內置的軟件中間件等構成，中間件可以有效的屏蔽底層異構感知網絡的復雜性，并提供統一的抽象管理接口，為農業物聯網業務應用的快速建立提供基礎；網絡層通過互聯網協議IP、移動通信網絡協議等將數據向上層傳遞；農業物聯網數據共享層相當于一個巨大的數據池，實現各類監測數據的集成共享，本層主要使用TCP、UDP等傳輸協議；應用層通過HTTP、FTP等協議從數據共享層獲取數據并構建相應的農業物聯網系統。此外，協議體系還包括貫穿模型各層的物聯網安全協議、隱私保護協議等。本文提出的五層農業物聯網體系結構相對于傳統物聯網三層模型主要增加了異構網絡接入層和農業物聯網數據共享層，下面將給出此兩層的具體功能設計。

3.2.1 異構網絡接入層 隨著信息及通信技術的發展，物聯網技術在農業各行業得到廣泛應用，大量傳感設備部署于各應用場地，由于商業、技術成熟度或者歷史原因，這些感知設備的功能、接口和數據傳輸協議等都存在著明顯差異。感知設備通過CAN總線或者485總線等有線方式，以及藍牙、WiFi、zigbee、RFID等無線傳感器網絡方式獲取監測對象的相關信息，再通過GPRS、WiFi、以太網等形式傳送至遠端服務器[22]。無線傳感器網絡、總線網絡、互聯網等網絡之間的數據結構、傳輸方式等各不相同，這就使得用戶必須針對各種感知網絡進行單獨開發，加大了上層應用程序開發的難度和復雜度，如何有效地實現不同網絡不同設備間的互聯互通以及獲取所需的各類服務是農業物聯網應用中的一個核心問題。

圖1 農業物聯網體系結構Fig. 1 Agricultural internet of things architecture

本文描述的接入層將對數據采集設備進行一個標準化的描述和統一的資源訪問管理，主要由硬件網關接口、接口驅動及嵌入式中間件等構成。硬件網關輸入接口包括RS232、RS485、WiFi等，方便不同接口感知設備的接入，輸出接口包括WiFi、RJ45、GPRS、LTE等方式，可讓用戶根據應用場景的實際條件選擇輸出方式。驅動層主要功能為上層中間件程序提供外部設備的操作接口，并且實現設備的驅動程序。上層程序可以不管所操作設備的內部實現，只需要調用驅動的接口即可。中間件主要功能包括感知終端數據采集配置、通信協議轉換、數據融合、數據封裝等功能，可以有效的屏蔽底層異構感知網絡的復雜性，并提供統一的抽象管理接口，為農業物聯網業務應用的快速建立提供基礎，同時中間件還可用于執行數據的壓縮、融合等操作，從而節省網絡層特別是使用電信網絡時的數據傳輸量；接入層系統結構如圖2所示。

3.2.2 農業物聯網數據共享層 在目前的農業物聯網行業應用中，物聯網設備通常由不同的設備制造商提供，并且基于這些設備的應用和服務都是獨立開發的，使得數據格式兼容性較差，信息在各系統之間無法融合而彼此形成信息孤島，使得企業之間的數據分享和服務協同變得異常困難。同時農業物聯網感知層將產生數以萬計的海量信息，如果將這些海量的原始數據直接發送給上層應用，勢必導致上層應用系統計算處理量的急劇增加，甚至引起系統崩潰。因此，在農業物聯網應用層之前構建農業物聯網數據共享層對海量傳感信息進行過濾和分析處理，進而為上層應用程序的開發提供更為直接和有效的支撐是大勢所趨。

圖2 異構網絡接入層功能結構圖Fig. 2 Heterogeneous network access layer structure

農業物聯網數據共享層位于網絡層和應用層之間，它是整個農業物聯網系統的數據中心，是所有應用層程序獲取數據或者提供數據訪問服務的服務中心。該層采用基于服務的架構（service oriented architecture，SOA），利用Web Service為通信接口，以XML作為數據交換的中間載體建立共享的數據與業務服務來降低上層農業物聯網應用系統集成的難度，滿足各系統對訪問速度和數據共享的要求。農業物聯網數據共享中心功能包括權限管理、服務管理、數據管理、事件管理、通信管理、服務發布訂閱管理、調度管理等，其系統結構如圖3所示。

