物聯(lián)網(wǎng)傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應用研究

樊 昕，蹇 念

（1.泰山科學技術研究院，山東 泰安 271000；2.遵義市職業(yè)技術學校，貴州 遵義 563000）

因傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在一定范圍缺乏耦合效應，產(chǎn)業(yè)鏈不夠長、不夠強，缺乏大循環(huán)和協(xié)調(diào)性，所以在一定程度上存在著低效率、低效益、低效能等情況，生產(chǎn)粗放情況突出。這些現(xiàn)象造成普遍的農(nóng)業(yè)基準數(shù)據(jù)資源薄弱、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)類型不兼容、數(shù)據(jù)標準化不一致、規(guī)范化水平低等。農(nóng)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，最終迎來了智慧農(nóng)業(yè)的新時代[1]。

1 農(nóng)業(yè)發(fā)展的幾個重要階段

1.1 農(nóng)業(yè)1.0

依托自身體力勞動及畜力勞動的農(nóng)業(yè)運營形式。

1.2 農(nóng)業(yè)2.0

即機械化農(nóng)業(yè)，是以機械化生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營形式。

1.3 農(nóng)業(yè)3.0

即信息化（自動化）農(nóng)業(yè)，是以現(xiàn)代化信息技能的使用和部分生產(chǎn)工具的自動化、智能化為首要特征的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營形式。

1.4 農(nóng)業(yè)4.0

農(nóng)業(yè)4.0是融合互聯(lián)網(wǎng)的高度智能化的種植管理。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術更青睞于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術的加持，降低自然災害因素的干擾，突破了傳統(tǒng)種植的約束，更體現(xiàn)出智能化、生態(tài)化、綠色化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念。

人類可以更低的成本、更優(yōu)化的資源結(jié)構(gòu)、更好的流通環(huán)節(jié)，從大自然中獲取健康的、安全的、可持續(xù)的農(nóng)產(chǎn)品。

2 現(xiàn)狀及痛點

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，自然環(huán)境的溫度、濕度、土壤成分、光照情況、小區(qū)域氣候等因素對農(nóng)作物生長都有較大影響。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)所謂的靠天吃飯，要在很大程度上依賴于自然環(huán)境的各種要素。對這些因素的利用要依托人為感知，不確定性太大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更多地體現(xiàn)出粗放管理的特點，與精細化管理的要求有較大差距。

以傳感器與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的全方位環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)在設施農(nóng)業(yè)中大受歡迎，并迅速推廣開來。針對農(nóng)業(yè)大棚管理的現(xiàn)狀及痛點，提出智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案[2]。

3 智慧農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的區(qū)別

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈增強變長，形成更為復雜的產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

智慧農(nóng)業(yè)比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)突出之處，在于產(chǎn)業(yè)鏈的增強變長，構(gòu)成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前、中、后期環(huán)環(huán)相扣的產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，組成了復雜的經(jīng)濟網(wǎng)。先進技術和精密儀器帶動了智慧農(nóng)業(yè)的大發(fā)展。

3.2 地域特征明顯，與當?shù)剞r(nóng)業(yè)資源關系緊密

社會生產(chǎn)力的高級階段必然催生優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)向集聚化、高能化方向發(fā)展，向優(yōu)勢農(nóng)業(yè)資源集聚區(qū)發(fā)展，形成規(guī)?；?、區(qū)域化明顯的農(nóng)產(chǎn)業(yè)集群。智慧農(nóng)業(yè)突破了行政區(qū)劃的約束，依照優(yōu)勢區(qū)域有限發(fā)展的原則，形成特色作物帶和畜牧飼養(yǎng)帶，優(yōu)化配置農(nóng)業(yè)資源。這種優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)帶，以區(qū)域優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)為基礎，以農(nóng)業(yè)技術創(chuàng)新為動力，凸顯了競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)了持續(xù)增收增效，形成了規(guī)?；?jīng)營。

3.3 智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中主導環(huán)節(jié)發(fā)展不均衡

智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中主導環(huán)節(jié)后移，主要集中在產(chǎn)后環(huán)節(jié)，產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后環(huán)節(jié)并不均衡發(fā)展。

智慧農(nóng)業(yè)催生了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)化分工，分工的精細化、專業(yè)化提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在全鏈環(huán)中的比重逐步降低，產(chǎn)后的農(nóng)產(chǎn)品加工、營銷企業(yè)逐步壯大，利潤和產(chǎn)值也向產(chǎn)后加工、營銷傾斜。

