物聯(lián)網(wǎng)算法分析設(shè)計與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

物聯(lián)網(wǎng)算法分析設(shè)計與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)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）

實施和測試新的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)，用于監(jiān)測、種植和收獲，將有助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的采用。未來通過有針對性的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究開發(fā)，將能夠在生產(chǎn)和加工的各個階段控制農(nóng)產(chǎn)品的污染，創(chuàng)造可持續(xù)和健康的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和運輸環(huán)境。重點研究了物聯(lián)網(wǎng)算法分析設(shè)計與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，以及兩種技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的效益。將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程，對增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、培養(yǎng)相關(guān)高層次人才、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)；水肥一體化

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中國是農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量居全球首位，但隨著單位面積產(chǎn)量的增加，水資源短缺和過量施肥現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。如何通過以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息技術(shù)完成農(nóng)情監(jiān)測，對不斷上升的災(zāi)害頻率做到可防可控，是當(dāng)前的研究熱點之一。

隨著全球變暖效應(yīng)的逐步加強，極端天氣對農(nóng)業(yè)的影響也在逐年上升，各種自然災(zāi)害的發(fā)生頻率在加快，將在一定程度上影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。為了應(yīng)對這種變化，需要加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，特別是加強以傳感器為代表的監(jiān)測設(shè)施建設(shè)。除了極端天氣的影響，中國農(nóng)田的旱情、澇情及蟲害頻發(fā)，如何借助現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測相關(guān)災(zāi)情，并提供相應(yīng)的解決方案，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化的研究重點。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是20世紀(jì)的一種新興技術(shù)，它在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)在使人類用戶之間連接和通信方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，而物聯(lián)網(wǎng)使車輛、建筑物、電子設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等物理設(shè)備能夠通過技術(shù)和數(shù)據(jù)流進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)決策。物聯(lián)網(wǎng)是一種基于嵌入式技術(shù)的物理對象網(wǎng)絡(luò)，具有相互通信和感知、監(jiān)控內(nèi)部狀態(tài)或外部環(huán)境的能力。它通過智能傳感器節(jié)點相互連接，不需要人為干預(yù)即能完成感知和通信的任務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、汽車工業(yè)、交通、醫(yī)院等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并被認(rèn)為是未來互聯(lián)網(wǎng)的一部分。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了發(fā)展，目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要集中在集成物聯(lián)網(wǎng)、云計算和如何設(shè)計有效的執(zhí)行器上。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于價格低廉、部署范圍廣、電池供電、功耗低等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點組成，包括傳感、處理、傳輸、執(zhí)行器、定位系統(tǒng)和功率單元。這些節(jié)點通常密集地部署在需要監(jiān)測信息的地方。在某些情況下，例如通過飛機撒布傳感器時，傳感器節(jié)點的位置不需要設(shè)計或預(yù)先確定。傳感器節(jié)點相互協(xié)調(diào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，可以收集到關(guān)于物理環(huán)境或參數(shù)的高質(zhì)量信息。這些分散的傳感器節(jié)點中的每一個都能夠收集環(huán)境或作物數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)路由到其他傳感器或回傳到外部基站。

3 物聯(lián)網(wǎng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心之一即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集作物及周圍環(huán)境的溫度、濕度、光照、土壤墑情等信息，并對這些信息進(jìn)行加工處理，根據(jù)信息處理結(jié)果對作物進(jìn)行相應(yīng)的管理。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，利用傳感器進(jìn)行作物環(huán)境調(diào)節(jié)的例子很常見。例如，當(dāng)傳感器感知到作物缺乏水分時，可以通過定量滴灌的方式為作物補充適當(dāng)?shù)乃?；?dāng)感知到作物缺乏肥料時，也可以通過滴灌方式補充水溶性肥料；當(dāng)作物所處環(huán)境溫度不適當(dāng)時，可通過大棚通風(fēng)來降低溫度或通過電加熱提升大棚內(nèi)溫度。在采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改善作物生長環(huán)境時，需要綜合考慮系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出效果，使對作物生長環(huán)境的控制達(dá)到最佳的同時，付出較少的設(shè)備投入。綜上所述，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)之一，具有顯著的優(yōu)勢。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將創(chuàng)新糧食、水果和蔬菜的儲存和運輸方式，并減少害蟲造成的損失，降低土壤退化、缺水、生態(tài)系統(tǒng)惡化以及惡劣天氣模式對作物的影響。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以開發(fā)更好的檢測技術(shù)，以檢測不同土壤中的氮、磷、鉀等元素含量?；究梢詫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施或直接將數(shù)據(jù)傳到互聯(lián)網(wǎng)上，從而徹底改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)收集方式，并進(jìn)一步支持未來的全自動化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。未來的全自動化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要對環(huán)境條件進(jìn)行精準(zhǔn)感知，并將原始數(shù)據(jù)快速傳送到本地或遠(yuǎn)程服務(wù)器。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還包含執(zhí)行器。為了更有效地管理現(xiàn)代農(nóng)場，網(wǎng)絡(luò)中會設(shè)置一些基本控制功能，例如打開關(guān)閉閥和閘門，打開和關(guān)閉燈、水泵和加熱器等。隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的執(zhí)行器被用于植物的不同生長周期。部分執(zhí)行器有定位需求，因此中心支點灌溉系統(tǒng)和農(nóng)用車通常需要被精準(zhǔn)定位。此外，系統(tǒng)還需要確定部分大型牲畜和工人的位置，以確保其安全或性能。

