農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合應用模式初探

摘要：回顧了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的重點模式，在此基礎(chǔ)上，以向陽坡生態(tài)園區(qū)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為著力點，針對溫室、塑料大棚和大田，提出了農(nóng)業(yè)科技園區(qū)溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)立體交叉綜合應用模式。該模式強調(diào)節(jié)點和多樣化的終端應用，嘗試提出了大田分布式物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的布局模式，初步搭建了大田種植區(qū)耦合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)空間信息平臺；并突出農(nóng)機和農(nóng)藝建模的融合，指出了農(nóng)業(yè)信息建模是農(nóng)機和農(nóng)藝相結(jié)合研究應用的重要切入點之一，為進一步推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的溫室和大田精準農(nóng)業(yè)模式提供技術(shù)儲備。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；應用模式；精準農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）03-0017-04

當前是農(nóng)業(yè)信息爆炸式增長的時代，被稱為“大數(shù)據(jù)時代”[1]，快速、智能、有效地提取農(nóng)業(yè)信息進行智能決策和管理是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的重要內(nèi)涵，也是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的具體體現(xiàn)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，具有傳輸帶寬較高、抗干擾能力強、安全保密性好及功率譜密度低的特點?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)田信息，可實現(xiàn)無線、實時傳輸，可提供更多的決策信息和系統(tǒng)的遠程管理。

向陽坡生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，隸屬于“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)試點”——禹城市，園區(qū)建設(shè)包括大田和溫室大棚、拱棚。以該園區(qū)為實驗基地進行大田和溫室物聯(lián)網(wǎng)應用模式的探討和研究，具有較好的自然和技術(shù)優(yōu)勢。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行農(nóng)業(yè)信息智能表達，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、農(nóng)業(yè)知識和精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的融合和集成，可為大田環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)精準農(nóng)業(yè)技術(shù)應用和溫室環(huán)境感知系統(tǒng)技術(shù)應用模式提供借鑒和參考。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合應用模式

1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用服務模式

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用服務較廣泛，一般分屬于以下兩種模式：大田物聯(lián)網(wǎng)精準農(nóng)業(yè)技術(shù)應用模式和溫室感知系統(tǒng)技術(shù)應用模式，各種模式狀況下的信息盡可能考慮作物-土壤系統(tǒng)內(nèi)的重要元素。針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用服務的多終端狀況，具體分屬于以下幾種模式：

1.1.1 網(wǎng)站服務模式 比較常用和普及階段的服務模式。用戶通過建設(shè)網(wǎng)站可查詢所在大田區(qū)域和溫室田塊的肥料配方、施肥方案；具備上網(wǎng)條件的種田大戶還可以查詢承包農(nóng)田的土壤理化性狀和具體的施肥建議以及作物的灌溉、施肥、病蟲害防治與日常管理等主要環(huán)節(jié)的有關(guān)注意事項。構(gòu)建大田和溫室種植的物聯(lián)網(wǎng)應用平臺，對于作物不同生育期的有關(guān)參數(shù)，如葉面積指數(shù)（LAI）、植物冠層的葉綠素、氮含量、作物水分含量、土壤含水量等信息進行分階段建庫管理，適合有一定技術(shù)基礎(chǔ)的人員和農(nóng)技專業(yè)推廣人員，也可為農(nóng)業(yè)領(lǐng)導科學決策提供基礎(chǔ)參考。該模式適用于全國所有的地區(qū)。

1.1.2 觸摸屏查詢模式 觸摸屏查詢系統(tǒng)可以方便直觀地查詢各個田塊的土壤養(yǎng)分豐缺情況和具體的施肥建議。觸摸屏查詢系統(tǒng)簡單易用，適用鄉(xiāng)村肥料銷售點應用。

1.1.3 掌上電腦模式 掌上電腦施肥和作物生長階段咨詢系統(tǒng)將成果圖和施肥建議以及灌溉、病蟲害防治等信息貯存于掌上電腦。比較適合集約化程度較高的農(nóng)場和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。

1.1.4 3G手機模式 土壤的肥力狀況以及障礙因素概況和作物的施肥建議以及灌溉、病蟲害防治等信息貯存于智能3G手機。用戶帶上該手機，走到轄區(qū)內(nèi)任意地塊，軟件就能自動定位并顯示該地塊的土壤養(yǎng)分狀況、施肥和作物不同生長階段的特征以及有關(guān)措施等。比較適合集約化程度較高的農(nóng)場和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。

