物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

（石河子大學 信息科學與技術(shù)學院，新疆 石河子 832003）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使一切變得智能化，為普通人的生活帶來了改變。智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，而且還具有降低生產(chǎn)成本和減少資源浪費的優(yōu)勢。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正日益改變著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面貌。物聯(lián)網(wǎng)能夠幫助農(nóng)民獲取實時數(shù)據(jù)以進行有效的環(huán)境監(jiān)測，降低農(nóng)場的人力成本并提高農(nóng)作物的整體產(chǎn)量和質(zhì)量。將物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)，并培養(yǎng)相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程高層次人才，對中國的農(nóng)業(yè)工程來說具有重要意義。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；水肥一體化；環(huán)境監(jiān)測；智能健康設(shè)備

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的含義

物聯(lián)網(wǎng)是一種連接全球數(shù)萬億臺設(shè)備的全球通信網(wǎng)絡(luò)，可以在不同系統(tǒng)間實現(xiàn)信息共享。研究人員預(yù)計到2025年，將有上百億個基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在全球范圍內(nèi)連接。物聯(lián)網(wǎng)被定義為具有自配置功能的動態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)基于標準和可互操作的通信協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有各種接口，接口可用于連接到其他有線或無線設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備擁有的接口通常包括：傳感器接口、互聯(lián)網(wǎng)的接口、存儲接口、音頻/視頻接口等。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的形式是多種多樣的，包括可穿戴式傳感器、智能手表、智能家居監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、智能健康設(shè)備等。物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備具有物理屬性和虛擬屬性，通過使用智能接口，設(shè)備能夠無縫集成到信息網(wǎng)絡(luò)中，并在設(shè)備間傳送用戶及與環(huán)境關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中涉及到許多問題，比如物聯(lián)網(wǎng)的制造、標準、協(xié)議、通信傳感器和接口等。物聯(lián)網(wǎng)被定義為唯一可識別的連接對象，能夠使用射頻識別技術(shù)交換信息和信號。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這項技術(shù)不僅在硬件方面，而且在軟件層面上擴展了它的范圍。

物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)、嵌入式系統(tǒng)、安全協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、Web服務(wù)，嵌入式系統(tǒng)等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由各種傳感器組成，這些傳感器集成在一起以收集各種數(shù)據(jù)。云計算也稱為按需計算，是一種基于因特網(wǎng)的計算，可根據(jù)需要向計算機和其他設(shè)備提供共享的處理資源和數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)即構(gòu)建和挖掘包含各種形式的數(shù)據(jù)類型的大型數(shù)據(jù)集的過程。大數(shù)據(jù)技術(shù)還能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的隱藏模式、未知關(guān)聯(lián)、市場趨勢、客戶偏好和其他有用的業(yè)務(wù)信息。通信協(xié)議構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的骨干，實現(xiàn)了連接和與應(yīng)用程序的耦合。通信協(xié)議有助于通過數(shù)據(jù)交換格式，數(shù)據(jù)編碼和尋址來通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)是一種計算機系統(tǒng)，由硬件和軟件組成，可以執(zhí)行特定的任務(wù)。它包括微處理器、微控制器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)組件、輸入輸出單元和存儲設(shè)備。

2 物聯(lián)網(wǎng)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域的研究中有著重要地位，這項技術(shù)正在普及到各行各業(yè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)、家庭和智能城市等各個領(lǐng)域的應(yīng)用，其巨大的潛力被認為可以使許多行業(yè)變得智能化。自誕生之日起至今，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了變化。從普通用戶的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)為未來的智能生活，信息化醫(yī)療服務(wù)，自動化工業(yè)及智能教育等各種產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。從商業(yè)的角度來看，如今的物聯(lián)網(wǎng)已用于商業(yè)管理、智能制造、智能交通和智能農(nóng)業(yè)。部分世界知名公司每天都在進行基于物聯(lián)網(wǎng)的研究，并且定期發(fā)布新產(chǎn)品以使人類的活動更智能。

3 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一是農(nóng)業(yè)，而農(nóng)業(yè)部門被認為是確保糧食安全的關(guān)鍵部門。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)已經(jīng)解決了一些農(nóng)業(yè)方面的問題，但不足以幫助農(nóng)業(yè)實現(xiàn)高效生產(chǎn)。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為了農(nóng)業(yè)信息技術(shù)新的研究熱點。隨著智能農(nóng)業(yè)概念的提出，農(nóng)業(yè)部門也正在采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。這些技術(shù)進步導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)這個概念的誕生。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠幫助農(nóng)民更有效地提高產(chǎn)量。有研究表明，智能農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展將基于物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多環(huán)節(jié)將會用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括土壤和植物監(jiān)測，濕度和溫度等環(huán)境監(jiān)測，運輸，供應(yīng)鏈管理，基礎(chǔ)設(shè)施管理，控制系統(tǒng)管理，動物監(jiān)測，病蟲害防治等。基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)融合技術(shù)將在質(zhì)量和增產(chǎn)方面為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造高價值，并以降低勞動力需求的方式，減輕農(nóng)民的負擔。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用廣泛，常見的領(lǐng)域包括食品供應(yīng)鏈和種植業(yè)。目前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠幫助農(nóng)場從業(yè)人員更好感知和監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，包括農(nóng)場資源利用，作物生長，動物行為和食品加工等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能夠幫助農(nóng)場從業(yè)人員更好地了解周圍的環(huán)境參數(shù)，例如天氣和環(huán)境條件、有害生物、雜草和農(nóng)作物疾病等。