需要申請或發布信息的應用系統首先必須通過服務注冊接入到數據共享中心，再由該中心提供的Web服務接口進行數據的交換與共享。具體來說，當上層農業物聯網應用申請共享數據時，通過數據采集接收接口向數據交換與共享中心提出服務請求，由數據交換與共享中心進行服務查找，并向相應的服務提供者發出請求，獲得服務提供者提供的響應，再將共享數據返回給提出申請的應用系統；當上層農業物聯網應用系統需要發布數據時，首先通過交換數據的數據采集接收接口發布到數據交換與共享中心，而數據交換服務的需求方，通過訂閱數據交換與共享的相應服務，將會收到服務提供者推送的發生變化的源數據。

圖3 農業物聯網數據共享層結構圖Fig. 3 Agricultural IoT data sharing layer structure

從以上數據請求與發布過程可以看出，通過服務提供和服務請求的分離，可以對松散耦合的各種服務進行分布式部署、組合和使用，從而實現對各種粒度松耦合服務的集成，為各農業物聯網應用系統間數據交換與共享提供有效的解決方案。在農業物聯網數據共享系統實現過程中，應結合具體業務流程來設計服務粒度，從而實現服務之間的低耦合性和高可重用性。

4 農業物聯網應用領域

隨著技術方案的逐漸成熟，農業物聯網在大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、農產品溯源、農機監控等典型農業領域廣泛應用。遵循農業物聯網的層次模型，分析各行業應用的共性問題，按照監測對象的不同，可以進一步分為農業生產環境監控物聯網、動植物生命信息監控物聯網、農機作業監控物聯網、農產品品質檢測與質量安全追溯物聯網等。

4.1 農業生產環境監控物聯網

農業生產環境監控物聯網主要指利用傳感器技術采集和獲取農業生產環境各要素信息，如種植業中的光照、溫濕度，二氧化碳濃度、土壤肥力、土壤含水量等參數，水產養殖業中的酸堿度、溶解氧、氨、氮、濁度和電導率，畜禽養殖業中的氨氣、二氧化硫、粉塵等有害物質濃度等參數[23]，通過對采集信息的分析決策來指導農業生產環境的調控，實現種養殖業的高產高效。

農業生產環境復雜，需要在高溫、高濕、低溫、雨水等惡劣多變環境下連續不間斷運行，且傳感器節點布置稀疏不規則[24]，布線不方便，而無線傳感器網絡組網簡單、無需布線，具有低成本、靈活的優勢，成為當前農業生產環境監控系統主要應用方式。

典型的無線傳感器網絡環境監控系統包括三部分：上位機、協調器、傳感器網絡節點，其典型結構如圖4所示。其中傳感器網絡節點也稱為終端節點，是構成無線傳感器網絡的基本單位，主要進行本地信息的收集和數據處理，同時發送自己采集的數據給相鄰節點或將相鄰節點發過來的數據進行存儲、管理和融合，并轉發給路由節點。無線傳感器網絡的節點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成[25]。

圖4 無線傳感器網絡監控系統Fig .4 WSN monitoring system

目前國內研究無線傳感器網絡多以2.4GHz和433MHz頻段為主，工作在2.4GHz頻段的主要通信技術包括Zigbee、WIFI、藍牙、無線USB等。屈利華等[26]分析了溫室數據采集系統的發展現狀，詳細論述了Zigbee技術在溫室數據及多媒體信息采集系統的具體應用。章偉聰等[25]基于CC2530及ZigBee協議棧設計了無線網絡傳感器節點。陳華凌等[27]設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的水環境監測系統，實現了大范圍的水環境監測，提高了水環境監測的實時性，并且降低了部署和維護成本。QI等[28]研究利用ZigBee無線傳感器網絡收集數據傳送至網關，網關通過Wifi將農業生產的信息傳送至遠端服務器。相比2.4GHz頻段，433MHz工作頻率低，具有更強的繞射和穿透能力，傳輸時耗損小，在傳輸距離上明顯優于ZigBee。李小敏等[29]針對蘭花大棚環境中無線傳感器網絡節點部署的要求及其應用環境的特性，以433 MHz為載波頻率，研究了無線射頻信號的傳播特性和無線信號與影響因素之間的關系，為今后無線節點布置與組網提供依據。張傳帥等[30]采用433MHz射頻進行信息傳輸，無線傳感器節點和匯聚節點分別采用MSP430F149和LPC2478作為微控制器，實現溫室環境信息的實時采集、信息匯聚和數據融合。為了確保飲用水的安全供應，VIJAYAKUMAR等[31]設計開發了低成本實時水質監控物聯網系統，監測參數包括水溫、pH、濁度、導電率、溶解氧等，并通過核心控制系統對監測數據進行處理，監測數據可以通過互聯網進行查看。LIN等[32]提出了一種利用可再生的、低成本的土壤能量進行自給的無線環境監控系統，使用該項技術進行遠程農田環境監控可以降低人工和傳感器電池更換的成本。SRBINOVSKA等[33]提出了針對蔬菜溫室的無線傳感器網絡架構，通過分析溫室環境特點，設計了基于無線傳感器網絡技術的低成本、實用的溫室環境監控系統，結合專家系統指導，采取遠程控制滴灌等適當的措施，實現了科學栽培和降低管理成本。