4 智慧農(nóng)業(yè)方案設計原理

借助精準的農(nóng)業(yè)傳感器技術，智慧農(nóng)業(yè)利用數(shù)據(jù)挖掘、云計算等先進技術進行多維度、多角度的分析，更為精準地計算自然環(huán)境對農(nóng)業(yè)的影響，促進了農(nóng)業(yè)的迭代升級。

（1）應用層：環(huán)境監(jiān)測→設備控制→統(tǒng)計分析→自動報警→圖表顯示。

（2）服務層：統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一門戶管理、數(shù)據(jù)分析挖掘、環(huán)境信息接入、數(shù)據(jù)網(wǎng)關接入、系統(tǒng)應用管理、環(huán)境信息比對、任務管理、系統(tǒng)終端管理。

（3）傳輸層：節(jié)點→GPRS/CDMA模塊→網(wǎng)關→服務器→互聯(lián)網(wǎng)→PC端。

（4）傳感層：傳感器、WSN、攝像頭、GPS、RFID 讀取器、基站、手機終端。

5 智慧農(nóng)業(yè)相關系統(tǒng)模塊

5.1 大田情況監(jiān)測系統(tǒng)

5.1.1 土壤墑情監(jiān)測

精準檢測土壤墑情，快速預警生產(chǎn)異常。智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)了全天候不間斷監(jiān)測土壤墑情，借助于可以遠程監(jiān)測的傳感器，實時檢測并獲取土壤墑情，通過無線網(wǎng)絡傳輸信息。監(jiān)測服務器實時接收、存儲墑情數(shù)據(jù)并集成到數(shù)據(jù)庫中[3]。

5.1.2 智能蟲情監(jiān)測

遠程掌握田間蟲情，無公害誘捕殺蟲。自動蟲情監(jiān)測系統(tǒng)主要利用現(xiàn)代光、電、遠程傳輸技術、大數(shù)據(jù)技術建設了害蟲實情云上檢測及報警模塊。該模塊實現(xiàn)了蟲情信息捕獲、環(huán)境數(shù)據(jù)采集和傳遞、數(shù)據(jù)分析等功能，達到了害蟲信息分類統(tǒng)計、遠程監(jiān)控、實時傳遞、蟲情預警和防治結(jié)合的智能化、集約化。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作靈活，在農(nóng)牧業(yè)、林草葉、蔬菜、果園、城鎮(zhèn)綠化等領域可廣泛應用。

5.1.3 智能孢子監(jiān)測

利用現(xiàn)代高新技術，對病菌孢子進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。智能孢子監(jiān)測系統(tǒng)常態(tài)化集成了數(shù)字圖像處理和人工智能辨識、電子顯微鏡、智能數(shù)據(jù)分析等高科技手段，融合了自動捕獲、識別、統(tǒng)計、存儲病菌孢子技術，實現(xiàn)了實時連續(xù)動態(tài)監(jiān)測病菌孢子，可有效提升作物病害防治技術水準。

5.1.4 災情、苗情監(jiān)測

720度高清攝像，突發(fā)情況可自動轉(zhuǎn)向緊急錄像。通過對農(nóng)田進行物聯(lián)網(wǎng)傳感器布局，對整個農(nóng)種過程中的播種、施肥、采摘、包裝等各個環(huán)節(jié)進行視頻監(jiān)控，樹立標準化作業(yè)標準。同時通過遠程環(huán)境監(jiān)控能夠方便管理人員對作物生長狀況遠程在線監(jiān)控，質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫部門、上級主管部門對生產(chǎn)過程的有效監(jiān)督和及時干預，以及信息技術管理人員對現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息和圖像信息的獲取、備份和分析處理，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也為以后利用獲取生物信息提供了必要的基礎條件。

5.1.5 氣象環(huán)境監(jiān)測

農(nóng)場氣象實時監(jiān)測，極端氣象及時預報。監(jiān)測要素：空氣溫度、空氣濕度、紫外線強度、太陽總輻射、風速、風向、風力、降雨，以及蟲情監(jiān)測捕捉。

農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測，通過現(xiàn)場的氣象設備，可以實時地對農(nóng)場進行監(jiān)測。提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風險的應對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。