物聯(lián)網(wǎng)的執(zhí)行器可以對農(nóng)場、加工和物流操作進行更復(fù)雜和遠程的控制，例如農(nóng)藥和肥料的精確施用、使用機器人自動除草和監(jiān)測病蟲害、通過遠程控制貨運和產(chǎn)品的位置、改善食品質(zhì)量、保證農(nóng)產(chǎn)品的監(jiān)控和可追溯性等。目前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用范圍仍然非常有限。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是一種全新的農(nóng)業(yè)概念，農(nóng)場從業(yè)者必須首先預(yù)先估計作物的需求和整體收益，再以合理的預(yù)算布設(shè)相關(guān)設(shè)備。

4 物聯(lián)網(wǎng)與智能農(nóng)業(yè)

如今，物聯(lián)網(wǎng)在將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型到智能農(nóng)業(yè)的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠完成農(nóng)作物害蟲識別、空氣濕度變化等。具有一定智能化程度的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠進一步進行決策，并通過執(zhí)行器對農(nóng)場設(shè)備進行控制，完成灌溉、施肥和病蟲害防治任務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢如下：①物聯(lián)網(wǎng)能夠輕松收集和管理從傳感器收集的大量數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)集成了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的電子地圖、云存儲等云計算服務(wù)，可以借助互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地訪問數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)作物的實時監(jiān)控，并在相關(guān)設(shè)備之間建立端到端連接。②物聯(lián)網(wǎng)被認為是智能農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵組成部分，因為物聯(lián)網(wǎng)具有精確的傳感器和智能設(shè)備。專家預(yù)計，到2030年，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)民可以將糧食產(chǎn)量提高30%。③借助物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力成本，提高農(nóng)民的獲利能力和土地生產(chǎn)可持續(xù)性。此外，物聯(lián)網(wǎng)將有效提升土壤、水、肥料、農(nóng)藥等資源的利用效率，進一步保護生態(tài)環(huán)境。

借助全球定位系統(tǒng)和智能傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及智能農(nóng)業(yè)設(shè)備與大數(shù)據(jù)分析的集成，農(nóng)場從業(yè)人員將能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量并更加有效地利用水資源，并減少過量施肥等各種資源浪費。例如，使農(nóng)民能夠以足夠低的成本獲得土壤濕度、環(huán)境溫度的實時數(shù)據(jù)，從而可以實時監(jiān)控各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還可以直接或間接與其他連接的設(shè)備和應(yīng)用程序進行實時數(shù)據(jù)交換，或者從其他設(shè)備收集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到服務(wù)器。

另外，農(nóng)場的高速互聯(lián)網(wǎng)連接是物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)條件之一。價格合理的可靠互聯(lián)網(wǎng)連接將提高智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的適用性，也有利于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。物聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)器高速寬帶連接，可以滿足新型智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用的流量需求。盡管部署農(nóng)村寬帶網(wǎng)絡(luò)的成本較高，但隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商在農(nóng)村地區(qū)普遍采用智能農(nóng)業(yè)的條件下將獲得豐厚的投資回報。

智能農(nóng)業(yè)培訓需要創(chuàng)新。培訓項目的開發(fā)和實施將有助于加強研究人員的技術(shù)專長，以學會處理智能農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析所需的技能。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在諸多的問題，而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)將是未來農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢。本文分析了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)的意義。為了在中國推廣實施智能農(nóng)業(yè)，大學和科研院所等研發(fā)機構(gòu)應(yīng)進一步開發(fā)和完善基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品，培養(yǎng)掌握物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計的高層次人才，并建立相應(yīng)的培訓計劃，讓農(nóng)業(yè)從業(yè)者對智能農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加了解，以便進行相關(guān)技術(shù)的推廣。

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2095－6835（2019）22－0148－02

TN391.44

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.062

周杰（1982—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，研究方向為電子信息工程。

盧毅（1981—），男，陜西西安人，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)工程。

國家自然科學基金項目（編號：61662063）；促進與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項目“基于智能優(yōu)化控制的滴灌施肥技術(shù)研究”；石河子大學混合式教學改革專項（編號：BL2017032）；石河子大學研究生教育教學改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

〔編輯：張思楠〕