智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

韓子鑫，齊瑞鋒，楊文挺

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林長春 130021）

嚴格意義上講智慧農(nóng)業(yè)屬于農(nóng)業(yè)信息化的范疇，其以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，將整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)視為一個有機整體，將信息技術(shù)融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準化種植、可視化管理及智能化決策，可以說智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。

1 智慧農(nóng)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

智慧農(nóng)業(yè)是一種新型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)形態(tài)，其利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、3S等信息技術(shù)實現(xiàn)了整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能控制，智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)了精準化種植。其“智慧”的內(nèi)涵體現(xiàn)在兩個層面，一方面智慧農(nóng)業(yè)以科技創(chuàng)新為基礎(chǔ)，科技的進步促進農(nóng)業(yè)各產(chǎn)業(yè)要素的變革及結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從而促進智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展；另一方面，智慧農(nóng)業(yè)又以人文創(chuàng)新為主要動力，人文創(chuàng)新的理念體現(xiàn)在低耗、環(huán)保、以人為本等方面。由此可見，智慧農(nóng)業(yè)不僅體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)的智能優(yōu)勢，還體現(xiàn)了人類發(fā)展的智慧。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種“物-物”短距離無線自組織網(wǎng)絡(luò)，其通過智能傳感、射頻識別、激光掃描、GPS、遙感等技術(shù)實現(xiàn)物品與互聯(lián)網(wǎng)的連接，其最終目的是實現(xiàn)物與物、人與人、人與物之間的信息交互傳播?？梢哉f智慧農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促使智慧農(nóng)業(yè)向著更加高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)的方向發(fā)展。

2 智慧農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

目前在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾種：

2.1 Wifi技術(shù)

Wifi是將電子設(shè)備連接到局域網(wǎng)的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，支持多種電子設(shè)備的無線上網(wǎng)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸。Wifi技術(shù)在封閉的室內(nèi)空間內(nèi)可獲得100 m左右的輻射范圍，空曠的室外甚至可達200 m。在智慧農(nóng)業(yè)中，Wifi技術(shù)不僅要感知信息，還要傳輸信息，智能傳感器通過Wifi技術(shù)收集到各類信息，再利用Wifi技術(shù)進行信息交換及傳輸，由此可見，Wifi技術(shù)是支持智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)。

2.2 RFID技術(shù)

RFID即射頻識別技術(shù)，其主要通過無線電訊號感知監(jiān)測目標(biāo)，并記錄下監(jiān)測數(shù)據(jù)，其適用于短距離的信息傳輸與識別。RFID技術(shù)包括應(yīng)答器、閱讀器、軟件處理系統(tǒng)三個部分，其具有強大的數(shù)據(jù)記憶容量，且耐久性高、抗污染能力強、掃描迅速，故在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。閱讀器檢測到監(jiān)測目標(biāo)的信號后通過天線散發(fā)射頻信號，軟件系統(tǒng)在接收信號后對其進行處理，再將處理信息反饋至閱讀器，閱讀器再次接受頻率信號再進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的控制。

2.3 傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

所謂傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即傳感器集成的網(wǎng)絡(luò)，其包括集成傳感器、數(shù)據(jù)處理單位部件、通信部件等，實際工作中其隨機分布于需要采集信息、傳輸信息的區(qū)域，從而形成互相聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在傳感網(wǎng)中分布大量的節(jié)點，其具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，傳感網(wǎng)中由于節(jié)點密集、分布隨機，故要求其具備一定的能量存儲功能，以保證其正常運行，目前常用的是太陽能或風(fēng)能系統(tǒng)。從某種程度上講，傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中信息感知層、傳輸層、應(yīng)用層的連接均是通過傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)的，最終實現(xiàn)物與物、人與物的連接以及信息的交換與傳輸。

3 智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)農(nóng)作物種植環(huán)境實時、動態(tài)、多尺度、多維度的信息采集，并以種植專家知識系統(tǒng)為基礎(chǔ)對農(nóng)作物種植中的灌溉、施肥、病蟲害防治等環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動控制。本研究提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧大棚系統(tǒng)，具體如下：

3.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

智慧大棚系統(tǒng)要求對大棚中的大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、農(nóng)作物生長狀態(tài)及人員出入等情況做出全天候監(jiān)控，并通過寬帶網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)大棚群的大范圍監(jiān)測與管理。其主要包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個層面，其中感知層的主要作用是實時獲取前端感知信息，實時監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境信息；傳輸層主要將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；應(yīng)用層則對接受到的信息進行處理、存儲，并生成各種報告，根據(jù)設(shè)定閥值提出告警提示等。具體結(jié)構(gòu)方面，整個智慧大棚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括大棚環(huán)境感知子系統(tǒng)、實時監(jiān)控子系統(tǒng)、寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)等，其中大棚感知系統(tǒng)主要通過傳感器實現(xiàn)棚內(nèi)溫濕度、一氧化碳、二氧化碳、光照強度等參數(shù)的監(jiān)測，并對土壤的溫濕度、pH值等進行監(jiān)控。視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)主要通過無線高清視頻監(jiān)控技術(shù)來實現(xiàn)，每個智慧大棚均是一個系統(tǒng)子單元，通過無線寬帶網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心再對數(shù)據(jù)進行處理、顯示、反饋控制等。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