在以上諸多農(nóng)業(yè)智能化服務模式中，共性的有價值的決策基礎(chǔ)信息應注重農(nóng)業(yè)空間信息的可視化。提供區(qū)域特點鮮明、形成施肥信息和作物生長信息的區(qū)域變異基礎(chǔ)圖，以及集成自然和社會經(jīng)濟屬性信息的集成空間分異圖，利于決策者和一般技術(shù)人員了解溫室和大田作物-土壤系統(tǒng)內(nèi)重要元素的區(qū)域空間分布特征以及作物生長的各種診斷結(jié)論，因此農(nóng)業(yè)空間信息在物聯(lián)網(wǎng)應用服務模式中具有重要作用。

1.2 向陽坡生態(tài)園區(qū)溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用模式

1.2.1 溫室環(huán)境信息采集和控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用模式 在溫室環(huán)境里，采用不同的傳感器節(jié)點和具有簡單執(zhí)行機構(gòu)的節(jié)點（風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機構(gòu)） 構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)來測量土壤濕度、成分、pH 值及降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強度、CO2濃度等來獲得作物生長的最佳條件， 同時將生物信息獲取方法應用于無線傳感器節(jié)點， 為溫室精準調(diào)控提供科學依據(jù)。最終使溫室中傳感器、執(zhí)行機構(gòu)標準化、數(shù)據(jù)化， 利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化，從而達到現(xiàn)場組網(wǎng)方便、增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

1.2.2 環(huán)境信息實時監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用模式 如何對農(nóng)業(yè)小環(huán)境的溫度、濕度、光照、降雨量等，土壤的有機質(zhì)含量、溫濕度、重金屬含量、pH值等，以及植物生長特征等信息進行實時獲取、傳輸并利用，對于施肥、灌溉作業(yè)來說具有重要意義。可以通過布置多層次的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)，來監(jiān)測溫室環(huán)境中的害蟲、土壤中有機質(zhì)、土壤酸堿度和施肥狀況等；也可實時遠程獲取溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強度及視頻圖像，通過模型分析，遠程或自動控制濕簾風機、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補光等設(shè)備，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長。該模式適用于各種類型的日光溫室、連棟溫室、智能溫室。如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動灌溉系統(tǒng)利用傳感器感應土壤水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達到自動節(jié)水灌溉的目的。

1.2.3 多種傳感器對作物生長信息的綜合應用模式 在作物的生長過程中可以利用形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等來監(jiān)測感應物的外形、顏色、大小等， 用來確定作物的成熟程度， 以便適時采摘和收獲； 可利用二氧化碳傳感器進行植物生長的人工環(huán)境監(jiān)控， 以促進光合作用的進行，例如， 塑料大棚蔬菜種植環(huán)境的監(jiān)測； 可以利用超聲波傳感器、音量和音頻傳感器等進行滅鼠、滅蟲等；還可以利用流量傳感器及計算機系統(tǒng)自動控制農(nóng)田水利灌溉。

1.2.4 溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)立體交叉綜合應用模式 從農(nóng)業(yè)信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集、節(jié)水灌溉到作物環(huán)境和生長監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)應用模式，形成了溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)立體交叉綜合應用模式。在數(shù)據(jù)采集方式上物聯(lián)網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的有線工業(yè)自動化總線方式，而是選用工業(yè)總線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方式，可實現(xiàn)分片采集、廣域傳輸，從而進行溫室信息的采集和控制?；趥鞲芯W(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)融合的綜合集成應用，通過在向陽坡溫室大棚內(nèi)現(xiàn)場布置光照、溫度、濕度等無線傳感器、攝像頭和控制器，自動調(diào)控溫室大棚環(huán)境，保證最適宜作物生長，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。溫室管理者可隨時隨地通過物聯(lián)網(wǎng)服務終端，進行遠程監(jiān)控、遠程控制澆灌和開關(guān)卷簾等設(shè)備，并可實時查看到溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度信息以及作物生長階段的主要特征和有關(guān)病蟲害的診斷結(jié)論。基于3S技術(shù)，結(jié)合調(diào)查和統(tǒng)計手段，收集日光溫室、大棚等各種類型設(shè)施的分布與規(guī)劃建設(shè)情況，實現(xiàn)對建設(shè)實踐、設(shè)施類型、墻體結(jié)構(gòu)、骨架類型、設(shè)施面積、占地面積、所屬設(shè)施帶、育苗場、滴灌、栽培作物、生產(chǎn)管理方式、勞動力人數(shù)和菜農(nóng)人數(shù)等屬性信息的組織管理，同時提供相應的地圖定位、圖標互查、遙感影像調(diào)用、多媒體管理與專題地圖輸出功能，為領(lǐng)導決策設(shè)施農(nóng)業(yè)的布局規(guī)劃和建設(shè)管理等提供科學依據(jù)。值得一提的是，溫室種植歷史信息的搜集和整理是一項重要內(nèi)容，尤其是同期溫室信息的比較對于決策具有重要的影響，綜合區(qū)域數(shù)據(jù)庫信息以及專家的土壤信息區(qū)域決策圖和作物生長重要元素的關(guān)聯(lián)空間圖，進行科學決策[3，4]。

