物聯網技術在精準農業(yè)中的應用研究

郭曉磊

基于衛(wèi)星圖像收集信息、現場采集土壤樣本、判斷樣品所在區(qū)域的土壤特性等方法在實際應用中具有局限性，例如由地域組成部分引起的離散性，導致數據收集后的指導意義有限。在面對大體量的數據時，以何種方式作出有效處理是重難點內容。在此背景下，探尋更為科學的方法極具必要性。其中，物聯網技術的應用屬于重要突破口，有助于提高數據處理水平，可從數據中剖析價值，對數據的處理具有自動化特征。因此，此次關于精準農業(yè)的分析圍繞物聯網技術的應用展開。

1 物聯網

1.1 物聯網含義

物聯網是新一代信息技術中不可或缺的部分，依托紅外線感應器、全球信息定位系統(tǒng)等，高效采集信息，在網絡的互聯互通作用下，實現物與人、物與物的精準對接，建立兼具管理、識別、定位、監(jiān)控多項功能于一體的網絡。在物聯網的建設中，應用到射頻識別技術、M2M、云計算、傳感網等關鍵技術。數據源于物聯網和移動互聯網，數據的參考價值豐富，大數據通過分析用戶的行為產生具有參考價值的結果。在大數據的應用中，云計算屬于重要前提，是大數據計算得以順利進行的基本保障?；ヂ摼W是溝通的“橋梁”，能夠增強事物與事物間、人與事物間的聯系。云計算是物聯網中極具代表性的中心神經功能[1]。

從通信對象和過程的角度來看，物聯網由3層組成。一是整體感知層，關鍵硬件設施為感知設備，可用于獲取信息，為后續(xù)的分析與調控奠定基礎;二是傳輸層，綜合應用互聯網和無線網，建立高效、穩(wěn)定的數據傳輸通道;三是智能處理層，圍繞數據作出相應的智能化處理。物聯網的具體架構，如圖1所示。

1.2 物聯網技術在精準農業(yè)中的應用優(yōu)勢

精準農業(yè)是現代農業(yè)發(fā)展的關鍵風向標，向傳統(tǒng)農業(yè)融入智能物聯網技術，圍繞土壤、環(huán)境等進行全方位檢測，從多項指標切入，分析農產品的生長環(huán)境，針對農業(yè)生產現場的實際狀況進行精準調控，突出農業(yè)的智能化、自動化特征，減少人工勞動力，提高農業(yè)生產效率和效益。

精準農業(yè)是一套高效的綜合管理系統(tǒng)，其兼容自動化技術、智能技術等前沿技術，采集到與作物生長有關的參數后，動態(tài)調節(jié)農業(yè)生產方式。在基于物聯網技術的精準農業(yè)生產活動中，實現實時定位、信息管理、優(yōu)化方案等多項功能，以較少的資源促進農業(yè)生產活動，由此獲得經濟效益和環(huán)境效益。

2 物聯網技術在精準農業(yè)中的應用意義

在農業(yè)可持續(xù)過程中，傳統(tǒng)的農業(yè)模式缺乏可行性，存在產品質量低、資源浪費嚴重、產品種類單一等局限性。精準農業(yè)的發(fā)展為以往的農業(yè)開辟出一條更具可行性的路徑，相比于傳統(tǒng)農業(yè)模式，應用物聯網等前沿技術，可實現對資源的集約化利用。精準農業(yè)模式作為一項系統(tǒng)性工程，是推動現代農業(yè)向低耗、高質、高效發(fā)展的必由之路。但在精準農業(yè)的發(fā)展中仍存在數據采集效率低、數據分析不全面等問題。

基于物聯網技術的精準農業(yè)模式提供了重要的發(fā)展思路，構建的無線網絡具備抗干擾能力強、傳輸效率高、信息高效共享等特征。因此，應以農田信息采集和管理的具體要求為導向，建立相適配的無線網絡，保證信息的高效傳輸。在精準農業(yè)模式中應用物聯網技術，能夠為用戶提供決策信息，為日常工作的合理化開展保駕護航[2]。

現階段，我國精準農業(yè)發(fā)展模式實踐過程中存在信息標準不統(tǒng)一、人才隊伍建設不足等問題。雖然推進部分示范工程項目，但發(fā)展進程遲緩，尚處于試驗和演示階段，難以實現產業(yè)化蛻變。在物聯網技術日益成熟的背景下，打造以物聯網技術為核心的精準農業(yè)模式，推動了精準農業(yè)朝著產業(yè)化方向邁進，該模式致力于突出產品特色，持續(xù)夯實精準農業(yè)的發(fā)展基礎，為大規(guī)模推廣創(chuàng)設良好的條件。

