物聯(lián)網(wǎng)在精準農(nóng)業(yè)中的應用研究

李愛軍，李晉瑤

（襄陽職業(yè)技術(shù)學院， 湖北 襄陽 441050）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新科技的代表，給各行各業(yè)的發(fā)展帶來了許多的便利。作為農(nóng)業(yè)大國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)方面的應用有著廣闊的前景。物聯(lián)網(wǎng)的應用加快了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程，提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，促進了農(nóng)產(chǎn)品流通，同時也降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，保障了農(nóng)民的經(jīng)濟利益。本文主要對物聯(lián)網(wǎng)在精準農(nóng)業(yè)中的應用進行了研究。

21世紀的今天，我國在農(nóng)業(yè)信息化方面發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平也因此獲得了極大的提升。但我國地域十分廣闊，各地區(qū)的土壤情況、氣候等外部條件存在著很大差異，在農(nóng)業(yè)建設方面仍然存在著很多缺漏之處和亟待解決的問題。因此必須加強在精準農(nóng)業(yè)方面的研究，對我國的農(nóng)業(yè)資源進行更為合理的利用以及科學的管理。

一、物聯(lián)網(wǎng)在精準農(nóng)業(yè)中的應用概述

所謂的精準農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，我們可以將之看作是一種以獲取的信息為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。精準農(nóng)業(yè)的主要原理是利用包括傳感器在內(nèi)的各種監(jiān)測技術(shù)來獲取農(nóng)業(yè)方面的各種必要數(shù)據(jù)，從而判斷出影響農(nóng)作物生長的環(huán)境因素、地理因素，對之作出合理的管理，并對作物的投入和作業(yè)進行量化控制，最終達到減少投入成本、提高單位產(chǎn)量、保護環(huán)境、提高農(nóng)民收入的目的。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為其中極為重要的組成部分幾乎可以說是不可或缺的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應用前景。

根據(jù)我國在精準農(nóng)業(yè)研究示范基地進行的實驗，在應用了精準農(nóng)業(yè)管理之后，示范區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益都有著15%左右的提升，除此之外還顯著降低了設施成本和人力資源成本等。由此可以看出，精準農(nóng)業(yè)能夠廣泛提升農(nóng)業(yè)效益。

在我國，目前對精準農(nóng)業(yè)的研究和應用主要集中在土壤墑情監(jiān)測、氣象監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品溯源、農(nóng)產(chǎn)品物流、動植物生態(tài)信息監(jiān)測等幾個方面?？傮w來說，精準農(nóng)業(yè)在我國的應用可以概括為農(nóng)情監(jiān)測和精細化控制兩大方面，在此主要對農(nóng)情監(jiān)測這一部分做重點介紹。

目前我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測領(lǐng)域的應用主要采取了以下兩種模式：一是采集農(nóng)作物生長地域的地理環(huán)境信息。簡單來說，就是將包括土壤類型、地形地質(zhì)、PH值、地下水分布、有機質(zhì)含量等一系列的重要資料輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過對這些信息的分析和處理，對農(nóng)作物進行定位定量的灌溉和施肥。這一方式投入較小，但相對來說缺乏應變性。二是將信息技術(shù)與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械設施結(jié)合起來，每日通過農(nóng)情監(jiān)測技術(shù)對動態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，從而制定一套行之有效的精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。相對而言這一模式投入較高，但對突發(fā)性事件有著顯著的應對能力。[1]本文所介紹的土壤墑情系統(tǒng)所采取的就是這種方式。

由于我國的水資源分布不均，人均水資源儲存量也很低，很多地方沙漠化嚴重，根本無法進行蓄水工作。作為以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)大國，我國的農(nóng)業(yè)用水量占據(jù)了總用水量的70%。為了最大化地避免水資源的損失，避免土壤失墑現(xiàn)象，應當對農(nóng)作物的生長情況進行合理的控制，對土壤墑情進行科學監(jiān)測。土壤墑情系統(tǒng)可以對土壤中的水含量進行有效、準確的分析，從而判斷進行灌溉的合理時機，還能夠根據(jù)不同地域的土壤類型、氣象類型、灌溉水源、作物類型等進行不同的應對。

二、農(nóng)業(yè)土壤墑情系統(tǒng)基本原理和結(jié)構(gòu)分析

農(nóng)業(yè)土壤墑情系統(tǒng)的基本原理是在具有代表性的地域建設具備自動采集土壤含水量、地下水位、降雨量等信息功能的監(jiān)測點，將所得到的信息進行傳輸，將系統(tǒng)中的灌溉預報軟件結(jié)合實時監(jiān)控到的信息進行分析和再處理，從而獲得最佳的灌溉時間、灌溉水量及相應的節(jié)水措施，最終達到節(jié)約水源、提高農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。

在基本結(jié)構(gòu)上，本系統(tǒng)主要由軟件平臺和硬件平臺兩部分構(gòu)成；從功能上看包括了數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)接收及存儲、數(shù)據(jù)分析挖掘、遠程監(jiān)控管理五大模塊。系統(tǒng)將包括土壤類型、地形地質(zhì)、PH值、地下水分布、有機質(zhì)含量在內(nèi)的一系列重要資料進行分析處理，實現(xiàn)了對土壤墑情實時的監(jiān)控管理。

