基于物聯網架構的智慧農業及其關鍵技術分析

劉國杰

（山東省聊城市農業農村局 農村改革和農業農村經濟服務中心，山東 聊城 252000）

智慧農業是智慧經濟形態在農業中的具體表現，也是智慧經濟的重要組成部分，在消除貧困、發展經濟等方面均起著重要的作用。智慧農業是農業生產管理與現代科學技術的有效結合，能夠實現農業生產的自動化、智能化、無人化。物聯網是發展智慧農業的關鍵技術，通過技術設備的應用，將農業生產中的各種要素有效連接，實現智能化識別、跟蹤、操控。

1 基于物聯網架構的智慧農業及關鍵技術

1.1 體系架構

物聯網的體系架構主要分為感知層、網絡層、應用層。感知層主要由各種傳感器和傳感器網關組成，能夠采集識別各種信息，相當于人體的皮膚和五官，而信息采集是物聯網應用的基礎，所以，感知層位于三層架構組織的最底層。網絡層的主要作用是信息傳遞和處理，包括互聯網、計算機平臺、信息處理中心、網絡管理中心等，相當于大腦中樞的角色。應用層的主要任務是信息的處理和決策，比如，現代農業，城市管理，公共安全，工業監測，智能家居，等等，通過數據挖掘，找到有價值的信息，并得以有效利用，實現用戶與設備的交互，達到智能化應用的目的。

1.2 典型應用

1.2.1 環境監測

基于物聯網架構的智慧農業能夠實現對生產環境的精確調控，實現增產增收的效果，現階段已經形成了許多研究成果，比如，以GPS技術、WSNs技術、太陽能發電技術為核心構建的大地環境監測系統，能夠對土壤墑情、溫度濕度、二氧化碳濃度等相關指標進行監測，實時感知農作物的生長環境。利用高精度土壤溫濕度傳感器、智能氣象站，構建土壤墑情監測系統，能夠為抗旱減災、灌溉節水提供科學決策。下面將以某農田土壤墑情監測系統為例展開探討，系統設計分為硬件平臺和軟件平臺兩部分組成，硬件平臺主要包括路由器、交換機、傳感器等設備設施，負責現場數據采集、發送等工作，軟件平臺分為五大模塊，包括數據采集、信息傳輸、數據接收和存儲、數據分析挖掘、遠程監控管理。其中，數據采集和發送模塊主要利用了無線傳感器網絡，將采集到的地下水位、土壤含水量、土壤pH值、降雨量等相關信息發送至遠程監控中心，為了保證數據傳輸的穩定性和可靠性，可以采用ADSL、無線節點、移動通信網等多種技術。數據接收分析模塊能夠對數據進行分析處理，形成土壤墑情報告，通過趨勢分析評估，能夠得到科學的農事調控建議，并且根據產量預測調整市場行為。數據監控管理模塊的主要功能包括可視化分析平臺、應用決策分析、遠程監控管理等，可以對相關數據進行查詢，并以直觀的形式展示出來，而且能夠實現數據的跨平臺調用，提高數據使用效率[1]。

1.2.2 食品安全

食品安全一直是關系到國計民生的重大問題，既制約著農業經濟的發展質量，又關聯著廣大民眾的生命安全問題。食品安全問題之所以難以解決，一方面，從生產到消費存在諸多環節，難以實現全面的信息管理，另一方面，管理部門之間銜接不夠緊密，容易形成模糊地帶，產生監管漏洞。智慧農業的出現為解決食品安全問題提供了新的思路和手段，通過從生產端到消費端全過程信息跟蹤，可以實現安全溯源的目的，世界許多發達國家都積極構建了農產品溯源系統，比如美國農產品溯源系統、日本食品溯源系統、歐洲牛肉溯源系統、澳大利亞禽畜溯源系統等。

下面以某肉類溯源系統為例展開探討。根據我國的市場行為和監管體系，可以將肉類食品安全管理分為農場養殖、生產加工、市場流通、餐飲消費幾個主要環節，所以，溯源系統的建設也應該著重從這四個方面著手，通過網絡連接實現數據傳輸和共享。