4.2 動植物生命信息監控物聯網

對植物信息采集的研究主要包括表觀可視信息的獲取和內在信息的獲取，表觀信息如作物苗情長勢、病蟲害、果實膨大狀況、生物量、莖干直徑、葉面積等信息，內在信息包括葉綠素含量、作物氮素、光合速率、種子活力、葉片溫濕度等，主要監測手段為光譜技術及圖像分析等；對動物生命信息的監測主要包括動物的體溫、體重、行為、運動量、取食量、疾病信息等，通過相關監測，了解動物自身的生理狀況和營養狀況以及對外界環境條件的適應能力，確保動物個體健康生長，主要監測手段包括動物本體監測傳感器、視頻分析等。

何勇等[24]從植物養分信息監測技術、植物生理生態信息動態監測技術、植物病害及農藥等非生物脅迫信息檢測技術、植物蟲害信息檢測技術等方面總結了光譜技術在農業信息感知中的應用及核磁共振成像技術在農業信息感知中的應用。倪軍等[34]根據作物生長指標的光譜監測機理，研制了一種四波長作物生長信息獲取多光譜傳感器，較好地實現作物冠層反射光譜的實時在線檢測。譚昌偉等[35]應用衛星遙感數據獲取大田種植作物“面狀”苗情信息，研究了孕穗期冬小麥關鍵苗情參數與籽粒品質參數、產量及衛星遙感變量之間的定量關系，構建了冬小麥孕穗期關鍵苗情參數遙感反演模型，實現了農情信息的快速獲取。HANDCOCK等[36]利用地面傳感器結合衛星遙感圖像來研究動物行為及與環境的交互情況。NAGL等[37]利用脈搏血氧計、呼吸傳感器、體溫傳感器、環境傳感器及GPS模塊構建了牛科動物移動觀測系統，為防止疾病在畜群中傳播提供了監測手段。熊本海等[38]針對繁殖母豬及泌乳奶牛精細飼養所涉及的物聯網關鍵技術，從智能標識技術、智能發情檢測技術、智能設備裝備與控制的飼喂技術方面分析了國內外研究進展。劉雙印等[39]以南美對蝦養殖為研究對象，融合養殖環境實時數據、對蝦疾病圖像數據和專家疾病診治經驗等多種信息，構建了基于物聯網的南美對蝦疾病遠程智能診斷系統。GONZáLEZ等[40]通過在牛身上安裝運動頸圈和GPS傳感器，觀察和記錄牛的覓食，反芻、走動、休息和其他活動的行為（包括與物體磨蹭、搖頭、梳理皮毛），開發了一種能夠執行無監督的行為分類方法，對于準確掌握動物個體行為，提升動物和生態環境管理水平及整個畜牧業具有重要意義。KUMAR等[41]開發了基于ZigBee的動物健康監控系統，監測動物的反芻、體溫、心率等生理參數和畜舍溫濕度等環境參數，并且可以根據熱濕度指數分析畜禽的應激水平。

4.3 智能農機物聯網

近年來隨著土地流轉的進行，農機作業范圍不斷擴大，農機作業信息滯后、時效性差、缺乏有效的監管手段，機收的組織者和參與者對信息快捷、準確、詳細的要求難以滿足等問題逐漸突顯。如何通過技術手段有效地進行農機作業遠程監控與調度，提高工作效率和作業質量尤其是保障農機夜間作業質量和農機裝備的智能化水平，是農機物聯網發展的迫切需求之一。農機物聯網主要研究方向包括農機作業導航自動駕駛技術、農機具遠程監控與調度、農機作業質量監控等方面。