土壤墑情傳感器和執(zhí)行器是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。有效和可靠的土壤水分傳感和灌溉管理技術(shù)主要依靠地下傳感和通信技術(shù)的進(jìn)步。一般來說，土壤墑情傳感器和執(zhí)行器需要人工安裝和移除，且需要具有長期傳感能力。此外，為了提高產(chǎn)量，還需要將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場和遙感方面的技術(shù)納入整個工作系統(tǒng)。開發(fā)和應(yīng)用新型傳感和通信技術(shù)，節(jié)約水資源并提高作物產(chǎn)量，是未來需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的一個重要領(lǐng)域。在土壤測量中，缺乏長期的、大規(guī)模的土壤測量是一個主要的問題。目前科學(xué)家們正在開發(fā)針對不同類型土壤的大規(guī)模農(nóng)田中使用的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測量土壤物理、化學(xué)和生物特性。利用這些有線和無線技術(shù)以及傳感解決方案，可以構(gòu)建大規(guī)模的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，建立土壤類型和水分相關(guān)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)收集回傳數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘以進(jìn)行灌溉和施肥決策。類似的系統(tǒng)需要研發(fā)人員掌握多個領(lǐng)域的專業(yè)知識，包括工程和技術(shù)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境傳感和監(jiān)測、土壤肥力、昆蟲學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)和機器人技術(shù)。在技術(shù)、傳感和通信方面應(yīng)用最新的創(chuàng)新，將大大改進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)和管理方式。

在一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，農(nóng)業(yè)工業(yè)、政府機構(gòu)和種植者對計算機和信息技術(shù)的技能和創(chuàng)新有著極其迫切的需求，對計算機和信息技術(shù)教育以及研究機構(gòu)的投入不斷增加，近年來相關(guān)研發(fā)投入呈爆炸式增長。美國勞工部勞工統(tǒng)計局預(yù)測，由于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計算和網(wǎng)絡(luò)安全，到2024年，美國計算機和信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程的結(jié)合領(lǐng)域的就業(yè)機會將增加12%。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程的結(jié)合的主要的研究驅(qū)動力之一，也是重要的創(chuàng)新領(lǐng)域。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式下，新的商業(yè)模式、服務(wù)、市場和技術(shù)進(jìn)步的出現(xiàn)將有助于經(jīng)濟增長。然而，目前農(nóng)場缺乏高技術(shù)水平從業(yè)人員是采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一。阻礙精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采用的其他因素包括成本、投資回報和缺乏精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析。

有數(shù)據(jù)表明，到2025年，預(yù)計將有116億臺設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)。這一數(shù)字超過了世界預(yù)計人口。這些設(shè)備的數(shù)據(jù)資源將帶來11萬億美元的經(jīng)濟價值。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要創(chuàng)新。目前，農(nóng)業(yè)工程正從以拖拉機、播種機、聯(lián)合收割機、收割機為代表的時代過渡到以計算機和信息技術(shù)為代表的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)時代。物聯(lián)網(wǎng)將成為現(xiàn)代農(nóng)場每一件設(shè)備的組成部分，農(nóng)場從業(yè)者通常會使用功能強大的計算機與云端相連，從物聯(lián)網(wǎng)傳回的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和信息無處不在，并通過越來越復(fù)雜的接口進(jìn)行通信。在大型精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)場，每天將產(chǎn)生數(shù)十億條數(shù)據(jù)。幾乎每一個農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都將受到計算機技術(shù)進(jìn)步的深刻影響。這些系統(tǒng)能夠利用大量快速增長的數(shù)據(jù)和信息資源，應(yīng)用先進(jìn)的分析技術(shù)來提取信息和理解模式，并以高度動態(tài)的方式達(dá)成智能解決方案。

4 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)的方方面面，為當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要支撐。隨著信息時代和大數(shù)據(jù)時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)將成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的代表性技術(shù)之一。本文概述了物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，并綜述了兩種技術(shù)相結(jié)合對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的效益，期望為相關(guān)技術(shù)人員在培養(yǎng)農(nóng)業(yè)工程高層次人才、實施相關(guān)項目改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量時提供參考。

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2095－6835（2019）22－0106－02

S126

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.041

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。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