在基于物聯網架構的肉類安全溯源系統可以分為政府聯合監管系統和供應鏈用戶業務管理系統兩大部分，前者涵蓋了農業、工商、衛生、質量監督等相關職能部門，不同部門之間可以通過系統平臺進行組織協調，從而達到聯合監管的目的。后者囊括了從生產到消費整個產業鏈參與者的信息管理。從系統架構看，我們可以通過信息感知和采集，利用RFID技術，將基因、飼料、用藥、防疫等相關信息進行采集和上傳，建立完整的養殖檔案，在后續的屠宰、批發、零售等環節，均需要識別核對上游信息、補充完善本環節信息，這樣就可以形成完整的溯源信息鏈。通過對數據的分析和處理，根據實際需求，建立一定范圍內的數據處理中心和監管平臺，實現行業管理信息的統籌協調，不同用戶根據權限分配可以進行查詢、舉報、監督等操作，達到全方位的信息溯源效果。除了食品安全監管，政府相關部門還可以根據數據分析預測市場價格波動，采取更為及時有效的宏觀調控措施，保證市場供應的穩定性[2]。

1.2.3 智能農機和智慧物流

機械設備在現代農業生產中占據著重要的地位，智慧農業的發展推動了農機智能化進程，有利于優化農機資源配置，實現農機操作自動化管理。利用GIS、GPS、GPRS等技術，構建農機監控調度系統，能夠遠程采集農機信息，實現實時操控。開發基于機械視角的農業機器人自動導航系統，可以相對準確地判斷農作物位置，實現更為精確的田間作業管理。將物聯網架構引入智能農機，建設農機車載智能終端或者遠程服務平臺，能夠在農忙時節提供更為全面、精準、迅捷的農機服務信息，提高農機利用率，提升農業生產的綜合效益。許多農產品的保質期比較短，對物流倉儲要求比較高，物聯網在該領域具有廣闊的應用前景，通過RFID、計算機網絡、GPS、紅外視頻監控等多種技術的應用，實現出入庫、盤點、配送等環節的智能化控制，有效識別人和物的身份信息，提升管理水平和服務質量，降低綜合成本。

1.3 關鍵技術

1.3.1 信息感知技術

從物聯網體系架構可以看出，信息感知是智慧農業的基礎，只有掌握了農田、種植物、基礎設施等方面的數據信息，才能實現有效利用以及智能控制，信息感知技術涵蓋了傳感器技術、RFID技術、坐標定位技術等多個方面。通過部署大量傳感器，能夠進行物體識別和信息采集，現階段，應用較為廣泛的傳感器包括生物傳感器、物性型傳感器、微機電傳感器，每種傳感器都有一定的技術特點和應用優勢，需要根據實際情況合理選擇。比如，光學傳感器適用于葉綠素含量測定、土壤檢測等方面；電學傳感器適用于溫濕度監測、土壤商情監測等方面；RFID即射頻識別技術，能夠通過無線信號識別和感知物體，具有掃描速度快、存儲容量高、可重復性好、安全性高、抗污染等諸多優點，能夠滿足農業物聯網的規模化識別需求，在農作物生長、農產品流通、食品安全監管等方面都發揮著重要的作用。坐標定位技術充分利用了衛星定位系統，具有高動態性、高精確度等優點，在智慧農業中同樣發揮著積極的作用[3]。

1.3.2 信息傳輸技術

基于物聯網架構智慧農業的信息傳輸技術主要包括無線傳輸技術、光纖通信技術、組網技術、交換技術等。其中，無線傳輸技術又可以分為無線局域網傳輸和無線移動傳輸，隨著5G移動通信技術的加快推進，將能夠實現更高效的信息傳輸；光纖通信技術可以最大程度地滿足數據傳輸的實時、準確要求，能夠為智慧農業提供高性能的網絡環境；組網技術可以分為ATM局域網組網絡技術和以太網組網技術。相對而言，以太網組網技術在我國應用更為廣泛，具有簡便靈活的優點，能夠利用多種物理介質，采用不同拓撲結構；交換技術主要指的是軟交換技術，能夠有效解決傳統通信業務和新型多媒體業務的相關問題，實現網絡資源的優化配置。在智慧農業中，需要根據具體的農業項目選擇合適的信息傳輸技術；面對多類型數據并存的情況，目的是著力提高數據整合、傳輸效率。