精準農業(yè)是現代農業(yè)的重要發(fā)展方向，其實踐方式可應用物聯網技術，該技術能基于農業(yè)生產狀況高效整合資源，以合理的資源配置方式促進農業(yè)活動高效開展，在提高農業(yè)生產力的同時達到減少資源投入、彰顯生態(tài)環(huán)境效益等多重效果[3]。

3 物聯網技術在智能農業(yè)大棚中的應用

3.1 構建精準農業(yè)物聯網監(jiān)測平臺

在農業(yè)大棚生產活動中，應基于物聯網技術建立無線網絡監(jiān)控平臺，將嵌入式系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，配套Linux操作系統(tǒng)和ARM9S3C2410處理器，面向設備做全方位的管理。內部網絡采用ZigBee無線通信技術，聯合應用高精度傳感器，高效采集有關于溫濕度、pH值等相關數據;外部網絡采用GPRS通信網絡。嵌入式系統(tǒng)以無線的方式連接內、外信息傳輸通道。

農業(yè)大棚的物聯網系統(tǒng)配套設備包含溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、pH值傳感器等，可用于檢測溫度、濕度、光照強度、pH等各項與農作物生長密切相關的指標，實測數據可借助儀表實時呈現，作為參變量參與到自動控制中，保證生長環(huán)境的科學性。此外，還用到遠程控制技術，辦公室工作人員可以遠程查看農業(yè)大棚的實際種植環(huán)境，縮短時空距離，提高控制的便捷性。在無線網絡的支持下，可獲得供溫室調控參考的關鍵數據，以便采取有效的調節(jié)措施，達到提質、增效。

3.2 精準農業(yè)的數字化管理系統(tǒng)

依托智能農業(yè)大棚物聯網信息系統(tǒng)，有效提高農業(yè)生產的標準化水平，實現生產至運輸的全流程管控。數字化管理技術的配套硬件設施包含溫度傳感器、化學傳感器等，具備高效監(jiān)控數據的能力;輔以RFID電子標簽，實現可識別的實時數據存儲和管理，以更加標準化的方式實現對農業(yè)生產的有效管理。

數字化農業(yè)管理系統(tǒng)聯合物聯網監(jiān)控管理系統(tǒng)、網絡地理信息系統(tǒng)，具有數據共享、動態(tài)數據服務等功能，可充分提高數據處理水平，確保數據具有可利用價值。生態(tài)農業(yè)數字化管理系統(tǒng)具備以下功能：遙感影像的處理與分析，例如高分辨率的遙感影像及其他以圖像方式提供的數據;地物的空間模型，涉及到對象、地形等;屬性信息管理，即著重針對動、靜態(tài)數據的有效管理;應用程序，涉及到服務器和客戶端程序;空間分析，主要指緩沖區(qū)、測量、等值線及地統(tǒng)計分析等;其他附屬功能，包含統(tǒng)計分析等。構建的系統(tǒng)具備農產品信息查詢、專家決策與分析等功能，其綜合應用到信息、技術和網絡，集多項優(yōu)勢于一體，有效提高了精準農業(yè)數字化控制管理水平。

3.3 物聯網感應的智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)

通過傳感器感應土壤水分，根據實測數據對灌溉系統(tǒng)做有效調整，在不影響農作物生長的前提下，達到自動節(jié)水節(jié)能的效果。在精準農業(yè)模式中，可以考慮建設具備低投入、高產出的農業(yè)節(jié)水灌溉平臺，避免浪費灌溉用水。經過監(jiān)測后，確定土壤墑情信息，據此判斷土壤特性，靈活控制灌溉時機和水量，解決人力資源耗費量大、監(jiān)控不全面等問題。從系統(tǒng)布設的角度來看，傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)存在成本高、拓展難度大等弊端，難以為農田耕作提供有效支持。針對該狀況，設計基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，建立低功耗無線傳感網絡節(jié)點，增強系統(tǒng)的靈活性，可實時監(jiān)測土壤墑情，以自動化的方式控制灌溉，減少不必要的資源浪費。

智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)采用混合網，ZigBee監(jiān)測網絡可用于監(jiān)測數據的高效采集。監(jiān)測網絡設置為星型結構，其中的網關節(jié)點具有兩項功能。一是負責網絡的自動建立和維護，并全方位收集數據;二是向監(jiān)控中心傳遞信息，形成高效的信息流通路徑。系統(tǒng)還具備自動組網的功能，若存在新增無線傳感器節(jié)點，網絡將及時感知該情況，完整地向無線網關傳送節(jié)點信息。智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的核心組成包含監(jiān)控中心、無線傳感節(jié)點、無線網關、無線路由節(jié)點，在建立ZigBee自組網后，基于GPRS實現對監(jiān)控中心和無線網關的有效連接，以便信息的高效傳遞。

