“物云大智”在精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應用

李冬睿 楊穎 邱尚明 楊善友 徐小云

摘要：針對目前我國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展存在著技術(shù)支持不足、信息收集不全、信息獲取延遲大、信息智能化處理程度低下的問題，提出將當今最新的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應用到精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)中，為國內(nèi)精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);云計算;農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù);智慧農(nóng)業(yè);精準農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0083-02

0引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著中國人口的城鎮(zhèn)化進程不斷加劇，使得中國的耕作勞動力人口逐年遞減，因此，如何用新科技來取代人工種植和田問管理將是大勢所趨，精準農(nóng)業(yè)是綜合運用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能裝備技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行定量決策、變量投入、定位實施的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)操作技術(shù)系統(tǒng)。早在上世紀90年代，國內(nèi)已開始精準農(nóng)業(yè)方面的研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國精準農(nóng)業(yè)已經(jīng)在北京、陜西、黑龍江等省建立了一定規(guī)模的試驗區(qū)，但對比國外，還是處于相對落后的狀況，具體表現(xiàn)在技術(shù)支持不足、信息收集不全、信息獲取延遲大、信息智能化處理程度低下。為了擺脫以上困境，本文通過介紹如何利用當今主流的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)為精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支撐。由于大田在國內(nèi)農(nóng)業(yè)中分布最為廣泛，因此，本文主要以大田作為精準農(nóng)業(yè)的研究對象。

1精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)體系

在現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)中，精準農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)主要應用于農(nóng)作物播種、施肥、灌溉和收獲等各個環(huán)節(jié)。如何對各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)精準化，須借助于信息技術(shù)來解決。而信息是建立在物理設(shè)備基礎(chǔ)上的。因此，精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、技術(shù)層和應用層三大層次?；A(chǔ)層包括獲取農(nóng)業(yè)信息化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)層包括土壤信息采集技術(shù)、作物信息采集技術(shù)、病蟲害信息采集技術(shù)、氣象環(huán)境采集技術(shù)等。而應用層的技術(shù)包括精準農(nóng)業(yè)決策分析技術(shù)、病蟲害精準監(jiān)測技術(shù)、農(nóng)田作業(yè)智能導航控制技術(shù)、智能灌溉技術(shù)等。從功能領(lǐng)域進行劃分，精準農(nóng)業(yè)包括農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機具系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2物聯(lián)網(wǎng)在精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應用

為了獲取土壤、作物、氣象等信息，需要部署各類傳感器到農(nóng)田中，為便于田間作業(yè)，首選無線傳感器作為數(shù)據(jù)獲取的硬件，而無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)處理能力較弱，不具備智能數(shù)據(jù)處理的能力，節(jié)點只負責收集數(shù)據(jù)，因此需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端進行處理。由于大田分布面積廣，因此需要用到廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。

常用的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有LoRa、NB-IOT、2G/3G/4G移動通信技術(shù)。而在精準農(nóng)業(yè)的大田種植應用中，難以通過傳統(tǒng)方式對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行供電，要么采用太陽能供電，要么對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗要求更低，而在低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)中，有以下幾個標準：LoRa、NB-IOT、sigFOX和weightless。它們具有低數(shù)據(jù)速率、低成本和低功耗通信的特點，同時適用于遠程通信。就低功耗和遠距離數(shù)據(jù)傳輸而言，LORa和NB-IOT都適用于精準農(nóng)業(yè)的大田種植數(shù)據(jù)傳輸，但由于LoRa終端無SIM卡，是弱終端，弱終端容易被攻擊者近端接觸，存在惡意終端仿冒合法終端接入網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)進行類似DDoS攻擊來消耗整個系統(tǒng)資源。LoRai部署的終端越多，所帶來的安全問題和風險挑戰(zhàn)越大，而從物聯(lián)網(wǎng)海量接入的安全保障而言，NB-IOT可以提供更高級的安全保障，是當前IOT技術(shù)的唯一最佳選擇。

NB-IOT技術(shù)和傳感器結(jié)合，將采集到的土壤PH值、降水量、空氣溫濕度、土壤濕度、土壤鹽分、農(nóng)作物生長指標等數(shù)據(jù)連接到附近的NB-IOT，基站把數(shù)據(jù)連接到運營商的NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺，前端應用可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)，只要：NB-IOT基站信號覆蓋到位，便可輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)躍上一個大臺階。

