基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)及其關(guān)鍵技術(shù)分析

劉國杰

（山東省聊城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 農(nóng)村改革和農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟服務(wù)中心，山東 聊城 252000）

智慧農(nóng)業(yè)是智慧經(jīng)濟形態(tài)在農(nóng)業(yè)中的具體表現(xiàn)，也是智慧經(jīng)濟的重要組成部分，在消除貧困、發(fā)展經(jīng)濟等方面均起著重要的作用。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與現(xiàn)代科學技術(shù)的有效結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化、無人化。物聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，通過技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種要素有效連接，實現(xiàn)智能化識別、跟蹤、操控。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要由各種傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)組成，能夠采集識別各種信息，相當于人體的皮膚和五官，而信息采集是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，所以，感知層位于三層架構(gòu)組織的最底層。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是信息傳遞和處理，包括互聯(lián)網(wǎng)、計算機平臺、信息處理中心、網(wǎng)絡(luò)管理中心等，相當于大腦中樞的角色。應(yīng)用層的主要任務(wù)是信息的處理和決策，比如，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，城市管理，公共安全，工業(yè)監(jiān)測，智能家居，等等，通過數(shù)據(jù)挖掘，找到有價值的信息，并得以有效利用，實現(xiàn)用戶與設(shè)備的交互，達到智能化應(yīng)用的目的。

1.2 典型應(yīng)用

1.2.1 環(huán)境監(jiān)測

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境的精確調(diào)控，實現(xiàn)增產(chǎn)增收的效果，現(xiàn)階段已經(jīng)形成了許多研究成果，比如，以GPS技術(shù)、WSNs技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)為核心構(gòu)建的大地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)ν寥缐勄?、溫度濕度、二氧化碳濃度等相關(guān)指標進行監(jiān)測，實時感知農(nóng)作物的生長環(huán)境。利用高精度土壤溫濕度傳感器、智能氣象站，構(gòu)建土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，能夠為抗旱減災、灌溉節(jié)水提供科學決策。下面將以某農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)為例展開探討，系統(tǒng)設(shè)計分為硬件平臺和軟件平臺兩部分組成，硬件平臺主要包括路由器、交換機、傳感器等設(shè)備設(shè)施，負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等工作，軟件平臺分為五大模塊，包括數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)接收和存儲、數(shù)據(jù)分析挖掘、遠程監(jiān)控管理。其中，數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將采集到的地下水位、土壤含水量、土壤pH值、降雨量等相關(guān)信息發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，可以采用ADSL、無線節(jié)點、移動通信網(wǎng)等多種技術(shù)。數(shù)據(jù)接收分析模塊能夠?qū)?shù)據(jù)進行分析處理，形成土壤墑情報告，通過趨勢分析評估，能夠得到科學的農(nóng)事調(diào)控建議，并且根據(jù)產(chǎn)量預測調(diào)整市場行為。數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊的主要功能包括可視化分析平臺、應(yīng)用決策分析、遠程監(jiān)控管理等，可以對相關(guān)數(shù)據(jù)進行查詢，并以直觀的形式展示出來，而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺調(diào)用，提高數(shù)據(jù)使用效率[1]。

1.2.2 食品安全

食品安全一直是關(guān)系到國計民生的重大問題，既制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展質(zhì)量，又關(guān)聯(lián)著廣大民眾的生命安全問題。食品安全問題之所以難以解決，一方面，從生產(chǎn)到消費存在諸多環(huán)節(jié)，難以實現(xiàn)全面的信息管理，另一方面，管理部門之間銜接不夠緊密，容易形成模糊地帶，產(chǎn)生監(jiān)管漏洞。智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)為解決食品安全問題提供了新的思路和手段，通過從生產(chǎn)端到消費端全過程信息跟蹤，可以實現(xiàn)安全溯源的目的，世界許多發(fā)達國家都積極構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，比如美國農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)、日本食品溯源系統(tǒng)、歐洲牛肉溯源系統(tǒng)、澳大利亞禽畜溯源系統(tǒng)等。

下面以某肉類溯源系統(tǒng)為例展開探討。根據(jù)我國的市場行為和監(jiān)管體系，可以將肉類食品安全管理分為農(nóng)場養(yǎng)殖、生產(chǎn)加工、市場流通、餐飲消費幾個主要環(huán)節(jié)，所以，溯源系統(tǒng)的建設(shè)也應(yīng)該著重從這四個方面著手，通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和共享。