3.2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

本研究提出的智慧大棚系統(tǒng)中，環(huán)境感知模塊的監(jiān)測對象包括棚內(nèi)的大氣環(huán)境及土壤環(huán)境，主要通過一種自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，其基于ZigBee協(xié)議，具有傳輸功耗低、傳輸速率低、成本低的優(yōu)勢，主要包括感知節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點，感知節(jié)點上所感知到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多條傳輸途徑匯至協(xié)調(diào)器節(jié)點，再向上層系統(tǒng)傳輸，最終實現(xiàn)大棚環(huán)境的實時監(jiān)測。在大棚內(nèi)隨機設(shè)置多個各種類型的傳感器，可以實現(xiàn)濕度、溫度、光照度、氣體濃度、土壤pH值的監(jiān)測；此外，該系統(tǒng)中還增加了若干個與感知節(jié)點功能類似的智能水泵控制節(jié)點，不過其傳感器模塊由兩路工業(yè)級繼電器開關(guān)控制模塊取代，在可感知棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)的變化后，通過水泵的啟停實時調(diào)整土壤的溫濕度。

3.2.2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)

本研究中無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用Mesh網(wǎng)絡(luò)，其包括Wifi技術(shù)、自組網(wǎng)技術(shù)，可迅速實現(xiàn)無線覆蓋，實現(xiàn)高性能、高速度的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，具有較好的抗干擾性及穿透能力，且傳輸距離更具優(yōu)勢，可以滿足較高的環(huán)境要求，可實現(xiàn)無線視頻圖像監(jiān)控、IP視頻會議、視頻電話等多種功能。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)包括無線Mesh設(shè)備、蓄電池、太陽能供電系統(tǒng)三個部分，傳感網(wǎng)采集到信息后匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器與Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信，每個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)及圖像信息后將其直接傳輸至數(shù)據(jù)中心；而數(shù)據(jù)中心再通過Mesh網(wǎng)絡(luò)向各控制節(jié)點發(fā)送控制及配置指令。值得一提的是Mesh網(wǎng)絡(luò)無需大規(guī)模的建設(shè)基站，也無需精細的規(guī)劃及位置選擇，故網(wǎng)絡(luò)覆蓋靈活性強，適用于偏遠地區(qū)的、大范圍的農(nóng)業(yè)大棚集群管理。

3.2.3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

智慧大棚的視頻監(jiān)控模塊包括無線智能攝像頭、視頻數(shù)據(jù)分析處理及終端信息系統(tǒng)等三個部分，其中無線智能攝像頭可360度水平連續(xù)旋轉(zhuǎn)、90度垂直旋轉(zhuǎn)，具有防雷、防浪涌等室外防護能力，在不同的室外工作溫度環(huán)境中支持分級管理，可更好的適應(yīng)大棚內(nèi)外的工作環(huán)境。在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，一個管理人員需要監(jiān)視多路視頻，由于其工作負擔(dān)大、需要管理的范圍廣，很容易出現(xiàn)疏漏，甚至?xí)e過最佳的事故處理時機；并且傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在大量未經(jīng)處理的視頻原始數(shù)據(jù)，很多都是無用的片段，不僅占用了大量的存儲空間，而且事后查詢歷史視頻也較困難。而智能視頻監(jiān)控不僅大大提高了視頻監(jiān)控的時效性及可靠性，而且減少了人工監(jiān)控管理的工作量，改善了工作效率及效果。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理模塊是整個智慧大棚系統(tǒng)的信息處理中心，其包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻應(yīng)用服務(wù)器、信息交換設(shè)備等硬件部分，以及各種應(yīng)用系統(tǒng)組成的軟件部分。具體組成包括系統(tǒng)配置管理模塊、感知數(shù)據(jù)存貯及處理模塊、監(jiān)控視頻存儲及處理模塊、報表處理模塊、信息遠程服務(wù)模塊等。系統(tǒng)可針對不同的用戶設(shè)置對應(yīng)的管理權(quán)限，通過系統(tǒng)配置及管理模塊設(shè)置大棚感知信息處理指令，調(diào)整視頻監(jiān)控及無線寬帶網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，保證系統(tǒng)正常的存儲感知數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)，還可進行數(shù)據(jù)的實時存貯及隨機檢索調(diào)用；此外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還要根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果向各子系統(tǒng)發(fā)送控制信息，包括水泵的啟停、溫濕度的調(diào)控、病蟲害防治的告警信息等，針對各種感知信息生成處理圖表、打印報表。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備移動終端訪問功能，用戶可以通過智能手機、平板電腦、筆記本電腦等移動智能設(shè)備隨時、隨地的獲取大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，大大提高了管理控制的靈活性。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)經(jīng)過測試，可利用物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控技術(shù)等實現(xiàn)對棚內(nèi)大氣環(huán)境、土壤環(huán)境的實時監(jiān)測，便于種植管理人員及時掌握大棚的種植環(huán)境，大大提高了農(nóng)業(yè)種植的科學(xué)化程度。并且該系統(tǒng)擴展性良好，根據(jù)種植環(huán)境監(jiān)測需要可擴充感知節(jié)點及控制節(jié)點，并可豐富檢測指標(biāo)的種類，從而最大程度上實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚的智能化、集群化管理。

4 結(jié)語

總之，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，在“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”這一先進理念的指導(dǎo)下，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展進程也在不斷加快，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展、促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著集約化、科學(xué)化、標(biāo)準化、信息化發(fā)展的重要途徑?？梢哉f物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的革命性技術(shù)，也是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，其在Wifi技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)的支持下，幫助農(nóng)民解決了諸多生產(chǎn)中遇到的實際問題，有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率及效益。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然存在著一些尚未克服的技術(shù)難題與應(yīng)用難題，但是相信隨著時代的發(fā)展，這些問題必將迎刃而解，以促進我國智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]蘭峰，鐘志宏，楊眉，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與推廣[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2016（15）：76-77.

[2]張珊珊．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在“智慧農(nóng)業(yè)”中的應(yīng)用及模式探研[J].浙江傳媒學(xué)院學(xué)報，2016（1）：15-19.