關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用報(bào)告

孟一凡 裴一瑋 姜夢茹 尹志堅(jiān) 徐嘉晨

摘 要：在西北大學(xué)組織的三下鄉(xiāng)活動(dòng)中，本調(diào)研組主題為“科技扶農(nóng)”，重點(diǎn)考察了江蘇省太倉市東林村的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，動(dòng)手安裝了運(yùn)用于農(nóng)機(jī)上的 IOT 設(shè)備。在實(shí)踐中調(diào)查了基于無人機(jī)，拖拉機(jī)，植保機(jī)器等機(jī)械上的一體化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用，調(diào)查了東林農(nóng)場對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際運(yùn)用水平，并對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在外地的應(yīng)用推廣做出了一些設(shè)想與規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)業(yè)信息化;東林農(nóng)場調(diào)研

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念火熱的背景下，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)卻依舊處在一片空白之中。為了推進(jìn)技術(shù)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)發(fā)展，省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳特別提出將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)作為技術(shù)推廣中的重點(diǎn)。太倉市農(nóng)業(yè)示范基地的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用走在了革新前沿。本次調(diào)研主要對(duì)太倉市農(nóng)業(yè)示范基地的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，并指出部分物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用中不成熟與不充分的部分，且在目前技術(shù)條件下給出一定的改進(jìn)可能與改良方向。

1.太倉市東林村農(nóng)業(yè)示范基地的調(diào)查現(xiàn)

1.1太倉市東林村農(nóng)業(yè)示范基地

太倉市東林農(nóng)場專業(yè)合作社位于太倉市開發(fā)區(qū)北側(cè)，農(nóng)場經(jīng)營面積 2100 畝。全年經(jīng)營收入約 900 萬元，可盈利約 300 萬元，成為村級(jí)經(jīng)濟(jì)增長亮點(diǎn)之一。為了充分將現(xiàn)代信息技術(shù)成果運(yùn)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能控制，進(jìn)一步科學(xué)推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理，西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的“西大江蘇科技扶農(nóng)調(diào)研團(tuán)”團(tuán)隊(duì)于 7 月 14 日來到太倉市，進(jìn)行以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用為主題的調(diào)研的活動(dòng)。

1.2無人化、智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提

僅僅在將各臺(tái)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行 IOT 設(shè)備加裝調(diào)試后還不能進(jìn)行智能化作業(yè)，需要額外進(jìn)行以下操作：

將各個(gè)設(shè)備通過信息主控中樞系統(tǒng)激活，與電腦端或者移動(dòng)端進(jìn)行綁定認(rèn)證，之后統(tǒng)籌各個(gè)設(shè)備間的運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)開始分別監(jiān)管鏈接入管理系統(tǒng)中的農(nóng)機(jī)設(shè)備。

在農(nóng)機(jī)作業(yè)的農(nóng)田中，需要事先規(guī)劃好區(qū)塊，為系統(tǒng)標(biāo)志出相應(yīng)的邊界以及行進(jìn)路線。當(dāng)初期投入測繪后，在農(nóng)田形態(tài)不變（不改變農(nóng)田大小，邊界），田地平整的理想條件下，可開展無人化作業(yè)。

1.3主要智能化設(shè)備加裝說明

拖拉機(jī)機(jī)組配套 sensor 選取合理位置安裝后，即可令拖拉機(jī)通過地面基站或者數(shù)據(jù)處理中心相互鏈接。之后則可在電腦端或移動(dòng)端匯總拖拉機(jī)作業(yè)進(jìn)度，拖拉機(jī)所在位置，拖拉機(jī)無人作業(yè)狀態(tài)等信息，監(jiān)測拖拉機(jī)后部拖曳的作業(yè)機(jī)具工作狀態(tài)與效率.

