物聯網傳感器在智慧農業中的應用研究

樊 昕，蹇 念

（1.泰山科學技術研究院，山東 泰安 271000；2.遵義市職業技術學校，貴州 遵義 563000）

因傳統農業在一定范圍缺乏耦合效應，產業鏈不夠長、不夠強，缺乏大循環和協調性，所以在一定程度上存在著低效率、低效益、低效能等情況，生產粗放情況突出。這些現象造成普遍的農業基準數據資源薄弱、數據結構不統一、數據類型不兼容、數據標準化不一致、規范化水平低等。農業的發展經歷了漫長的過程，最終迎來了智慧農業的新時代[1]。

1 農業發展的幾個重要階段

1.1 農業1.0

依托自身體力勞動及畜力勞動的農業運營形式。

1.2 農業2.0

即機械化農業，是以機械化生產為主的農業生產運營形式。

1.3 農業3.0

即信息化（自動化）農業，是以現代化信息技能的使用和部分生產工具的自動化、智能化為首要特征的農業生產運營形式。

1.4 農業4.0

農業4.0是融合互聯網的高度智能化的種植管理。農業生產技術更青睞于物聯網、大數據、云計算等新興技術的加持，降低自然災害因素的干擾，突破了傳統種植的約束，更體現出智能化、生態化、綠色化的農業生產理念。

人類可以更低的成本、更優化的資源結構、更好的流通環節，從大自然中獲取健康的、安全的、可持續的農產品。

2 現狀及痛點

在傳統農業生產的各個環節，自然環境的溫度、濕度、土壤成分、光照情況、小區域氣候等因素對農作物生長都有較大影響。傳統農業所謂的靠天吃飯，要在很大程度上依賴于自然環境的各種要素。對這些因素的利用要依托人為感知，不確定性太大，農業生產更多地體現出粗放管理的特點，與精細化管理的要求有較大差距。

以傳感器與物聯網相結合的全方位環境監測控制系統在設施農業中大受歡迎，并迅速推廣開來。針對農業大棚管理的現狀及痛點，提出智慧農業物聯網解決方案[2]。

3 智慧農業與傳統農業的區別

3.1 產業鏈增強變長，形成更為復雜的產業網

智慧農業比傳統農業突出之處，在于產業鏈的增強變長，構成了農業生產前、中、后期環環相扣的產業網，組成了復雜的經濟網。先進技術和精密儀器帶動了智慧農業的大發展。

3.2 地域特征明顯，與當地農業資源關系緊密

社會生產力的高級階段必然催生優勢產業向集聚化、高能化方向發展，向優勢農業資源集聚區發展，形成規模化、區域化明顯的農產業集群。智慧農業突破了行政區劃的約束，依照優勢區域有限發展的原則，形成特色作物帶和畜牧飼養帶，優化配置農業資源。這種優勢農產品產業帶，以區域優勢產業為基礎，以農業技術創新為動力，凸顯了競爭優勢，實現了持續增收增效，形成了規模化經營。

3.3 智慧農業產業鏈中主導環節發展不均衡

智慧農業產業鏈中主導環節后移，主要集中在產后環節，產前、產中和產后環節并不均衡發展。

智慧農業催生了農業生產的專業化分工，分工的精細化、專業化提高了農業生產效率。傳統農業在全鏈環中的比重逐步降低，產后的農產品加工、營銷企業逐步壯大，利潤和產值也向產后加工、營銷傾斜。

4 智慧農業方案設計原理

借助精準的農業傳感器技術，智慧農業利用數據挖掘、云計算等先進技術進行多維度、多角度的分析，更為精準地計算自然環境對農業的影響，促進了農業的迭代升級。

（1）應用層：環境監測→設備控制→統計分析→自動報警→圖表顯示。

（2）服務層：統一門戶、統一門戶管理、數據分析挖掘、環境信息接入、數據網關接入、系統應用管理、環境信息比對、任務管理、系統終端管理。

（3）傳輸層：節點→GPRS/CDMA模塊→網關→服務器→互聯網→PC端。

（4）傳感層：傳感器、WSN、攝像頭、GPS、RFID 讀取器、基站、手機終端。

5 智慧農業相關系統模塊

5.1 大田情況監測系統

5.1.1 土壤墑情監測

精準檢測土壤墑情，快速預警生產異常。智慧農業實現了全天候不間斷監測土壤墑情，借助于可以遠程監測的傳感器，實時檢測并獲取土壤墑情，通過無線網絡傳輸信息。監測服務器實時接收、存儲墑情數據并集成到數據庫中[3]。

