物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其未來(lái)發(fā)展

劉坤林 牛 童

（四川工商學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610000）

前言

物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)各種傳感器采集數(shù)據(jù)并且和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)“物物互聯(lián)”，而近幾年我國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的政策支持幅度也不斷加大，物聯(lián)網(wǎng)作為發(fā)展迅猛的新型交叉學(xué)科，也被各行各業(yè)中多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，說(shuō)到未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景是非常廣泛的，不僅在物流運(yùn)輸、工業(yè)制造、醫(yī)療保健、智能家居等等方面。物聯(lián)網(wǎng)作為一種無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)，能夠讓Internet與世界上的所有事物相連，從而讓所有事物都能夠訪問(wèn)Internet。經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)的搭接，讓其能夠?qū)Ω鱾€(gè)領(lǐng)域完成控制。當(dāng)前我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也迎接來(lái)了新的發(fā)展目標(biāo)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)更加多元，各行各業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)也迎接了新的契機(jī)，而農(nóng)業(yè)作為關(guān)系著國(guó)家命根子的基底產(chǎn)業(yè)，有必要就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用及未來(lái)前景進(jìn)行深入分析。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，所應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以各種傳感器的集合為根基的。其中最常見(jiàn)的傳感器有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤水分傳感器、NH3傳感器、光照傳感器、pH傳感器，可見(jiàn)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)體系中處于核心地位，各國(guó)也在各種傳感器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了許多感知技術(shù)——例如荷蘭開(kāi)發(fā)出可聞出果蔬成熟度的器械，以色列的科研工作者開(kāi)發(fā)出了可以測(cè)量食物和外部條件的污染狀況的小型芯片等等。根據(jù)國(guó)家新發(fā)布的數(shù)字農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃政策的核心思想來(lái)看，農(nóng)業(yè)的革命毫無(wú)疑問(wèn)已經(jīng)到來(lái)，其中明確地提到了建立網(wǎng)絡(luò)智能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集合的新規(guī)劃，智能設(shè)備+網(wǎng)絡(luò)+農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)跟傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有著本質(zhì)上的不同，甚至可以說(shuō)是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一種顛覆，但是明顯在智能農(nóng)業(yè)中，我國(guó)無(wú)疑是較為落后于世界眾多國(guó)家的，發(fā)展新型的數(shù)字農(nóng)業(yè)在全球已經(jīng)是一種基本共識(shí)，它能夠加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，還有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)化和組織化，更好地幫助農(nóng)副產(chǎn)品的銷(xiāo)售和降低生產(chǎn)的養(yǎng)殖種植成本，推動(dòng)農(nóng)村發(fā)展質(zhì)量的變革，而智慧農(nóng)業(yè)在實(shí)際運(yùn)用中需要大量的資金，而各省市縣對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的資金幫扶是不夠的，光靠口頭解決吃飯問(wèn)題很明顯不現(xiàn)實(shí)。我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展存在著許多技術(shù)短板，例如糧食安全技術(shù)短板、農(nóng)產(chǎn)品貯運(yùn)保鮮技術(shù)短板、農(nóng)產(chǎn)品貯運(yùn)保鮮技術(shù)短板、農(nóng)產(chǎn)品貯運(yùn)保鮮技術(shù)短板等等，物聯(lián)網(wǎng)智能之路可以很好地改善這些問(wèn)題。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 在智慧農(nóng)業(yè)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

1.射頻識(shí)別技術(shù)，它是物聯(lián)網(wǎng)信息采集方式的主要源頭，具體來(lái)說(shuō)就是將RFID標(biāo)簽貼在物品上，就可以對(duì)這個(gè)物品進(jìn)行追蹤和識(shí)別，RFID技術(shù)具有很強(qiáng)的適用性不需要物理接觸就可以完成通信識(shí)別、高效性:它的讀寫(xiě)速度很快，甚至高頻RFID識(shí)別器可以同時(shí)識(shí)別和讀取多個(gè)標(biāo)簽、簡(jiǎn)易性:它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)容普及。

