農業(yè)物聯網在農業(yè)科技園區(qū)中的建設及示范作用

陳青奇，陳柏杰，門萬杰，雷 娜

（哈爾濱市農業(yè)科學院，黑龍江 哈爾濱 150029）

哈爾濱市農業(yè)科學院是哈爾濱市一所集“農、科、教”與“產、學、研”于一體的綜合性農業(yè)院所，所建“北方都市農業(yè)示范園區(qū)”展示了哈爾濱市現代農業(yè)發(fā)展先進水平。近年來，為提升其科技園區(qū)信息化、智能化及高效科技園區(qū)管理水平，融入了農業(yè)物聯網技術。農業(yè)物聯網的引入和建設極大提高了農業(yè)生產和科研管理水平，展示了現代農業(yè)工程裝備傳統(tǒng)農業(yè)的巨大優(yōu)勢和生產潛力，也為哈爾濱市農業(yè)發(fā)展起到引領示范作用。

1 物聯網簡介

所謂物聯網，是一個基于互聯網、傳統(tǒng)電信網和傳感網等信息承載體，使所有普通物理對象能夠通過信息傳感設備與互聯網連接起來，進行計算、處理和知識挖掘，實現智能化識別、控制、管理和決策的智能化網絡[1-2]。

物聯網從20世紀90年代開始興起，當前在國際上備受關注，涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域[3-4]。自美國麻省理工學院（MIT）自動識別中心（Auto-ID Center）教授凱文·艾什頓（Kevin Ashton）于1999年首次提出物聯網（Internet of Things, IOT）概念以來，美國、歐盟、日本、韓國、中國等國家和地區(qū)高度重視物聯網技術的發(fā)展和應用，紛紛將其納入產業(yè)發(fā)展規(guī)劃或政策支持范圍，并將其視為全球經濟新的增長點[5]。物聯網綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡、無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算世界和人類社會三元世界的連通。

農業(yè)物聯網是物聯網技術在農業(yè)領域的應用，通過應用各類傳感器設備和感知技術，采集農業(yè)生產、農產品流通以及農作物本體的相關信息，通過無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網進行信息傳輸，將獲取的海量農業(yè)信息進行數據整理、加工、融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現農業(yè)產前、產中、產后的過程監(jiān)控、科學決策和實時服務[6]。農業(yè)物聯網與云計算技術融合，配合智能決策模型和反饋控制系統(tǒng)，可以實現病蟲害的遠程診斷、監(jiān)控預警，指揮決策遠程水、肥、藥、餌智能投放等功能[7]，有效提升農業(yè)生產智能化和精細化程度。

在中國，物聯網技術在設施農業(yè)和園藝種植方面得到高效應用，在畜禽和水產養(yǎng)殖方面快速發(fā)展，在農業(yè)電子商務與農產品質量監(jiān)管方面得到普及推廣應用，在大田生產監(jiān)測管理方面還處于試點起步階段，在農業(yè)智能化信息服務方面仍處于探索階段。

2 農業(yè)物聯網在科技園區(qū)中的建設

目前的控制系統(tǒng)通常采用有線的方式與前端設備交換數據。采用有線的方式布線困難、造價高，特別是農業(yè)生產環(huán)境現場復雜、濕度大、侵蝕強，使得系統(tǒng)工作不可靠，維護成本高。針對農業(yè)示范基地監(jiān)測對象多、管理范圍大的特點，探索出了一種基于物聯網技術的自動數據采集與控制系統(tǒng)，針對具體環(huán)境特點，設計系統(tǒng)的通信架構，開發(fā)專用的數據傳輸協(xié)議，不僅解決了布線的可靠性、建設和維護成本問題，系統(tǒng)還兼有較強的靈活性和可擴展性。

2.1 系統(tǒng)整體架構

建立面向精準農業(yè)的“基于物聯網技術的農業(yè)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)及示范應用系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以將無線傳感器節(jié)點分布在被監(jiān)測區(qū)域內，節(jié)點定時采樣環(huán)境數據，如環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、土壤成分、土壤pH、水溫、空氣濕度和氣壓、光照強度、CO2濃度、氨氣濃度、果實大小等信息，并通過傳感器網絡將采樣數據傳輸至中央平臺，中央平臺實現對采樣數據的查詢、分析與挖掘等處理。當出現異常情況時，能夠及時向用戶預警，通過監(jiān)測的歷史數據為管理者和生產者提供決策的依據。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯拓撲結構