1.3.3 信息處理技術

智慧農業信息處理具有數據類型多、節點異構性等特點，為了實現預測預警、智能決策、智能控制等功能，必須充分利用智能處理技術，對獲取到的各種數據進行存儲、處理、計算、分析。智慧農業信息處理技術主要有數據挖掘、云計算、模糊識別、智能技術等，其中，數據挖掘與系統分析技術又包括數據挖掘、數據倉庫技術、決策支持、聯機分析處理等，需要從海量的農業數據中挖掘出有價值的信息，云計算技術主要包括編程模型、數據管理、數據存儲、平臺管理技術、虛擬化技術等，能夠為用戶提供便捷的網絡訪問，保證海量數據的存儲、處理、計算效率，智能技術主要包括智能信號處理、智能控制、人機交互技術、虛擬現實技術等，能夠實現信息處理的自動化和智能化，為用戶提供更好的服務體驗[4]。

1.3.4 信息安全技術

農業物聯網具有匿名性、開放性等特點，在提供操作便利的同時，也存在著一定的隱患，影響著系統運行安全性、穩定性、可靠性。所以，必須做好信息安全管理，加強物聯網信息安全技術的研究和應用，基于物聯網架構的智慧農業安全隱患主要集中在物聯網業務安全、RFID系統安全、核心網絡傳輸與信息安全、黑客入侵，等等。雖然物聯網是互聯網的拓展和延伸，在安全管理上能夠借鑒互聯網的部分安全機制，但是，由于物聯網具有一定的特殊性，需要根據實際情況，不斷完善認證機制、加密機制，以實現保護用戶隱私、維護系統穩定的目的。

2 基于物聯網架構的智慧農業存在的主要問題及解決對策

2.1 問題分析

基于物聯網架構的智慧農業發展必須制定規范合理的技術標準，否則難以實現真正的產業化，以RFID技術為例，由于缺乏統一標準，在農產品安全溯源時，很容易出現信息無法讀寫、查詢、回溯等問題，導致關鍵環節無法完成信息溯源。智慧農業正處于高速發展的階段，許多技術標準的制定速度跟不上，難以使物聯網技術在現代農業中實現高效、持續的應用，而且我國的智慧農業發展缺乏整體規劃和核心技術，許多關鍵技術和設備仍依賴國外進口，不但增加了技術匹配的難度，而且提高了智慧農業的建設成本，對于大多數農戶而言是不可承受的，難以形成規模效益。另外，在智慧農業建設中，還存在著基礎設施落后、農戶認識水平不高、技術能力不夠等問題，難以達到預想的效果，這些問題都制約著智慧農業的發展質量和效率[5]。

2.2 對策探討

發展智慧農業涉及到標準、技術、管理、規劃、安全、協調等多方面的問題，需要多方主體積極參與，共同推動問題的解決。在國家層面，加強相關法律法規的完善，保護科研成果，防止不法侵害，同時，加快物聯網標準體系的建設，完善相關應用標準，掌握市場發展的主動權，通過政策指引，鼓勵互聯網產業的發展，形成具有創新性和規模性的產業集群，做好整體規劃，避免出現無序競爭和重復建設，加強對科研機構、重點企業、廣大農戶的扶持力度，出臺相關惠農政策，解決農業物聯網建設初期的成本問題。在科研層面，聯合科研機構、各大高校、相關企業開展科研攻關，通過“引進來”和“走出去”，促進人才資源流動，提高自主研發能力，根據我國的基本國情，充分考慮農民的接受能力，打造適應于現代農村的智慧農業。在企業層面，增強自主研發能力和創新能力，積極與各相關方進行溝通交流，推動物聯網的農業產業化應用，推出更加安全、便捷、低廉的產品，讓農戶逐步感受到智慧農業的優越性，促進生產、物流、銷售全產業鏈的信息化發展[6]。

綜上所述，本文著重研究了基于物聯網架構的智慧農業及其關鍵技術，并分析了智慧農業發展面臨的主要問題和應對策略，希望能夠起到積極的現實意義，充分發揮物聯網技術的優越性，突破關鍵技術瓶頸，加快智慧農業系統的開發應用，促進農業的轉型升級，實現更高質量的農業生產和管理。