智能傳感設備有太陽能輻射罩、百葉箱、小型氣象站。

5.2 視頻監(jiān)控與聯(lián)動系統(tǒng)

聯(lián)動控制系統(tǒng)：灌溉、風機、卷簾、增溫、水閥。

農(nóng)田視頻監(jiān)控：系統(tǒng)中信號傳輸系統(tǒng)主要包括電源信號的傳輸、視頻信號的傳輸和控制信號的傳輸線路三部分。項目建設中，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，使用無線傳輸?shù)姆桨竵斫ㄔO信號傳輸系統(tǒng)。

水肥一體機聯(lián)動系統(tǒng)：土壤水分傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度傳感器以及自動化噴淋設備共同作用于溫室大棚。

智慧農(nóng)業(yè)云平臺將土壤溫濕度、土壤pH值等數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)绞謾CAPP端、PC端或大屏幕端。

云平臺將視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行整合，使管理人員可以對生產(chǎn)區(qū)域進行生產(chǎn)實時監(jiān)控、消費者可以通過遠程訪問視頻系統(tǒng)，為管理人員和消費者提供查看和監(jiān)管基地生產(chǎn)環(huán)境的平臺，可以進行園區(qū)基礎信息查詢、生產(chǎn)區(qū)環(huán)境視頻監(jiān)控，聯(lián)動農(nóng)用基地內(nèi)水肥一體機進行工作。

大棚卷簾聯(lián)動系統(tǒng)：聯(lián)動系統(tǒng)集成了溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光合有效輻射、光照度傳感器、土壤水分傳感器、土壤EC傳感器、聯(lián)動噴淋灌溉、土壤PH傳感器以及聯(lián)動風機，操控聯(lián)動卷簾設備，科學協(xié)同互動。

遠程控制可以通過鼠標操作切換大屏幕上的監(jiān)控畫面和控制本機上的高速球旋轉(zhuǎn)、放大等。數(shù)字矩陣主要是對電視墻上監(jiān)視器里的監(jiān)控圖像進行切換，可設置監(jiān)控圖像在監(jiān)視器里自由切換、程序切換、定時切換等操作。

5.3 智慧農(nóng)業(yè)中心展臺

智慧農(nóng)業(yè)中心展臺的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：自動階段、智能階段和智慧階段。自動階段主要體現(xiàn)在先進設備方面，智能階段體現(xiàn)在功能軟件方面，智慧階段體現(xiàn)在綜合系統(tǒng)方面。

通過數(shù)據(jù)集中收集展示到平臺上，方便各級工作的實施，同時可實現(xiàn)集中化管理，及農(nóng)產(chǎn)品溯源應用功能，保證從源頭進行控制，增強標準化工作實施。在世界上任何角落，只要接入互聯(lián)網(wǎng)，就可以實時了解大棚試驗田溫濕度情況和作物生長情況。當溫度超過設定的警戒線，系統(tǒng)自動報警，通過智能手機實時觀察大棚情況。實時采集大棚溫濕度，通過GPRS傳入網(wǎng)絡服務器。系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)聲像機監(jiān)控農(nóng)場實時情況[4]。

監(jiān)控大屏功能：實現(xiàn)對園區(qū)農(nóng)業(yè)實時環(huán)境數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)、苗情數(shù)據(jù)的可視化展示，智能設施的遠程查看和管理。通過平臺設定環(huán)境數(shù)據(jù)預警值，系統(tǒng)自動預警，生成預警事件，通過手機短信及網(wǎng)頁報警提示管理人員或工作人員進行管理和控制。同時可以將園區(qū)空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及環(huán)境預警事件信息以圖表形式或曲線圖形式形成統(tǒng)計報表，供管理人員作出適當?shù)淖魑锷L管理、分析與決策。

5.4 智慧溯源系統(tǒng)

通過信息化系統(tǒng)結(jié)合區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精細管理。為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實現(xiàn)農(nóng)事作業(yè)的栽植、灌溉、施肥、施藥、收獲等全程農(nóng)事作業(yè)過程的記錄與管理服務。

5.4.1 農(nóng)產(chǎn)業(yè)溯源系統(tǒng)的管理

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標準化管理環(huán)節(jié)有：種植批次→整地→播種→澆水→除草→施肥→噴藥→其他操作→采收→清茬等。