建立的農業(yè)示范基地需要對溫室大棚、魚塘、果園、畜牧養(yǎng)殖場、水田、旱田等的多個指標和狀態(tài)進行監(jiān)測，針對監(jiān)測對象的特點，建立了多條無線傳輸鏈路，采用分區(qū)進行控制。

2.3 系統(tǒng)采用的主要技術

2.3.1 兩級分層的無線網絡通信技術

信號傳輸是無線傳感網絡控制系統(tǒng)的關鍵技術之一，傳統(tǒng)方案中普遍采用總線方式進行通信。由于農業(yè)示范基地應用環(huán)境中存在通信范圍大、環(huán)境惡劣，有線互聯存在線路腐蝕老化、接觸不良、施工和檢修困難等弊端，采用無線通信可有效避免線路失效引起的問題，節(jié)省布線和施工成本，并具有極強的可靠性和靈活性。本系統(tǒng)針對智能農業(yè)應用的環(huán)境特點，設計了兩級分層的無線通信網絡。

2.3.2 高性能多級冗余數據采集和控制技術

傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)雖然能夠滿足多數工業(yè)現場控制的需要，但存在數據吞吐量和信息存儲能力有限、接口不夠豐富、對接口板卡通訊故障容忍性差等問題。隨著處理技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)難以滿足未來控制系統(tǒng)調控信息化、網絡化的需求。本項目自主開發(fā)了ARM9架構的多級冗余嵌入式數據采集控制系統(tǒng)，提高了智能農業(yè)示范基地控制系統(tǒng)信息處理能力，增強了控制的可靠性。

2.3.3 基于多元組合工藝的監(jiān)控軟件架構技術

傳統(tǒng)的組態(tài)軟件實質為二次開發(fā)平臺，開發(fā)簡單，但靈活性差，算法單一。隨著監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，不僅需要數據采集和監(jiān)控，還需要結合整體工藝流程進行工藝優(yōu)化，傳統(tǒng)的組態(tài)軟件難以實現對全流程工藝調整和優(yōu)化，與無線通信協(xié)議兼容性不好，軟件費用成本高，難以滿足智能農業(yè)控制的需求。

針對目前組態(tài)軟件存在的問題，自主開發(fā)了一套面向農業(yè)環(huán)境智能監(jiān)測的軟件控制模塊庫。組合已有的工藝流程模塊，能夠快速完成農業(yè)生產、研究監(jiān)控軟件的開發(fā)。針對特定的應用，通過參數化已有的多元流程模塊，可靈活地完成農業(yè)監(jiān)控自動化工藝的控制功能。組合產生的軟件具有實時監(jiān)控、遠程控制和數據管理等功能，能夠實現復雜的控制策略，并具有高度的可擴展性。該軟件具有成本低、靈活性高、移植性好的特點。軟件采用三層C/S架構，通過客戶端和服務器分離的策略，支持多客戶端同時操作，可以靈活地滿足不同用戶的需求，提升了農業(yè)的數字化和信息化水平。在數據層，采用數據雙向同步機制，保證了無線數據的實時性和可靠性，通過對數據的多節(jié)點冗余備份，提高了水廠數據的存儲可靠性（該部分工作已經申請發(fā)明專利1項，獲得軟件著作權1項）。

2.3.4 基于公共密鑰架構和分布式門限簽名的網絡安全方案

不同于一般的民用無線系統(tǒng)，智能農業(yè)示范基地的控制系統(tǒng)必須要保證無線網絡通信的安全性。本項目提出了一種基于公共密鑰架構和分布式門限加密的網絡安全算法，解決了系統(tǒng)無線網絡的安全問題。

3 農業(yè)物聯網在科技園區(qū)中的示范作用

隨著科技的發(fā)展及現代農業(yè)水平的不斷提高，多學科集中裝配包裝農業(yè)，使得農業(yè)科技含量越來越高，科技園區(qū)的示范不能停留在沒有物聯網的時代，相反，物聯網技術更使得農業(yè)科技園區(qū)具有可操控性，從而提高效率和管理水平。