插秧機(jī)加裝管理終端后，可以統(tǒng)籌同組插秧機(jī)的作業(yè)效率，進(jìn)過計(jì)算比對(duì)，得到小組作業(yè)的最大功效比與農(nóng)業(yè)機(jī)械的平均故障率，匯總反饋數(shù)據(jù)。

非作業(yè)狀態(tài)植保機(jī)噴灑臂處于密閉模式，展開后，將流速傳感器外接到噴射管即可監(jiān)控植保機(jī)的農(nóng)藥濃度，液態(tài)肥料用量，流量控制等數(shù)據(jù)是否處于正常狀態(tài)。通過監(jiān)測用藥的數(shù)量，達(dá)到提高植保機(jī)的效率，緩解過度使用農(nóng)藥以及土地過污染化的情況。

根據(jù)《江蘇省發(fā)展改革委江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳關(guān)于調(diào)整太倉市 2016 年農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理試點(diǎn)項(xiàng)目部分建設(shè)內(nèi)容的批復(fù)》，無人機(jī)精準(zhǔn)植保便是是重點(diǎn)項(xiàng)目之一。區(qū)塊規(guī)劃后無人機(jī)可在田內(nèi)進(jìn)行自律植保，并能在風(fēng)力 <=5 級(jí)的情況下載重 15KG 進(jìn)行植保作業(yè)。一天總作業(yè)面積可達(dá) 600 畝。

1.4無人機(jī)的作業(yè)演示

在連續(xù)幾天的調(diào)研被局限在室內(nèi)后，最終在天氣放晴，風(fēng)力等級(jí)適合的一個(gè)下午，使用無人機(jī)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行了植保作業(yè)。首先對(duì)無人機(jī)進(jìn)行正常檢測后，鏈接北斗定位，無人機(jī)升空。第一塊標(biāo)準(zhǔn)田使用人工操作，測試了各項(xiàng)情況正常后操作手便設(shè)定了定速自律作業(yè)。

目前使用的無人機(jī)是蓄電池供電，單組 6 塊蓄電池可以供給無人機(jī) 10-20min 的作業(yè)實(shí)踐，工程師為無人機(jī)配備了 6 組蓄電池，用便攜柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為蓄電池組供電，保障無人機(jī)的持續(xù)續(xù)航。

在供電充足的條件下，無人機(jī)僅在 15 分鐘內(nèi)便完成 60 畝的植保作業(yè)。隨后更換了蓄電池組，繼續(xù)按照設(shè)定路線作業(yè)。

1.5東林村實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無人化，智能化后取得的成果

東林農(nóng)場在引進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，取得了如下效果：

東林農(nóng)場試點(diǎn)使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，全年經(jīng)營收入約 900 萬元，可盈利約 300 萬元，成為村級(jí)經(jīng)濟(jì)增長亮點(diǎn)之一， 農(nóng)場收入年環(huán)比增長 12 個(gè)百分點(diǎn)。

配合高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，對(duì) 2100 畝農(nóng)田完成了點(diǎn)位標(biāo)簽，規(guī)劃區(qū)塊的任務(wù)。推進(jìn)了農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營，能完成從育秧到植保到收割貯藏的全程無人化操作。

對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理的管控有了顯著增強(qiáng)，發(fā)展了綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)。通過 IOT 設(shè)備對(duì)耕作，植保等環(huán)節(jié)的綜合調(diào)控，做到了作物產(chǎn)量增長、土壤質(zhì)量改良、化肥農(nóng)藥用量大幅減少、秸稈飼料化。基本完成了建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)框架，達(dá)到了循環(huán)農(nóng)業(yè)的生態(tài)目標(biāo)。

2.關(guān)于農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的調(diào)研

2.1 團(tuán)隊(duì)實(shí)踐操作設(shè)備

在調(diào)研相關(guān)設(shè)備的過程中，適逢工程師團(tuán)隊(duì)對(duì)各臺(tái)農(nóng)機(jī)的 IOT 設(shè)備進(jìn)行加裝升級(jí)，在得到許可后，我組成員在工程師的指導(dǎo)下對(duì)部分農(nóng)機(jī)進(jìn)行了親手加裝 IOT 設(shè)備。具體工作內(nèi)容如下

植保機(jī)展開噴灑臂后，需要將流速傳感器外接到噴射管，并對(duì)走線進(jìn)行設(shè)計(jì)，令流速傳感器與駕駛室的總控監(jiān)視器以及總傳感器相連。

為插秧機(jī)設(shè)計(jì)線路走線，能在秧盤自由運(yùn)動(dòng)的情況下部署線路，并尋找到合適的位置布局 camera，做到能夠令 camera 完整監(jiān)測插秧機(jī)身后的工作狀態(tài)。在秧盤上加裝重力傳感器，判斷秧盤位移量以及運(yùn)動(dòng)速率。