李洪等[42]將精確算法應用于農機調度問題的求解過程中，以取得全局最優解，為農機作業提供一種切實有效的調度手段，設計并實現了一種基于GPS、GPRS 和GIS技術的農機監控調度系統。在農業機械作業監控與聯合收獲機自動測產等方面，國家農業信息化工程技術研究中心研發了基于GNSS（global navigation satellite system）、GIS和GPRS等技術的農業作業機械遠程監控指揮調度系統，有效避免了農機盲目調度、極大地優化了農機資源的調配[23]。胡靜濤等[43]分析了農業機械自動導航技術的研究現狀及存在的問題，并對未來農機導航技術的發展做出了展望，指出采用衛星導航技術，開展農機地頭自動轉向控制、障礙物探測及主動避障、多機協同導航等高級導航技術研究，以及引入先進的物聯網技術，是現代農機自動導航技術發展的主要趨勢。BACKMAN等[44]針對傳統的路徑生成方法Dubins路徑沒有考慮最大轉向速率問題，提出了曲率和速率連續的平滑路徑生成算法，該算法平均計算時間為0.36秒，適合實時和模擬方式來使用。ENGLISH等[45]通過一對前置的立體相機獲取圖像的顏色、紋理和三維結構描述符信息，利用支持向量機回歸分析算法，估計作物行的位置，開發了基于機器視覺的農業機器人自動導航系統。2013年農業部在糧食主產區啟動了農業物聯網區域試驗工程，利用無線傳感、定位導航與地理信息技術開發了農機作業質量監控終端與調度指揮系統，實現了農機資源管理、田間作業質量監控和跨區調度指揮[46]。

4.4 農產品質量安全追溯物聯網

農產品信息感知技術主要包括農產品顏色、大小、形狀及缺陷損傷等外觀信息和農產品成熟度、糖度、酸度、硬度、農藥殘留等內在品質信息。在農產品質量安全與追溯方面，農業物聯網的應用主要集中在農產品倉儲及農產品物流配送等環節，通過電子數據交換技術、條形碼技術和RFID電子標簽等技術實現物品的自動識別和出入庫，利用無線傳感器網絡對倉儲車間及物流配送車輛進行實時監控，從而實現主要農產品來源可追溯，去向可追蹤的目標。

孫通等[47]概述了近紅外光譜分析技術在水果、魚類、畜肉類、牛奶、谷物以及奶酪酒精發酵上的在線品質檢測/監控應用上的研究進展，指出了近紅外光譜分析技術尚存在的問題，并對今后的近紅外光譜分析技術作了展望。COSTA等[48]闡述了RFID技術在農產品質量安全與追溯方面的發展現狀，分析了RFID技術面臨的機遇和挑戰，指出了其未來研究的方向。劉壽春等[49]研究了檢測冷卻豬肉物流環節主要腐敗菌和病原菌的數量變化，設計基于統計過程控制的均值-極差控制圖，為監控豬肉冷鏈物流過程或操作工序的微生物污染提供科學的管理和控制方法。楊信廷等[50]以蔬菜初級產品為研究對象，從信息技術的角度構建了一個以實現質量追溯為目的的蔬菜安全生產管理及質量追溯系統。KUMARI等[51]討論了RFID標簽的相關知識，包括標簽的類型、數據傳輸頻率范圍和標準等，并對農產品管理中各種RFID的實現和阻礙其廣泛采用的障礙進行了分析。BADIA-MELIS等[52]對各種最新的射頻識別技術進行了總結，包括能夠促進面粉銷售的創新性應用、通過同位素分析或者DNA序列分析了解食品的真實性應用，同時闡述了食品追溯領域的一些先進概念，包括集成了當前的技術規則，實現機構、環境記錄器及產品三者之間互聯互通的物聯網系統通用框架，以及能夠獲取產品溫度、剩余保質期信息的智能追溯系統等。

4.5 各應用領域存在問題分析

從農業物聯網體系結構角度出發，可以發現當前農業物聯網各領域研究與應用存在兩方面的問題，一方面是異構網絡接入層硬件網關研究較多，嵌入式網關中間件研究應用相對較少的問題；另一方面農業物聯網數據共享層研究應用嚴重缺失，各應用系統一般直接將感知層獲取的數據發送至農業物聯網應用層，缺乏對感知數據的深度挖掘和分析，難以達到進一步指導農業生產的效果。同時可以看出，農業生產環境監控物聯網目前發展較為成熟，其應用部署又分為單機應用和遠程監控模式；動植物生命信息監控物聯網中植物生命信息監控及農產品信息感知物聯網研究與應用方面主要集中在數據獲取與單機處理方面，系統完整的網絡化應用還不多見；智能農機物聯網的研究與應用更多集中在幾個單向技術的突破方面，綜合各項技術的智能農機監控系統正在逐步推廣應用；動植物生命信息監控物聯網中動物生命信息監控物聯網及農產品質量安全追溯物聯網的研究與應用最為成熟，特別是在RFID應用方面，但也存在單個生產環節應用較好，全產業鏈物聯網監控應用有待進一步加強的問題。