在基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的肉類安全溯源系統(tǒng)可以分為政府聯(lián)合監(jiān)管系統(tǒng)和供應(yīng)鏈用戶業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)兩大部分，前者涵蓋了農(nóng)業(yè)、工商、衛(wèi)生、質(zhì)量監(jiān)督等相關(guān)職能部門，不同部門之間可以通過系統(tǒng)平臺進行組織協(xié)調(diào)，從而達到聯(lián)合監(jiān)管的目的。后者囊括了從生產(chǎn)到消費整個產(chǎn)業(yè)鏈參與者的信息管理。從系統(tǒng)架構(gòu)看，我們可以通過信息感知和采集，利用RFID技術(shù)，將基因、飼料、用藥、防疫等相關(guān)信息進行采集和上傳，建立完整的養(yǎng)殖檔案，在后續(xù)的屠宰、批發(fā)、零售等環(huán)節(jié)，均需要識別核對上游信息、補充完善本環(huán)節(jié)信息，這樣就可以形成完整的溯源信息鏈。通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，根據(jù)實際需求，建立一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中心和監(jiān)管平臺，實現(xiàn)行業(yè)管理信息的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，不同用戶根據(jù)權(quán)限分配可以進行查詢、舉報、監(jiān)督等操作，達到全方位的信息溯源效果。除了食品安全監(jiān)管，政府相關(guān)部門還可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析預測市場價格波動，采取更為及時有效的宏觀調(diào)控措施，保證市場供應(yīng)的穩(wěn)定性[2]。

1.2.3 智能農(nóng)機和智慧物流

機械設(shè)備在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展推動了農(nóng)機智能化進程，有利于優(yōu)化農(nóng)機資源配置，實現(xiàn)農(nóng)機操作自動化管理。利用GIS、GPS、GPRS等技術(shù)，構(gòu)建農(nóng)機監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，能夠遠程采集農(nóng)機信息，實現(xiàn)實時操控。開發(fā)基于機械視角的農(nóng)業(yè)機器人自動導航系統(tǒng)，可以相對準確地判斷農(nóng)作物位置，實現(xiàn)更為精確的田間作業(yè)管理。將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)引入智能農(nóng)機，建設(shè)農(nóng)機車載智能終端或者遠程服務(wù)平臺，能夠在農(nóng)忙時節(jié)提供更為全面、精準、迅捷的農(nóng)機服務(wù)信息，提高農(nóng)機利用率，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合效益。許多農(nóng)產(chǎn)品的保質(zhì)期比較短，對物流倉儲要求比較高，物聯(lián)網(wǎng)在該領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，通過RFID、計算機網(wǎng)絡(luò)、GPS、紅外視頻監(jiān)控等多種技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)出入庫、盤點、配送等環(huán)節(jié)的智能化控制，有效識別人和物的身份信息，提升管理水平和服務(wù)質(zhì)量，降低綜合成本。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 信息感知技術(shù)

從物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可以看出，信息感知是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，只有掌握了農(nóng)田、種植物、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的數(shù)據(jù)信息，才能實現(xiàn)有效利用以及智能控制，信息感知技術(shù)涵蓋了傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、坐標定位技術(shù)等多個方面。通過部署大量傳感器，能夠進行物體識別和信息采集，現(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的傳感器包括生物傳感器、物性型傳感器、微機電傳感器，每種傳感器都有一定的技術(shù)特點和應(yīng)用優(yōu)勢，需要根據(jù)實際情況合理選擇。比如，光學傳感器適用于葉綠素含量測定、土壤檢測等方面；電學傳感器適用于溫濕度監(jiān)測、土壤商情監(jiān)測等方面；RFID即射頻識別技術(shù)，能夠通過無線信號識別和感知物體，具有掃描速度快、存儲容量高、可重復性好、安全性高、抗污染等諸多優(yōu)點，能夠滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；R別需求，在農(nóng)作物生長、農(nóng)產(chǎn)品流通、食品安全監(jiān)管等方面都發(fā)揮著重要的作用。坐標定位技術(shù)充分利用了衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有高動態(tài)性、高精確度等優(yōu)點，在智慧農(nóng)業(yè)中同樣發(fā)揮著積極的作用[3]。

1.3.2 信息傳輸技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)智慧農(nóng)業(yè)的信息傳輸技術(shù)主要包括無線傳輸技術(shù)、光纖通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、交換技術(shù)等。其中，無線傳輸技術(shù)又可以分為無線局域網(wǎng)傳輸和無線移動傳輸，隨著5G移動通信技術(shù)的加快推進，將能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的信息傳輸；光纖通信技術(shù)可以最大程度地滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r、準確要求，能夠為智慧農(nóng)業(yè)提供高性能的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；組網(wǎng)技術(shù)可以分為ATM局域網(wǎng)組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。相對而言，以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)在我國應(yīng)用更為廣泛，具有簡便靈活的優(yōu)點，能夠利用多種物理介質(zhì)，采用不同拓撲結(jié)構(gòu)；交換技術(shù)主要指的是軟交換技術(shù)，能夠有效解決傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)和新型多媒體業(yè)務(wù)的相關(guān)問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。在智慧農(nóng)業(yè)中，需要根據(jù)具體的農(nóng)業(yè)項目選擇合適的信息傳輸技術(shù)；面對多類型數(shù)據(jù)并存的情況，目的是著力提高數(shù)據(jù)整合、傳輸效率。