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)可以實現(xiàn)防偽認證、溯源查詢、產(chǎn)品防篡改、數(shù)據(jù)分析以及功能定制，是整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的重要功能，貫穿農(nóng)產(chǎn)品基地、種養(yǎng)、采收、儲運、銷售的各個環(huán)節(jié)。它又延伸出相應的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)為智慧農(nóng)業(yè)的某一模塊服務并將數(shù)據(jù)通過接口自動發(fā)送給追溯平臺，在追溯平臺上進行展現(xiàn)。農(nóng)產(chǎn)品溯源全流程環(huán)節(jié)涉及種子信息、種植信息、檢驗信息、包裝信息、冷鏈運輸信息、消費者終端等，實現(xiàn)了企業(yè)追溯、用戶查詢和政府監(jiān)督，是從消費到市場流通，以及種植信息的全流程追溯。

5.4.2 溯源系統(tǒng)的意義

隨著人們生活水平的提高，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全也越來越重要，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題不僅關系到公眾的身體健康，而且對農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)貿(mào)易和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設具有重大影響，成為新時期我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和供給急需解決的一個重要課題。要達到提高農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和消費安全目標，就要解決和實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品“從田間到餐桌”的全過程質(zhì)量監(jiān)控，治本之策是要建立完善的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全體系。

溯源系統(tǒng)的功能：針對銷售流程進行溯源管理，實現(xiàn)農(nóng)作物的收獲入庫、銷售出庫以及客戶資源信息的收集，為生產(chǎn)企業(yè)提供便捷的經(jīng)營操作方式，后期結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品市場監(jiān)測及銷售情況分析，還能輔助生產(chǎn)企業(yè)作出更為精準科學的產(chǎn)供銷策略。

5.5 特色功能

共享農(nóng)機管理平臺：利用在車聯(lián)網(wǎng)各個領域豐富多彩的技術功能和工作經(jīng)驗沉淀，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢特點，打造農(nóng)機共享網(wǎng)絡平臺。

專家問答與專家?guī)煜到y(tǒng)：基于農(nóng)業(yè)信息分散在農(nóng)業(yè)各個不同部門的現(xiàn)狀，通過建設農(nóng)業(yè)信息綜合服務平臺農(nóng)業(yè)文庫，實現(xiàn)畜牧、種植、農(nóng)機、科教等農(nóng)業(yè)辦公文檔信息的匯聚、分享和展示，解決了農(nóng)業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)中，各類信息系統(tǒng)相對獨立，信息分散、匯總能力弱等問題。專家管理：注冊→審核→認證。

農(nóng)業(yè)知識庫：建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識庫，內(nèi)容由專家制定，可實時更新，方便農(nóng)業(yè)工作者隨時學習。

網(wǎng)上資訊：農(nóng)業(yè)工作者通過網(wǎng)絡使用，通過平臺建立農(nóng)戶與專家的實時對接，解決農(nóng)戶的問題。

遠程診斷：專家使用，通過平臺建立農(nóng)戶與專家的實時對接，實時進行診斷。

信息發(fā)布：農(nóng)業(yè)工作者與專家使用，專家實時發(fā)布相關農(nóng)業(yè)信息，可實時更新，方便農(nóng)業(yè)工作者獲取最新資訊。

診斷資源庫管理：對農(nóng)作物的生理特征、病害特征、蟲害特征進行有效管理和歸類匯總，方便農(nóng)戶遠程參考查看。

留言系統(tǒng)：專家不在線時，農(nóng)業(yè)工作者通過留言系統(tǒng)對專家進行留言，以便專家上線后查看并反饋。

評價與反饋：農(nóng)戶可通過平臺對專家進行評價反饋。

智慧農(nóng)業(yè)電商系統(tǒng)：專注于農(nóng)產(chǎn)品及涉農(nóng)產(chǎn)品的垂直性電商平臺，針對性強，專業(yè)服務于各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)商、批發(fā)商及上下游供貨商，減少供需失調(diào)的風險，能夠廣泛地根據(jù)市場需求進行農(nóng)作物的調(diào)整。

6 結(jié)束語

雖然物聯(lián)網(wǎng)及傳感器在農(nóng)業(yè)中的應用還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷發(fā)展，在不遠的將來，智慧農(nóng)業(yè)普及程度會更加廣泛，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式和消費方式也會發(fā)生巨大的改變，以適應未來社會對農(nóng)業(yè)的需要。