3云計算、大數(shù)據(jù)在精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應用

當大田種植監(jiān)測點足夠多時，通過物聯(lián)網(wǎng)能獲取到大量的農(nóng)情數(shù)據(jù)，如何對這些數(shù)據(jù)進行排序、存儲、清洗、處理，便是云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)應用中需要解決的問題。首先要搭建“農(nóng)情大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)環(huán)境集群”，其功能是為“農(nóng)情大數(shù)據(jù)實時處理/離線處理”提供一套程序運行的基礎(chǔ)保障設(shè)施。利用openstack云計算平臺提供主機虛擬化服務(wù);Hadoop負責存放海量離線的農(nóng)情數(shù)據(jù)以及提供MapReduce并行計算框架;stom負責農(nóng)情大數(shù)據(jù)分布式實時計算;“大數(shù)據(jù)實時處理/離線處理”主要功能是為“農(nóng)情大數(shù)據(jù)后臺處理中心”提供數(shù)據(jù)處理功能。包括：數(shù)據(jù)實時/非實時清洗過濾工作;數(shù)據(jù)實時/非實時關(guān)聯(lián)去重聚合等工作;數(shù)據(jù)算法模型加載運行等工作;海量離線農(nóng)情數(shù)據(jù)分布式存儲框架（HDFS）負責海量離線農(nóng)情數(shù)據(jù)的分布式存儲，將數(shù)據(jù)存放到多臺服務(wù)器上，方便離線數(shù)據(jù)快速存取。批量實時數(shù)據(jù)分布式存儲框架（Rejds/Spark）負責對批量在線數(shù)據(jù)的臨時存儲，從而保證數(shù)據(jù)存取的及時性。最后通過百度智能云平臺，對農(nóng)情大數(shù)據(jù)進行可視化。

4人工智能在精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應用

人工智能技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應用是建立在通過大數(shù)據(jù)技術(shù)處理后的農(nóng)情數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，精準農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)要為農(nóng)戶提供智能決策分析，而農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是以知識庫、海量數(shù)據(jù)以及推理判斷程序為核心，運用人工智能知識工程的知識表示、推理、知識獲取等技術(shù)，總結(jié)和匯集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知識和技術(shù)、將農(nóng)業(yè)專家長期積累的大量寶貴經(jīng)驗，通過人工智能技術(shù)進行自我學習來對大量數(shù)據(jù)進行分析推理，最后得到?jīng)Q策支持。

農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其功能主要通過對農(nóng)情大數(shù)據(jù)平臺處理后的數(shù)據(jù)：空氣溫度、光照強度、空氣濕度、二氧化碳、土壤酸堿度、土壤濕度和土壤溫度等作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)和高清攝像頭記錄的農(nóng)作物圖片和視頻等數(shù)據(jù)進行智能分析，利用人工智能領(lǐng)域的相關(guān)算法對農(nóng)作物的生長健康狀況和產(chǎn)量進行分析和預測，從而實現(xiàn)農(nóng)作物病蟲害的智能識別和自動預警功能。實現(xiàn)對大田作物種植的智能化管理，為農(nóng)戶提供精準的智能決策支持。

由于大田分布面積廣，只用定點攝像頭無法對大片區(qū)農(nóng)田進行監(jiān)控。近幾年，無人機技術(shù)也被應用到精準農(nóng)業(yè)中，無人機可裝載農(nóng)藥，利用人工智能技術(shù)對無人機規(guī)劃飛行路徑，實現(xiàn)全自動無人駕駛，無人機在對大田進行巡航監(jiān)控時，根據(jù)無人機上的攝影頭對作物進行實時拍攝，通過人工智能算法進行快速識別作物是否存在病蟲害情況，然后實施精準施藥，這樣可以大大縮減人力成本，提高作物生產(chǎn)效率。

5結(jié)語

農(nóng)業(yè)作為我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，有著巨大的市場需求，只有大力發(fā)展農(nóng)業(yè)才能為國民提供基本的生活保障，為擺脫我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下的現(xiàn)狀，必須擴大精準農(nóng)業(yè)的應用范圍，將近幾年IT的熱門領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應用到精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)中將成為一種主流發(fā)展趨勢，由此催生了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和智慧農(nóng)業(yè)等交叉學科新技術(shù)。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用和快速發(fā)展將有效提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、智能化和管理現(xiàn)代化水平，對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重大意義和廣闊的應用前景。