為拖拉機(jī)加裝 sensor，并在工程師指導(dǎo)下點(diǎn)亮中央監(jiān)控系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)終端激活。并于相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)注冊賬號(hào)，為各臺(tái)拖拉機(jī)編號(hào)（部分拖拉機(jī)牌照不清晰，需要對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行重新編號(hào)，為接下來的統(tǒng)籌拖拉機(jī)機(jī)耕組行動(dòng)做規(guī)劃基礎(chǔ)）。

為收割機(jī)加裝深度感應(yīng)器，與北斗系統(tǒng)相鏈接。收割機(jī)將收割臂放下后（例如30cm），深度感應(yīng)器開始工作，判斷收割機(jī)開始工作。將作業(yè)路線上傳至中控系統(tǒng)處，用以判斷有人/無人狀態(tài)下收割機(jī)的運(yùn)行規(guī)律。

2.2設(shè)備安裝中存在的問題

為植保機(jī)安裝流速傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)其口徑與噴射管不一致，需要使用螺母進(jìn)行外圈固定，并使用橡膠墊片密封。第一次測試，發(fā)現(xiàn)流速傳感器接口不能承受相應(yīng)的水壓，傳感器丟失了監(jiān)測數(shù)據(jù)。第二次實(shí)驗(yàn)中加裝了特殊型號(hào)的螺母，發(fā)現(xiàn)能夠完成水壓測試，但依舊存在滲水現(xiàn)象。第三次實(shí)驗(yàn)使用防水膠布為螺紋處做了密封處理，經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)承壓性能良好，無漏水情況出現(xiàn)。

所有目前的農(nóng)機(jī)皆無預(yù)設(shè)接口為檢測系統(tǒng)供電，電源只能深入機(jī)械內(nèi)部，使用蓄電池為系統(tǒng)供電，每一臺(tái)安裝皆需要將引擎蓋打開，裸露出蓄電池組才能外接電源，操作不便且有一定危險(xiǎn)性。拖拉機(jī)上安裝的 camera 系統(tǒng)沒有專門的位置放置，每臺(tái)農(nóng)機(jī)都需要單獨(dú)尋找合適位置放置。

3.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用中的思考

3.1調(diào)研中時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些問題與相應(yīng)的改進(jìn)建議

現(xiàn)有農(nóng)機(jī)都未預(yù)留外附設(shè)備的專用空間。camera 等儀器、傳感器只能根據(jù)工程師的安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)酌情選擇地區(qū)安裝，且要使用釘槍等設(shè)備輔助安裝。在后期設(shè)備加裝時(shí)應(yīng)編寫相關(guān)的日志報(bào)告，定期返回農(nóng)機(jī)廠商，要求出廠前預(yù)留或改裝農(nóng)機(jī)外部，為傳感器統(tǒng)一留出安裝凹槽。

安裝的 IOT 設(shè)備需要從蓄電池中引電，為加裝監(jiān)控傳感設(shè)備添加了不必要的額外的工時(shí)。需求將拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)加裝 USB 接口，方便將監(jiān)控設(shè)備以及中控系統(tǒng)集成進(jìn)駕駛室中。

3.2對(duì)東林村農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣化應(yīng)用的一些思考

東林村農(nóng)場作為蘇南地方示范性先進(jìn)農(nóng)業(yè)基地?fù)碛辛己玫膮^(qū)位條件與較為高昂的設(shè)備投資支持，但過高的投資不利于成本回收，昂貴的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)科技產(chǎn)品在設(shè)備更新迭代時(shí)需要付出更高成本。東林農(nóng)場對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用是建立在高投資，高標(biāo)準(zhǔn)基建，昂貴裝備以及高耗能基礎(chǔ)上的。準(zhǔn)確的說，東林農(nóng)場的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系正在從農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化建設(shè)發(fā)展，屬于較為初級(jí)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展追求產(chǎn)業(yè)化，集約化，規(guī)模化。旨在達(dá)到與農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)高額投資的設(shè)備相似運(yùn)用效果的同時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本盡量降低，為此將闡述幾項(xiàng)降低物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本的技術(shù)方向。