1.3 大田種植的物聯(lián)網(wǎng)應用平臺模式

向陽坡生態(tài)農(nóng)業(yè)科技示范園，隸屬于禹城市。禹城市在努力發(fā)展高效高品質(zhì)農(nóng)業(yè)的過程中，加速推進了信息化與農(nóng)業(yè)融合，加快了禹城市國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化試點的培育，建成了禹城市農(nóng)業(yè)信息服務平臺和農(nóng)作物遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效計量節(jié)水灌溉系統(tǒng)，探索形成了“節(jié)能、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥”和糧食增產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效（四節(jié)一網(wǎng)兩增）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式，促進了全市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和農(nóng)村管理健康快速發(fā)展?！爸腔坜r(nóng)業(yè)禹城模式”的提出為向陽坡農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展提供了較高的起點，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用模式也因此具有引領(lǐng)性。

1.3.1 大田物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的布局模式 物聯(lián)網(wǎng)涉及感知層、傳輸層和應用層，感知層包括各種類型傳感器的研發(fā)和推廣，傳輸層涉及物聯(lián)網(wǎng)自組織體系和節(jié)點的優(yōu)化配置模型，應用層涵蓋物聯(lián)網(wǎng)信息融合與優(yōu)化處理技術(shù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成服務平臺等內(nèi)容。針對大田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，監(jiān)測的合理布局對于結(jié)果的影響和效益的產(chǎn)出是非常重要的。因此優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點布局是首先要考慮的問題，分布式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點優(yōu)化、多源數(shù)據(jù)信息的融合、傳感器網(wǎng)絡(luò)布局、數(shù)據(jù)管理終端的問題以及智能環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)布局都是節(jié)點布局涉及的重要方面，農(nóng)田地塊面積的大小、傳感器節(jié)點攝像頭的數(shù)目和成套的灌溉系統(tǒng)的覆蓋面積等因素也需在布局中進行優(yōu)化[5]。

歐洲和美國精準農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點布置方面均進行了有益的探索，如通過網(wǎng)端站點和無線傳感器節(jié)點相互配合的方式進行農(nóng)業(yè)信息的實時采集、存儲其所在地點的各種土壤和環(huán)境參數(shù)，獲得包括土壤溫度、水分、空氣濕度、光照強度等數(shù)據(jù)。并把這些數(shù)據(jù)直接輸入到監(jiān)控室的計算機內(nèi)。澳大利亞悉尼大學精準農(nóng)業(yè)研究中心考慮物聯(lián)網(wǎng)在整個農(nóng)業(yè)信息化過程中的作用，針對作物和土壤信息的收集以及對氣侯變化特征、基于地理信息的展示和決策支持，對不同的土地進行不同的智能化操作。有些研究單元加強土壤—作物系統(tǒng)要素信息的如土壤、病蟲害等影響農(nóng)作物生長因素的監(jiān)控，基于“星陸雙基農(nóng)田信息協(xié)同反演技術(shù)”及時采取預防措施。