2.傳輸技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)就是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)了物聯(lián)網(wǎng)所需信息的采集工作，傳感器技術(shù)顧名思義就是能測(cè)量感受各種信息的機(jī)器，比如溫度、濕度、壓力等等，所以傳感器的種類(lèi)也各種各樣，品類(lèi)高達(dá)上萬(wàn)種，被應(yīng)用的領(lǐng)域也是十分繁多。

3.傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是把眾多傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)了三種主要功能:數(shù)據(jù)的傳輸、采集和處理，通過(guò)各類(lèi)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并且通過(guò)有線/無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)椒?wù)器中分析，再反饋給用戶的終端，正真做到了讓人們隨時(shí)隨地掌控想要管理的地方，讓環(huán)境、植物、甚至物品直接獲知你的需求，這也是實(shí)現(xiàn)融合物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界的重要目標(biāo)之一。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)中的具體應(yīng)用

2.2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)。本章節(jié)例舉一種物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案作為參考。該方案?jìng)鞲袑硬捎脽o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，由大量部署在農(nóng)田信息采集區(qū)域的自組織傳感節(jié)點(diǎn)(包含普通節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn))組成。普通傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集后通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸至簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合，打包，通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸將農(nóng)情信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、GPRs，3G網(wǎng)和Internet組成，將環(huán)境參數(shù)傳送至監(jiān)測(cè)端。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)部分，匯聚節(jié)點(diǎn)部分接收傳感層發(fā)送的信息，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等處理后傳送至網(wǎng)關(guān)部分，由網(wǎng)關(guān)部分通過(guò)GPRS／3G模塊將信息傳至In—ternet，然后遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端就可以通過(guò)Internet讀取農(nóng)田環(huán)境信息了。此外，網(wǎng)關(guān)部分也可以通過(guò)各種通信方式直接和本地監(jiān)測(cè)端通信。應(yīng)用層由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端組成，當(dāng)監(jiān)測(cè)端設(shè)備接人Internet時(shí)，生產(chǎn)者和技術(shù)研究人員就可以在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)監(jiān)測(cè)所采集的農(nóng)情信息，對(duì)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以及根據(jù)環(huán)境變化采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)是組成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本單位，包括傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感層的基本組成單元，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則是網(wǎng)絡(luò)層的硬件基礎(chǔ)，它們的硬件設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能都至關(guān)重要。本章節(jié)分別對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。

2.2.2 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器部分采集農(nóng)情信息，經(jīng)由處理單元進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換、處理，由無(wú)線收發(fā)模塊傳給上級(jí)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合其功能特點(diǎn)．傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框如圖1所示。傳感節(jié)點(diǎn)的微處理器單元和無(wú)線傳輸單元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee協(xié)議，集成了80C51內(nèi)核處理器的芯片和zigBee無(wú)線收發(fā)模塊，是一種比較成熟的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中濕度、溫度測(cè)量采用TDR一3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測(cè)量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測(cè)量土壤溫濕度的理想儀器。光強(qiáng)測(cè)量采用推出的第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561，它可直接通過(guò)12C總線協(xié)議由微控制器訪問(wèn)，微控制器則通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測(cè)量土壤pH值，基于pH值的變化將導(dǎo)致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經(jīng)放大電路秭A／D轉(zhuǎn)換器能得到數(shù)字輸出，然而這種方法的缺點(diǎn)是在土壤干燥時(shí)誤差較大。

此外，外部時(shí)鐘電路用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率；串行通信接口作為程序調(diào)試和下載接口；復(fù)位電路用來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等意外情況；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。

2.2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兼具匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的功能，一方面收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的農(nóng)情信息，另一方面將這些信息經(jīng)過(guò)初步的處理，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊(如GPRS模塊、3G模塊等)以及3G網(wǎng)和GPRS網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送農(nóng)情信息到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心并且接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)來(lái)的命令。具體結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