系統(tǒng)的硬件平臺主要由傳感器、交換機、路由器等網(wǎng)絡設備和終端服務器等構(gòu)成，主要負責數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、發(fā)送以及數(shù)據(jù)的遠程傳輸。信息的采集和發(fā)送模塊通過網(wǎng)絡通信技術(shù)、傳感技術(shù)等對土壤資料進行實時準確的獲取，并將結(jié)合圖片、視頻等其他數(shù)據(jù)一并傳輸、存儲入數(shù)據(jù)庫服務器。[2]

系統(tǒng)的軟件平臺集成數(shù)據(jù)采集、接收、分析、處理、監(jiān)控管理為一體，綜合了五大模塊。數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊主要負責信息采樣，并利用以ARM為代表的處理器進行基本的處理以及網(wǎng)絡傳輸。數(shù)據(jù)接收存儲模塊則集成了運行在WEB服務器上的一系列應用軟件，利用B|S（瀏覽器|服務器）和C|S（客戶端|服務器）的技術(shù)架構(gòu)，基于微軟公司的.NET平臺，采用C語言和ASP技術(shù)等將所獲取的數(shù)據(jù)和圖像存儲入服務器端的數(shù)據(jù)庫中，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析挖掘提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控管理模塊主要負責對存在于數(shù)據(jù)庫內(nèi)的采集到的海量數(shù)據(jù)進行篩選，結(jié)合土壤的各項關(guān)鍵指標對數(shù)據(jù)進行分析挖掘，在生成統(tǒng)計結(jié)果的同時通過計算機、LED電子屏幕、智能設備等終端設備以表格、圖形、文字等各種方式清晰明朗地展示給用戶，從而達到智能判斷、實時預警、遠程監(jiān)控的目的。[3]

三、農(nóng)業(yè)土壤墑情系統(tǒng)功能模塊分析

農(nóng)業(yè)土壤墑情系統(tǒng)主要的功能模塊分為數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收分析模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊三個部分。[4]

（一）數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊

農(nóng)田土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對土壤的含水量進行分析，從而判斷灌溉時機和灌溉量，達到節(jié)水和合理灌溉的目的。這一功能必須通過對土壤數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)控來實現(xiàn)。由于資金、技術(shù)、人力等方面的限制，該系統(tǒng)在實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控的同時還應盡可能地滿足監(jiān)測范圍大、數(shù)據(jù)精度高、成本低的要求。

數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊主要通過無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network——簡稱WSN）來實現(xiàn)。其基本原理是將按照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求，利用GSM網(wǎng)絡載體所采集到的包括土壤含水量、地下水位、降雨量、土壤PH值等在內(nèi)的信息連同網(wǎng)絡監(jiān)控攝像頭等所獲取的圖像和視頻等可視化信息一并發(fā)送至遠程監(jiān)控中心。

為了便利地實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)傳輸和共享，可以采取ARM控制器網(wǎng)絡通信模塊與Internet進行對接，并對移動通信網(wǎng)、無線節(jié)點、ADSL等多種網(wǎng)絡通信技術(shù)擇優(yōu)使用，從而保證在不同情況下數(shù)據(jù)的有效、穩(wěn)定、可靠傳輸。同時還應保證信息的安全性，防止因電源故障或自然災害等造成的信息中斷。

（二）數(shù)據(jù)接收分析模塊

數(shù)據(jù)接收分析模塊主要負責對傳輸而來的數(shù)據(jù)進行分析和簡單的處理。其具備的功能主要有：實時數(shù)據(jù)的接收和處理、數(shù)據(jù)管理和信息發(fā)布、基本信息查詢、實時信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)庫管理、土壤墑情分析、農(nóng)事調(diào)控建議、農(nóng)作物產(chǎn)量預測等。

系統(tǒng)接收模塊負責對采集發(fā)送模塊中傳輸而來的信息進行接收。系統(tǒng)分析模塊則根據(jù)接收到的信息生成土壤墑情報告，進行趨勢分析，建立起評估系統(tǒng)，為旱澇分析、施肥量、灌溉決策等提供依據(jù)；還可以進一步地建立起農(nóng)作物產(chǎn)量預測分析系統(tǒng)，提出農(nóng)事建議和調(diào)控措施；同時還能夠根據(jù)土壤墑情的變化趨勢分析出可能發(fā)生的旱澇災害的時間、等級、面積等，為農(nóng)民提供決策依據(jù)和相應的對策。

（三）數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端存在，其功能主要有數(shù)據(jù)的可視化分析、數(shù)據(jù)的多平臺應用、數(shù)據(jù)分析決策、對數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控管理等。

該模塊可以提供數(shù)據(jù)的查詢功能，并且能夠?qū)⒉樵兘Y(jié)果以直觀的形式展現(xiàn)給用戶。用戶可以采用計算機、LED電子屏幕、智能移動設備等多種形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和獲取。同時該模塊還為這些設備提供能夠訪問中心服務器的接口和規(guī)范，迅捷高速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺調(diào)用。還能將所獲取的數(shù)據(jù)以及分析獲得的結(jié)果以諸如報表、專題圖等形式清晰明朗地顯示出來，以供用戶使用，為其農(nóng)業(yè)決策提供參考。

［1］刑曉江,王建立,李明棟.物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務及關(guān)鍵技術(shù)[J].中興通訊技術(shù)，2010（4）：26-28.

［2］王樂燕,袁莉青.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其發(fā)展前景[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2013（12）：54-57.

［3］邵曰攀.物聯(lián)網(wǎng)應用[J].經(jīng)濟視野，2013（7）：76-79.

［4］聶洪淼.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用的研究與設計[J].自動化技術(shù)與應用，2012（10）：52-53.