5.1.2 智能蟲情監測

遠程掌握田間蟲情，無公害誘捕殺蟲。自動蟲情監測系統主要利用現代光、電、遠程傳輸技術、大數據技術建設了害蟲實情云上檢測及報警模塊。該模塊實現了蟲情信息捕獲、環境數據采集和傳遞、數據分析等功能，達到了害蟲信息分類統計、遠程監控、實時傳遞、蟲情預警和防治結合的智能化、集約化。該系統性能穩定、操作靈活，在農牧業、林草葉、蔬菜、果園、城鎮綠化等領域可廣泛應用。

5.1.3 智能孢子監測

利用現代高新技術，對病菌孢子進行連續動態監測。智能孢子監測系統常態化集成了數字圖像處理和人工智能辨識、電子顯微鏡、智能數據分析等高科技手段，融合了自動捕獲、識別、統計、存儲病菌孢子技術，實現了實時連續動態監測病菌孢子，可有效提升作物病害防治技術水準。

5.1.4 災情、苗情監測

720度高清攝像，突發情況可自動轉向緊急錄像。通過對農田進行物聯網傳感器布局，對整個農種過程中的播種、施肥、采摘、包裝等各個環節進行視頻監控，樹立標準化作業標準。同時通過遠程環境監控能夠方便管理人員對作物生長狀況遠程在線監控，質量監督檢驗檢疫部門、上級主管部門對生產過程的有效監督和及時干預，以及信息技術管理人員對現場數據信息和圖像信息的獲取、備份和分析處理，視頻監控系統也為以后利用獲取生物信息提供了必要的基礎條件。

5.1.5 氣象環境監測

農場氣象實時監測，極端氣象及時預報。監測要素：空氣溫度、空氣濕度、紫外線強度、太陽總輻射、風速、風向、風力、降雨，以及蟲情監測捕捉。

農業環境監測，通過現場的氣象設備，可以實時地對農場進行監測。提高了農業生產對自然環境風險的應對能力，使弱勢的傳統農業成為具有高效率的現代產業。

智能傳感設備有太陽能輻射罩、百葉箱、小型氣象站。

5.2 視頻監控與聯動系統

聯動控制系統：灌溉、風機、卷簾、增溫、水閥。

農田視頻監控：系統中信號傳輸系統主要包括電源信號的傳輸、視頻信號的傳輸和控制信號的傳輸線路三部分。項目建設中，根據施工現場的實際情況，使用無線傳輸的方案來建設信號傳輸系統。

水肥一體機聯動系統：土壤水分傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度傳感器以及自動化噴淋設備共同作用于溫室大棚。

智慧農業云平臺將土壤溫濕度、土壤pH值等數據實時傳輸到手機APP端、PC端或大屏幕端。

云平臺將視頻監控系統進行整合，使管理人員可以對生產區域進行生產實時監控、消費者可以通過遠程訪問視頻系統，為管理人員和消費者提供查看和監管基地生產環境的平臺，可以進行園區基礎信息查詢、生產區環境視頻監控，聯動農用基地內水肥一體機進行工作。

大棚卷簾聯動系統：聯動系統集成了溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光合有效輻射、光照度傳感器、土壤水分傳感器、土壤EC傳感器、聯動噴淋灌溉、土壤PH傳感器以及聯動風機，操控聯動卷簾設備，科學協同互動。

遠程控制可以通過鼠標操作切換大屏幕上的監控畫面和控制本機上的高速球旋轉、放大等。數字矩陣主要是對電視墻上監視器里的監控圖像進行切換，可設置監控圖像在監視器里自由切換、程序切換、定時切換等操作。

5.3 智慧農業中心展臺

智慧農業中心展臺的發展經歷了三個階段：自動階段、智能階段和智慧階段。自動階段主要體現在先進設備方面，智能階段體現在功能軟件方面，智慧階段體現在綜合系統方面。

通過數據集中收集展示到平臺上，方便各級工作的實施，同時可實現集中化管理，及農產品溯源應用功能，保證從源頭進行控制，增強標準化工作實施。在世界上任何角落，只要接入互聯網，就可以實時了解大棚試驗田溫濕度情況和作物生長情況。當溫度超過設定的警戒線，系統自動報警，通過智能手機實時觀察大棚情況。實時采集大棚溫濕度，通過GPRS傳入網絡服務器。系統可以通過以太網聲像機監控農場實時情況[4]。