3.1 提高生產效率

科技園區(qū)智能模塊決策用于植物種植、家畜飼養(yǎng)等，極大提高了生產管理水平，避免了生產技術失誤。精準喂養(yǎng)，精準灌溉，精準農藥、化肥使用，減少了能源浪費，降低了生產成本。物聯網的信息傳輸實現了人的在場解放，并減少生產管理人員數量，減少了人員開支。

3.2 提高產品質量，保護生態(tài)環(huán)境

農業(yè)物聯網使得農業(yè)生產和管理精確可控：動植物在良好的環(huán)境和生長狀態(tài)下生長，肥料、農藥、飼料添加劑符合農業(yè)生產規(guī)范，而且農產品整個生產過程可以溯源，從而為農產品質量安全檢測增加了一層保障和可信度，還在提高品質的同時，增加了推廣宣傳砝碼。

農業(yè)物聯網技術改變了過去基于傳統(tǒng)經驗的農業(yè)生產管理方式，通過精確、科學的數字化控制手段進行農業(yè)生產和管理，可以有效控制灌水和化肥用量，避免引起土壤板結、鹽漬化，地下水污染。農業(yè)物聯網的使用，可以創(chuàng)造農業(yè)小氣候，提高動植物抗病能力，減少農藥使用量和使用次數，從而減輕農藥對環(huán)境的污染。依據農業(yè)物聯網強大數據存儲平臺，建立智能專家?guī)?，總結園區(qū)小氣候變化規(guī)律，調查病蟲害發(fā)作規(guī)律，可有效地進行動植物管理，減少生產中燃煤污染及農藥使用，從而建立生態(tài)農業(yè)園區(qū)，保護生態(tài)環(huán)境。

3.3 促進科技創(chuàng)新

農業(yè)物聯網平臺的構建，便于科研人員節(jié)省時間，不再將大量時間應用在傳統(tǒng)栽培技術環(huán)節(jié)，而是全身心投入到動植物育種技術、分子生物學技術、栽培創(chuàng)新、園林園藝規(guī)劃設計、觀光園區(qū)創(chuàng)新發(fā)展上。由于物聯網智能決策，有助于減少科研的失誤和誤差，便于多出、早出成果。物聯網節(jié)省人力、物力、財力，便于將有限的科研經費應用到無止境的科技創(chuàng)新工作中。

3.4 便于科技園區(qū)人員管理

科技園區(qū)主要包括動植物種養(yǎng)、科學研究、旅游觀光、現代農業(yè)示范，分工比較雜、細，若要管理精準到位，首先要求每個人有很強的責任感，因為動植物管護需要精細的飼養(yǎng)和栽培技術，其次，科技創(chuàng)新、園區(qū)觀光和現代農業(yè)示范建設在高水平種養(yǎng)基礎上才能更好地推動創(chuàng)新，因而，農業(yè)物聯網平臺的搭建，能讓管理者有了抓手，能夠實時監(jiān)控和監(jiān)督檢查科技人員對種養(yǎng)是否管理到位，如果種養(yǎng)失誤，則可以通過物聯網存儲系統(tǒng)找到失誤原因，責任到人，進行獎罰評聘，從而提高科技園區(qū)人員管理水平，實現管理上的可追溯性。

[1] International Telecommunication Union.The Internet of Things[R].Geneva:ITU,2005.

[2] 工業(yè)和信息化部電信研究院.物聯網白皮書[R].北京:工業(yè)和信息化部電信研究院,2011.

[3] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009,23(12):1-7.

[4] 劉強,崔莉,陳海明,等.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學,2010,37(6):1-4,10.

[5] 張宇,張可輝,嚴小青.農業(yè)物聯網架構應用及社會經濟效益[J].農機化研究,2014(10):1-5.

[6] 陳曉華.農業(yè)信息化概論[M].北京:中國農業(yè)出版社,2012.

[7] 呂連生.農業(yè)物聯網發(fā)展大趨勢與安徽省對策研究[J].科技創(chuàng)新與生產力,2013(2):4-8.