智慧農(nóng)業(yè)工程中的物聯(lián)網(wǎng)、算法分析及設(shè)計技術(shù)＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

智慧農(nóng)業(yè)工程中的物聯(lián)網(wǎng)、算法分析及設(shè)計技術(shù)＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

（石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

物聯(lián)網(wǎng)是一種通過智能傳感器無線連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實際部署的場景，智能傳感器配備了各種傳感和監(jiān)測參數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、汽車工業(yè)、交通運輸、醫(yī)院等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中使用物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計技術(shù)，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，并改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)可以對農(nóng)產(chǎn)品全生命周期進(jìn)行實時監(jiān)測。目前基于物聯(lián)網(wǎng)的收獲預(yù)測的技術(shù)已逐步完善，但物聯(lián)網(wǎng)及算法分析及設(shè)計方面的高層次人才相對較少。重點研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)一步培養(yǎng)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及算法分析及設(shè)計方面的高層次人才，并提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；水肥一體化；電子郵件；即時通信

1 互聯(lián)網(wǎng)的定義

互聯(lián)網(wǎng)是互連計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的全球系統(tǒng)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用因特網(wǎng)協(xié)議鏈接全球數(shù)十億個設(shè)備。如今，全球超過46%的人口使用互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)對文化和商業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響，包括電子郵件、即時消息、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音電話、雙向互動視頻電話、社交網(wǎng)絡(luò)和在線購物站點、即時通信等。而且，因特網(wǎng)連接已成為許多業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的規(guī)范，如今已成為許多企業(yè)工業(yè)和消費產(chǎn)品中不可或缺的組成部分。然而，因特網(wǎng)的使用仍然主要集中在通過應(yīng)用程序和界面進(jìn)行人機(jī)交互。

2 物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的熱門話題。物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)模式，它是一種基于標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的可唯一尋址的物物互聯(lián)全球網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，所有的物理對象都可以使用唯一的編碼標(biāo)記來通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相互通信。在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中，傳感器和執(zhí)行器將直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而使大量的新服務(wù)和軟件應(yīng)用成為可能。物聯(lián)網(wǎng)是因特網(wǎng)的下一階段，物理設(shè)備也能夠相互連接。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。迄今為止，全世界已經(jīng)部署了大約50億個智能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)通過集成物理設(shè)備并使其通信來實現(xiàn)不同功能的互聯(lián)。智能家居、智能汽車、智能醫(yī)療、智慧城市都屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇。幾乎任何設(shè)備都可以經(jīng)過智能化改造連接到物聯(lián)網(wǎng)，例如智能手表、智能眼鏡、智能電表和智能制造設(shè)備等。在物聯(lián)網(wǎng)中，每個設(shè)備都是唯一可識別的，配備了傳感器并實時連接到互聯(lián)網(wǎng)。在未來，物聯(lián)網(wǎng)將深刻影響消費者和企業(yè)行為。物聯(lián)網(wǎng)的功能還擴(kuò)展到了對指定對象的監(jiān)測和識別。物聯(lián)網(wǎng)可以使用傳感器和執(zhí)行器對農(nóng)產(chǎn)品和土壤環(huán)境等進(jìn)行遠(yuǎn)程識別、監(jiān)測和控制。

為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實世界的融合，并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，研究人員在低功耗無線個人終端上做了大量研究工作。在傳輸過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由后，可由多個節(jié)點進(jìn)行處理，傳輸?shù)竭_(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分之一。傳感器節(jié)點的硬件一般包括電源和電源管理模塊、傳感器、微控制器和無線收發(fā)器四部分。電源模塊提供系統(tǒng)所需的可靠電源。傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的紐帶，它可以獲取環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)。傳感器負(fù)責(zé)將光、振動、化學(xué)等信號采集并轉(zhuǎn)換成電信號，再傳輸?shù)轿⒖刂破?。微控制器從傳感器接收?shù)據(jù)并相應(yīng)地處理數(shù)據(jù)，無線收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)，從而達(dá)到通信的物理實現(xiàn)。

3 智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)的歷史可以追溯到幾千年前。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在過去幾年中開始成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新趨勢。物聯(lián)網(wǎng)能夠監(jiān)測有關(guān)收獲的作物數(shù)據(jù)與環(huán)境。作物統(tǒng)計指標(biāo)數(shù)據(jù)可從物聯(lián)網(wǎng)決策支持系統(tǒng)中獲取。通過加強農(nóng)業(yè)預(yù)測支持?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)，未來農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量將可以進(jìn)行實時預(yù)測。通過對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，并更準(zhǔn)確地收集設(shè)備上的數(shù)據(jù)，未來能夠設(shè)計更有效的農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)。利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，能夠通過定期檢測來預(yù)測作物的生長。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系正在為農(nóng)業(yè)建設(shè)作出貢獻(xiàn)。信息化系統(tǒng)包括傳感器和追蹤從作物運輸軌跡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。在大多數(shù)實用案例中，基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)通常處理特定區(qū)域的作物管理問題。例如，在指定區(qū)域?qū)ν寥?、作物和氣候進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，用于整個地塊或特定地塊的決策支持系統(tǒng)，精準(zhǔn)調(diào)整肥料和農(nóng)藥的使用，精準(zhǔn)調(diào)整耕作、灌溉范圍和播種率等。借助物聯(lián)網(wǎng)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過所選作物播種前的分析模型和客觀數(shù)據(jù)，可以對農(nóng)業(yè)收入進(jìn)行預(yù)測。