監控大屏功能：實現對園區農業實時環境數據、病蟲害數據、苗情數據的可視化展示，智能設施的遠程查看和管理。通過平臺設定環境數據預警值，系統自動預警，生成預警事件，通過手機短信及網頁報警提示管理人員或工作人員進行管理和控制。同時可以將園區空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度等環境監測數據以及環境預警事件信息以圖表形式或曲線圖形式形成統計報表，供管理人員作出適當的作物生長管理、分析與決策。

5.4 智慧溯源系統

通過信息化系統結合區塊鏈技術實現生產過程的精細管理。為農業生產者實現農事作業的栽植、灌溉、施肥、施藥、收獲等全程農事作業過程的記錄與管理服務。

5.4.1 農產業溯源系統的管理

農業生產標準化管理環節有：種植批次→整地→播種→澆水→除草→施肥→噴藥→其他操作→采收→清茬等。

農產品溯源系統可以實現防偽認證、溯源查詢、產品防篡改、數據分析以及功能定制，是整個智慧農業系統的重要功能，貫穿農產品基地、種養、采收、儲運、銷售的各個環節。它又延伸出相應的子系統，各子系統為智慧農業的某一模塊服務并將數據通過接口自動發送給追溯平臺，在追溯平臺上進行展現。農產品溯源全流程環節涉及種子信息、種植信息、檢驗信息、包裝信息、冷鏈運輸信息、消費者終端等，實現了企業追溯、用戶查詢和政府監督，是從消費到市場流通，以及種植信息的全流程追溯。

5.4.2 溯源系統的意義

隨著人們生活水平的提高，農產品的質量安全也越來越重要，農產品質量安全問題不僅關系到公眾的身體健康，而且對農業發展、農民增收、農業貿易和農業現代化建設具有重大影響，成為新時期我國農產品生產和供給急需解決的一個重要課題。要達到提高農產品優質生產和消費安全目標，就要解決和實現對農產品“從田間到餐桌”的全過程質量監控，治本之策是要建立完善的農產品質量安全體系。

溯源系統的功能：針對銷售流程進行溯源管理，實現農作物的收獲入庫、銷售出庫以及客戶資源信息的收集，為生產企業提供便捷的經營操作方式，后期結合農產品市場監測及銷售情況分析，還能輔助生產企業作出更為精準科學的產供銷策略。

5.5 特色功能

共享農機管理平臺：利用在車聯網各個領域豐富多彩的技術功能和工作經驗沉淀，根據物聯網技術的優勢特點，打造農機共享網絡平臺。

專家問答與專家庫系統：基于農業信息分散在農業各個不同部門的現狀，通過建設農業信息綜合服務平臺農業文庫，實現畜牧、種植、農機、科教等農業辦公文檔信息的匯聚、分享和展示，解決了農業現有系統中，各類信息系統相對獨立，信息分散、匯總能力弱等問題。專家管理：注冊→審核→認證。

農業知識庫：建立農業生產知識庫，內容由專家制定，可實時更新，方便農業工作者隨時學習。

網上資訊：農業工作者通過網絡使用，通過平臺建立農戶與專家的實時對接，解決農戶的問題。

遠程診斷：專家使用，通過平臺建立農戶與專家的實時對接，實時進行診斷。

信息發布：農業工作者與專家使用，專家實時發布相關農業信息，可實時更新，方便農業工作者獲取最新資訊。

診斷資源庫管理：對農作物的生理特征、病害特征、蟲害特征進行有效管理和歸類匯總，方便農戶遠程參考查看。

留言系統：專家不在線時，農業工作者通過留言系統對專家進行留言，以便專家上線后查看并反饋。

評價與反饋：農戶可通過平臺對專家進行評價反饋。

智慧農業電商系統：專注于農產品及涉農產品的垂直性電商平臺，針對性強，專業服務于各類農業生產商、批發商及上下游供貨商，減少供需失調的風險，能夠廣泛地根據市場需求進行農作物的調整。

6 結束語

雖然物聯網及傳感器在農業中的應用還面臨著巨大的挑戰，但隨著技術的不斷發展，在不遠的將來，智慧農業普及程度會更加廣泛，農產品的生產方式和消費方式也會發生巨大的改變，以適應未來社會對農業的需要。