農(nóng)機(jī)內(nèi)部采用了大量實(shí)體線路來連接各個(gè)傳感器以及監(jiān)視器系統(tǒng)，且運(yùn)用了藍(lán)牙來控制各個(gè)元器件傳輸數(shù)據(jù)。考慮到后期對(duì)農(nóng)機(jī)的升級(jí)改造情況，需要加裝更多的傳感器，應(yīng)使用 ZigBee 技術(shù)來解決單臺(tái)農(nóng)機(jī)間各傳感器傳輸數(shù)據(jù)的問題。傳感器間相互傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有較為穩(wěn)定的時(shí)域規(guī)律，且數(shù)據(jù)量小，適合使用 ZigBee 技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。又 ZigBee 擁有自組網(wǎng)特性，在實(shí)現(xiàn)單農(nóng)機(jī)小系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交流的同時(shí)還可以鏈接同組拖拉機(jī)，實(shí)現(xiàn)相鄰田地里農(nóng)機(jī)的協(xié)作作業(yè)，增加協(xié)同效率。

東林農(nóng)村為了配合數(shù)據(jù)終端與農(nóng)機(jī)間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，建設(shè)了不少于三處的地面基站，資金投入較大，在對(duì)外推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用模式時(shí)可復(fù)制的可能性較小。絕大多數(shù)農(nóng)場區(qū)域并不能為工作的農(nóng)機(jī)小組提供如東林農(nóng)場一樣密度的地面基站，為此，給出使用 LoRa 來解決遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

LoRa 技術(shù)能做到低功耗遠(yuǎn)距離長時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)，在農(nóng)場這類開闊地區(qū)，一般傳輸距離可以達(dá)到15KM，而且 LoRa 擁有著優(yōu)秀的信道容量，可以較為輕松地處理多組發(fā)送而來的農(nóng)機(jī)監(jiān)控信息，為電信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善的地區(qū)提供靈活、低廉的選擇。利用 LoRa 技術(shù)，可以較為便捷地獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，令信息主控中樞系統(tǒng)統(tǒng)籌各組農(nóng)機(jī)運(yùn)作，并選擇端口對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)進(jìn)行調(diào)整。

農(nóng)業(yè)無人機(jī)絕大多數(shù)都是由航模廠商或航拍器廠商生產(chǎn)的多旋翼無人機(jī)改裝而來，價(jià)格較為昂貴，且多使用高價(jià)的雷達(dá)來進(jìn)行點(diǎn)位識(shí)別，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)無人機(jī)在定位上產(chǎn)生了嚴(yán)重的性能溢出。

目前農(nóng)業(yè)無人機(jī)需求正在愈發(fā)增長：以江蘇省為例，2019 年底全省農(nóng)業(yè)無人機(jī)保有量達(dá) 4200 臺(tái)，預(yù)計(jì) 2020 年全年增量 4000 臺(tái)。對(duì)專業(yè)農(nóng)業(yè)無人機(jī)的需求已經(jīng)是迫在眉睫。調(diào)研東林農(nóng)場的農(nóng)業(yè)無人機(jī)使用情況后，發(fā)現(xiàn)若 使用RFID代替雷達(dá)，在農(nóng)業(yè)運(yùn)用中將更具有實(shí)用性。

無源射頻識(shí)別的距離在 10m 左右，識(shí)別精度達(dá)到米級(jí)別，舍棄了超過需求的精度后，降低了使用成本，且利用 RFID tag 可幫助無人機(jī)快速識(shí)別出點(diǎn)位。基本達(dá)到了雷達(dá)的點(diǎn)位識(shí)別要求，并能大幅減少無人機(jī)精密設(shè)備的能源消耗，延長了無人機(jī)長程自律作業(yè)時(shí)間。

綜合利用上述幾項(xiàng)技術(shù)，在推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，可以在保證生產(chǎn)效果相同的同時(shí)有效減少投資成本，達(dá)到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)低成本實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的目標(biāo)。

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作者簡介：孟一凡（2001.01-） 男，漢族， 江蘇連云港人， 2019級(jí)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在讀本科生， 研究方向：物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用、手勢識(shí)別;

*通訊作者：徐嘉晨（1993.05-）男，漢族，湖北黃陂人，碩士研究生，助教，主要從事大學(xué)生思想政治教育研究。