5 展望

農業物聯網作為新的技術浪潮和戰略新興產業得到了中國黨和政府的高度重視，面臨前所未有的發展機遇，但同時中國農業物聯網的發展正處于初級階段，農業物聯網技術、產品以及運營模式等還不成熟，農業物聯網的發展仍然處于探索和經驗積累過程中，特別是農業物聯網標準體系的缺失導致各應用系統的兼容性、互換性比較差，對農業物聯網的投入造成很大浪費。本文提出的農業物聯網體系結構為農業物聯網系統的設計與實現提供了一定的參考，但仍有很多細節需要完善，特別是底層向上層提供的調用接口的定義、接口的性能描述等，以期為具體應用系統的開發提供更多規范。

未來農業物聯網的研究應緊密圍繞發展現代農業的重大需求，在農業物聯網體系結構基礎上，加強基于RFID的識別技術與基于傳感器的感知技術獲取信息的無縫整合研究，實現農業生產、流通、加工、消費全產業鏈的信息深度融合與挖掘。面向不同應用對象，進一步精煉系統實現結構，利用大數據思維構建農業知識決策模型和閾值控制模型，開發成本低、易用性強的終端智能裝備，在重點區域和典型產業進行應用示范，推動農業物聯網持續快速健康發展。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Agricultural IOT Architecture and Application Model Research

ZHENG JiYe1,2, RUAN HuaiJun2, FENG WenJie2, XU ShiWei1
（1Agricultural Information Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2S&T Information Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100)

agricultural internet of things; system structure; architecture model; application area; development direction

10.3864/j.issn.0578-1752.2017.04.006

2016-07-27；接受日期：2016-12-02

國家科技支撐計劃（2014BAD08B05）

聯系方式：鄭紀業，E-mail：jiyezheng@163.com。通信作者許世衛，E-mail：xushiwei@caas.cn

Abstract：Agricultural Internet of Things (AIoT) is the highly integrated information technology such as computer, internet and mobile communication’s application in agricultural field, and it is the essential condition for the agricultural informatization and intelligent. With the development of AIoT industry, there appears an endless stream of AIoT application systems, because of the lack of analysis for AIoT system’s whole architecture, the current AIoT application presents the fractional, vertical and heterogeneous characteristics. Extracting the system components and their relationship from various AIoT applications, and establishing AIoT system architecture, to achieve the AIoT’s design and realization method’s unification are urgent problems need to be solved. The paper analyzed the AIoT’s concepts, basic features and system structure research status, and found that the IoT development and management plans from different countries and institutes played good guidance for the related researchers, however, they didn’t give the specific methods that can design and realize the IoT systems, and furthermore agricultural environment’s diversity and complexity determine that AIoT architecture’s establishment must consider agricultural industries characteristics as a whole. Therefore, the paper firstly discussed the agricultural architecture building principles including extensibility, reusability, safety and reliability and so on, then combined with the specific needs of agricultural industry and experiences from engineering practices, put forward an AIoT hierarchical structure model, the model is divided into five layers from the bottom to the up, they are perception layer, access layer, network layer, data layer and application layer, respectively, and each layer corresponds to different communication protocols. And pointed out that AIOT hierarchical model and the corresponding protocol architecture constitute the AIoT architecture. Compared with the traditional three layers and four layers architecture, the proposed architecture added the access layer and data layer. Aiming at the problem that the majority objects in the ubiquitous environment have limited resources and computing power, the access layer emphasized that the underlying heterogeneous sensor networks can connect to the network layer seamlessly, it provides a unified abstract management interface to shield the complexity of the underlying heterogeneous sensor networks, and reduces the difficulty of building AIOT perception system. For the problem of agricultural data can not be fully used in current AIoT systems, and formed the information islands, the data layer designed and realized a service oriented architecture to solve the data exchange and sharing problems among different AIoT systems. Overall the five layers architecture’s functionalities are more independent, it is advantageous to the network load balancing between each layer, and reducing the burden of enterprise network communications. Aiming at the common problems of the application of agricultural industries, according to the different objects to be monitored, analyzed the agricultural production environment monitoring IoT, plant and animal life information monitoring IoT, agricultural products quality detection and the quality safety tracing IoT, agricultural machinery operation monitoring IoT’s present research situation and main technologies involved. From the perspective of agricultural application architecture, it was found that the current researches are more concentrated on the gateway hardware, and the embedded gateway middleware application is relatively few on the one hand, on the other hand the AIOT data sharing layer’s research is seriously lacking, each application system usually sent the perceive data directly to the AIOT application layer, therefore it is difficult to achieve the effect of further guiding to agricultural production for the lack of data mining and analysis. Finally, the paper discussed the further research and application direction of the AIoT technology.