基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通常由各種設(shè)備組成，這些設(shè)備通常使用無線技術(shù)與上行鏈路互連，上行鏈路通常與農(nóng)場數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器連接。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成本和部署難度等制約因素，目前主流采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠支持的系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)在20～50個。未來NB-IoT技術(shù)能夠支持的節(jié)點數(shù)量更多。在現(xiàn)代農(nóng)場中，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模變得更大，物聯(lián)網(wǎng)將需要各種監(jiān)測信息，例如來自儀表和傳感器的數(shù)據(jù)（土壤濕度、氣壓、環(huán)境等），農(nóng)場大門和建筑物入口開關(guān)、灌溉閥門、泵送設(shè)備、操作現(xiàn)場視頻、溫室、牲畜圍欄和儲存設(shè)施的監(jiān)控以及聲音或其他警報的狀態(tài)等。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的常用領(lǐng)域包括食品供應(yīng)鏈以及耕種農(nóng)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以實現(xiàn)土壤測量、氣象監(jiān)測、監(jiān)測系統(tǒng)、光照自動化以及灌溉系統(tǒng)。通過在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合理利用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在更少資源和人力的條件下促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量增長。

盡管物聯(lián)網(wǎng)受到越來越多的關(guān)注，但它在智慧農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域仍處于起步階段。在未來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)，以確保在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的可用性，例如監(jiān)測不同的氣候條件下作物和土壤情況。在未來，物聯(lián)網(wǎng)將幫助農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域從以機(jī)械驅(qū)動的行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)驅(qū)動的行業(yè)，并借助及時而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)場運營決策。未來的精準(zhǔn)農(nóng)場將從傳統(tǒng)的以供應(yīng)為導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢r值和數(shù)據(jù)為導(dǎo)向。在未來的精準(zhǔn)農(nóng)場中，物聯(lián)網(wǎng)無需人工或現(xiàn)場干預(yù)即可完成設(shè)備操作。農(nóng)場和食物供應(yīng)鏈可以成為自適應(yīng)系統(tǒng)，由設(shè)備自主進(jìn)行決策甚至學(xué)習(xí)。

4 物聯(lián)網(wǎng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)施肥技術(shù)

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨大挑戰(zhàn)之一是如何獲取足夠高質(zhì)量的數(shù)據(jù)以做出正確的決策。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要一系列的技術(shù)來捕捉數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在時間和空間上關(guān)聯(lián)起來，對其進(jìn)行統(tǒng)計表征、保存和合并，最后進(jìn)行分析，以供決策之用。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)使用了全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感等多種技術(shù)。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，部分?jǐn)?shù)據(jù)來自衛(wèi)星和飛機(jī)拍攝的航空照片，以及安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的傳感器和照相機(jī)。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)遙感圖像也成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要數(shù)據(jù)源之一。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最重要的一步是生成具有土壤特性的肥力分布圖，以便精準(zhǔn)施肥。生成肥力分布圖的具體措施包括網(wǎng)格土壤采樣、產(chǎn)量監(jiān)測和作物調(diào)查。采樣通常是通過電子傳感器進(jìn)行的，比如采用土壤探測器和衛(wèi)星遠(yuǎn)程光學(xué)掃描儀。通過遙感與全球定位系統(tǒng)坐標(biāo)相結(jié)合可以生成精確的農(nóng)田地圖和模型，以電子數(shù)據(jù)庫的形式收集地圖和模型數(shù)據(jù)可以生成地理信息系統(tǒng)，然后可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并進(jìn)一步繪制農(nóng)用地力性質(zhì)變化圖。

5 總結(jié)

近年來，農(nóng)業(yè)從業(yè)者開始使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來改進(jìn)作物管理。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的是通過監(jiān)測氣候、天氣、水質(zhì)和作物狀況的數(shù)據(jù)來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力?；谖锫?lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)專注于提供監(jiān)測、評估和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程，包括從牧群管理到大田作物生產(chǎn)的廣泛領(lǐng)域。本文分析了智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓相關(guān)技術(shù)人員對領(lǐng)域技術(shù)具有更加深刻的認(rèn)識，以便后期進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)算法分析及設(shè)計高層次人才培養(yǎng)，并進(jìn)一步完成技術(shù)推廣。

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周杰（1982—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，研究方向為電子信息工程。

盧毅（1981—），男，陜西西安人，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)工程。

國家自然科學(xué)基金項目（編號：61662063）；促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項目“基于精準(zhǔn)優(yōu)化控制的滴灌施肥技術(shù)研究”；石河子大學(xué)混合式教學(xué)改革專項（編號：BL2017032）；石河子大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

2095－6835（2019）22－0050－02

TN929.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.014

〔編輯：張思楠〕