1.3.2 空間信息集成下的物聯(lián)網(wǎng)決策模式 在作物—土壤系統(tǒng)中，大田種植空間信息是一類重要的信息，進行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能決策促進了衛(wèi)星遙感技術(shù)與地面?zhèn)鞲?、無線通信技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)了實時、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測，進而實現(xiàn)了大田作物長勢、生長環(huán)境的可視化。遙感技術(shù)具有不確定性，而物聯(lián)網(wǎng)把不同的傳感器放入農(nóng)田或埋入土壤采集溫度、濕度、光照、病蟲害等信息，并構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，按照一定的頻率傳輸數(shù)據(jù)，并準確地確定發(fā)生問題的位置，實現(xiàn)了孤立機械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和RS、GIS、GPS技術(shù)相結(jié)合，進行集成應用，綜合考慮了農(nóng)業(yè)信息的時空變異性和信息獲取的智能性、有效性，提高了農(nóng)業(yè)信息的決策精度。

1.4 耦合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)空間信息平臺的構(gòu)建 圍繞大田種植生產(chǎn)中的灌溉、施肥、病蟲害防治與日常管理等主要環(huán)節(jié)，集成基于WEB、WAP、SMS和GIS的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、灌溉預報、施肥專家決策、病蟲害防治決策、信息發(fā)布等應用技術(shù)，開發(fā)大田種植業(yè)務應用系統(tǒng)，構(gòu)建大田種植的物聯(lián)網(wǎng)應用平臺是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用的重要方向之一。組裝并搭建多源農(nóng)田信息無縫集成、可視化集成平臺。通過ESRI ArcGIS Server、ArcIMS Server搭建農(nóng)業(yè)空間信息平臺，實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)裝載，M2M集成GIS平臺，并通過M2M平臺對外提供GIS服務。GIS平臺包括Web GIS和GIS Server。GIS Server作為服務端，提供地理信息服務，包括了地圖服務、要素服務、路徑搜索服務、專題圖服務等；GIS Server通過接口的形式，供各種編程語言（包括Java、VB、C++等）實現(xiàn)客戶程序調(diào)用；WebGIS包含在M2M平臺中，用來和GIS Server通信，提供地理信息相關(guān)的功能，包括地圖展現(xiàn)、地圖搜索、專題圖展示等，實現(xiàn)M2M平臺的不同功能模塊對WebGIS進行定制，提供相對應的功能。采用松耦合方式集成GIS業(yè)務，通過SOA技術(shù)實現(xiàn)GIS平臺業(yè)務集成，并對外提供GIS服務。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時收集的溫度、濕度、酸堿性和作物生長狀況等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)終端，基于空間分析技術(shù)，進行農(nóng)田信息的變異性研究并形成區(qū)域決策信息。實現(xiàn)農(nóng)田信息空間數(shù)據(jù)組織與管理、地圖編輯、多源數(shù)據(jù)集成和跨平臺等多項功能。

2 農(nóng)機和農(nóng)藝相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)應用模式

在大田環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)精準農(nóng)業(yè)技術(shù)應用模式、溫室環(huán)境感知系統(tǒng)技術(shù)應用模式系統(tǒng)中，農(nóng)機和農(nóng)藝相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)應用模式具有很好的發(fā)展前景。而農(nóng)機和農(nóng)藝相結(jié)合進行物聯(lián)網(wǎng)應用的最佳切入點就是農(nóng)業(yè)信息建模以及區(qū)域模擬。農(nóng)機的信息化，如智能設(shè)備的關(guān)鍵性參數(shù)信息以及適用范圍、農(nóng)藝過程的信息化，涉及壟作的距離、作物之間的間距以及生長性狀的動態(tài)實時信息，農(nóng)業(yè)模型不僅串聯(lián)了農(nóng)藝方面的具體參數(shù)，而且以模型的方式與農(nóng)機的智能模塊聯(lián)系在一起。農(nóng)機和農(nóng)藝結(jié)合主要體現(xiàn)在具體變量指標上，如葉面積指數(shù)（LAI）、植物冠層的葉綠素、氮含量、作物水分含量、土壤含水量等信息，農(nóng)業(yè)信息建模綜合考慮了以上具體指標，進行模擬和預測，并與農(nóng)機智能設(shè)備以及傳感器網(wǎng)絡(luò)有效鏈接，形成了智能化程度較高的農(nóng)業(yè)信息物聯(lián)網(wǎng)應用模式。因此農(nóng)業(yè)信息建模和系統(tǒng)模擬針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)象、過程進行模擬，把農(nóng)機裝備的信息化參數(shù)和農(nóng)藝生長性狀變量進行有限的銜接和融合，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的農(nóng)業(yè)設(shè)備、農(nóng)藝性狀變量模擬的智能化。

參 考 文 獻：

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