因網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)繁重，對(duì)資源需求較高，而且要求成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，故采用三星公司的ARM9處理器$3C2410。該處理器采用0．18仙m制造_I藝的32位微控制器，擁有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFr的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路 帶PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC—BUS接口，IIS—BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，sD主機(jī)和MMC接口，2路SPI，最高可運(yùn)行在203 MHz。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CC2430接收傳感節(jié)點(diǎn)采集到的農(nóng)情信息，并發(fā)送控制信息。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)并入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的通信。本系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM5218，它支持下行速率達(dá)7.2Mbps和上行速率為5。76 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，同時(shí)還具有豐富的接口包括UART、USB2．0、GPIO、12C、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無(wú)線科技(上海)有限公司研發(fā)的3G無(wú)線傳輸芯片：TD—SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485總線接口用于必要時(shí)與本地監(jiān)測(cè)端的通信。JrI'AG調(diào)試接口和串行調(diào)試接口主要負(fù)責(zé)程序的燒寫(xiě)、調(diào)試，F(xiàn)LASH用于掉電下的程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，SRAM主要用于在線的仿真，電源單元負(fù)責(zé)整個(gè)過(guò)程的能量供應(yīng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展

我國(guó)現(xiàn)在正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型期，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用也涉及諸多領(lǐng)域，包括視頻監(jiān)控、大棚管理、農(nóng)產(chǎn)品溯源、節(jié)水灌溉等等，目前發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)基本配備了完善的設(shè)施農(nóng)業(yè)，比如現(xiàn)代化溫室、植物工廠等等，而我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依舊靠人力和經(jīng)驗(yàn)操作，生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題基本無(wú)法得到解答，物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)可以通過(guò)傳感器和儀器進(jìn)行參數(shù)化控制和自動(dòng)化控制，幫助農(nóng)民提高生產(chǎn)效率和農(nóng)作物質(zhì)量，科學(xué)有效地改善低效率的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，我國(guó)雖然物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但硬件、技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用較差，我國(guó)的傳感器和產(chǎn)業(yè)水平相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還是很大，而且傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，更新?lián)Q代很快，中國(guó)市場(chǎng)需求量又十分巨大，導(dǎo)致智能進(jìn)口外國(guó)產(chǎn)品，實(shí)際應(yīng)用建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的成本也是十分巨大的，所以對(duì)于未來(lái)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有必要加大對(duì)傳感器和其他硬件產(chǎn)業(yè)的科技投入，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，加強(qiáng)傳輸方面的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題,解決中國(guó)自然環(huán)境對(duì)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的客觀阻礙，盡可能減少建設(shè)成本和能源損耗，人才問(wèn)題也是尤為重要的，加大力度培養(yǎng)技術(shù)人才，為領(lǐng)域的發(fā)展提供充足的人才保障，當(dāng)然想要解決這些問(wèn)題我國(guó)未來(lái)還有很長(zhǎng)一段路要走，科技才是第一生產(chǎn)力，產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展離不開(kāi)科技的創(chuàng)新。因此在未來(lái)的發(fā)展中要注重技術(shù)的創(chuàng)新，加大對(duì)科技人才的投入，只有這樣，才能真正的能夠看到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用效

［］［］果，在小范圍進(jìn)行試用，逐步推廣，在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)可能存在的技術(shù)問(wèn)題并且反饋解決，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能更好的促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為物與物間互聯(lián)通信的網(wǎng)絡(luò)，其作用是能夠?qū)崿F(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，并且在日常工作和生活中都能夠深度融合，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展提供了重要的科技支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)行業(yè)，不僅顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模式，而且推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的進(jìn)程。隨著5G技術(shù)的加持，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸朝著集約化的方向在發(fā)展，其所擁有的各方面性能都將助力農(nóng)業(yè)發(fā)展，具有重大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>