1.3.3 信息處理技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)信息處理具有數(shù)據(jù)類型多、節(jié)點異構(gòu)性等特點，為了實現(xiàn)預測預警、智能決策、智能控制等功能，必須充分利用智能處理技術(shù)，對獲取到的各種數(shù)據(jù)進行存儲、處理、計算、分析。智慧農(nóng)業(yè)信息處理技術(shù)主要有數(shù)據(jù)挖掘、云計算、模糊識別、智能技術(shù)等，其中，數(shù)據(jù)挖掘與系統(tǒng)分析技術(shù)又包括數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、決策支持、聯(lián)機分析處理等，需要從海量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，云計算技術(shù)主要包括編程模型、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲、平臺管理技術(shù)、虛擬化技術(shù)等，能夠為用戶提供便捷的網(wǎng)絡(luò)訪問，保證海量數(shù)據(jù)的存儲、處理、計算效率，智能技術(shù)主要包括智能信號處理、智能控制、人機交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)信息處理的自動化和智能化，為用戶提供更好的服務(wù)體驗[4]。

1.3.4 信息安全技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有匿名性、開放性等特點，在提供操作便利的同時，也存在著一定的隱患，影響著系統(tǒng)運行安全性、穩(wěn)定性、可靠性。所以，必須做好信息安全管理，加強物聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)的研究和應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)安全隱患主要集中在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)安全、RFID系統(tǒng)安全、核心網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息安全、黑客入侵，等等。雖然物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的拓展和延伸，在安全管理上能夠借鑒互聯(lián)網(wǎng)的部分安全機制，但是，由于物聯(lián)網(wǎng)具有一定的特殊性，需要根據(jù)實際情況，不斷完善認證機制、加密機制，以實現(xiàn)保護用戶隱私、維護系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)存在的主要問題及解決對策

2.1 問題分析

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展必須制定規(guī)范合理的技術(shù)標準，否則難以實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，以RFID技術(shù)為例，由于缺乏統(tǒng)一標準，在農(nóng)產(chǎn)品安全溯源時，很容易出現(xiàn)信息無法讀寫、查詢、回溯等問題，導致關(guān)鍵環(huán)節(jié)無法完成信息溯源。智慧農(nóng)業(yè)正處于高速發(fā)展的階段，許多技術(shù)標準的制定速度跟不上，難以使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中實現(xiàn)高效、持續(xù)的應(yīng)用，而且我國的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展缺乏整體規(guī)劃和核心技術(shù)，許多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍依賴國外進口，不但增加了技術(shù)匹配的難度，而且提高了智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)成本，對于大多數(shù)農(nóng)戶而言是不可承受的，難以形成規(guī)模效益。另外，在智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中，還存在著基礎(chǔ)設(shè)施落后、農(nóng)戶認識水平不高、技術(shù)能力不夠等問題，難以達到預想的效果，這些問題都制約著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展質(zhì)量和效率[5]。

2.2 對策探討

發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)涉及到標準、技術(shù)、管理、規(guī)劃、安全、協(xié)調(diào)等多方面的問題，需要多方主體積極參與，共同推動問題的解決。在國家層面，加強相關(guān)法律法規(guī)的完善，保護科研成果，防止不法侵害，同時，加快物聯(lián)網(wǎng)標準體系的建設(shè)，完善相關(guān)應(yīng)用標準，掌握市場發(fā)展的主動權(quán)，通過政策指引，鼓勵互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成具有創(chuàng)新性和規(guī)模性的產(chǎn)業(yè)集群，做好整體規(guī)劃，避免出現(xiàn)無序競爭和重復建設(shè)，加強對科研機構(gòu)、重點企業(yè)、廣大農(nóng)戶的扶持力度，出臺相關(guān)惠農(nóng)政策，解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)初期的成本問題。在科研層面，聯(lián)合科研機構(gòu)、各大高校、相關(guān)企業(yè)開展科研攻關(guān)，通過“引進來”和“走出去”，促進人才資源流動，提高自主研發(fā)能力，根據(jù)我國的基本國情，充分考慮農(nóng)民的接受能力，打造適應(yīng)于現(xiàn)代農(nóng)村的智慧農(nóng)業(yè)。在企業(yè)層面，增強自主研發(fā)能力和創(chuàng)新能力，積極與各相關(guān)方進行溝通交流，推動物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推出更加安全、便捷、低廉的產(chǎn)品，讓農(nóng)戶逐步感受到智慧農(nóng)業(yè)的優(yōu)越性，促進生產(chǎn)、物流、銷售全產(chǎn)業(yè)鏈的信息化發(fā)展[6]。

綜上所述，本文著重研究了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)及其關(guān)鍵技術(shù)，并分析了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題和應(yīng)對策略，希望能夠起到積極的現(xiàn)實意義，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)越性，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，加快智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，促進農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)更高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理。