各傳感節(jié)點分別配套溫濕度傳感器，其關鍵作用在于自動采集墑情信息，將實測信息與濕度上下限作對比分析，判斷是否具有灌溉必要，并確定具體的灌溉時長。各節(jié)點的電能來源為太陽能電池供電，若電壓偏低，節(jié)點將發(fā)出報警信號，進入睡眠狀態(tài)充電。無線網關屬于系統(tǒng)重要組成部分，負責ZigBee無線網絡與GPRS網絡的連接，主要功能為管理無線傳感器節(jié)點。

溫濕度傳感器可用于采集現場的溫濕度信息，此類儀器布設在監(jiān)測區(qū)域內，能將采集的數據高效傳輸給無線路由節(jié)點，進而結合路由算法確定適宜的路由，生成與之相對應的路由列表，全面涵蓋自身信息和鄰居網關信息。在網關的聯絡作用下，利用遠程監(jiān)控中心獲取到數據，供管理人員分析、判斷，把握現場情況，進而采取有針對性的遠程監(jiān)控管理措施。

3.4 物聯網技術在精準農業(yè)中的典型應用

以瓜果蔬菜的種植為例，其對生長環(huán)境的要求高，溫度、濕度等環(huán)境參數均要得到有效控制。搭建溫室大棚是優(yōu)化作物生長環(huán)境的重要方法，可突破季節(jié)對作物生長的制約作用?？刂苽鹘y(tǒng)大棚環(huán)境采用的是人工作業(yè)方法，分別在各大棚內放置溫度計、濕度計等數據采集設備，由專員查閱各儀器的顯示數據，若某項參數不滿足要求，則及時采取調控措施，例如溫度偏高時需啟用通風機。該人工作業(yè)的方法存在工作量大、時效性較差等問題，在小規(guī)模的大棚種植中可行，但對于大規(guī)模大棚種植而言，完全憑借人工進行檢測、調控缺乏可行性，易由于調控不及時而導致大棚環(huán)境偏離預期要求。

GHM智能溫室系統(tǒng)具備監(jiān)測大棚環(huán)境參數的功能，實測結果超出預先設定的閾值時隨即觸發(fā)報警機制，管理人員根據現場情況遠程調控設施，如灌溉機、卷簾機等，將環(huán)境參數調節(jié)至合理的區(qū)間內，為作物營造適宜的環(huán)境。GHM智能溫室系統(tǒng)集多項功能于一體。

第一， 軟件界面的人機交互特性突出，實時顯示大棚的環(huán)境參數，管理人員可直觀掌握大棚的實際情況。

第二， 軟件可及時發(fā)現異常環(huán)境并報警，工作人員可根據需求及時查詢報警記錄，用相關信息指導工作。

第三， 計算機檢測到異常環(huán)境后自動調控。以溫度偏高為例，其會自動開啟通風，并根據現場溫度靈活調控通風量，將大棚內的溫度控制在合理的區(qū)間內。

第四， 除了自動控制外，還提供手動控制功能，操作具有便捷性，僅點擊鼠標即可控制分布在種植現場的電動設備。

第五， 系統(tǒng)提供遠程控制功能，即便大棚種植現場無工作人員也可遠程關閉卷簾，管理人員可通過視頻直觀掌握大棚基地的實際狀況。

在信息化的農業(yè)發(fā)展趨勢下，科學應用物聯網技術已成為必然發(fā)展趨勢。物聯網技術對精準農業(yè)生產活動的開展具有推動作用，能為實現農業(yè)集約、高產、優(yōu)質等目標提供可靠的技術支持，同時為農村經濟轉型創(chuàng)設優(yōu)質條件。

4 物聯網技術在精準農業(yè)中的應用展望

現代農業(yè)具有自動控制、自動管理等特征。隨著信息技術和電子技術的迅猛發(fā)展，農業(yè)事業(yè)掀起溫室控制與管理的技術熱潮，在前沿技術的協(xié)助下，起到提質、增產的效果，在創(chuàng)造經濟效益的同時具有良好的生態(tài)環(huán)境效益和社會效益。在未來精準農業(yè)發(fā)展中，將具有愈發(fā)明顯的優(yōu)秀特質。

第一， 人機交互特性突出，適配的軟件界面能直觀呈現信息，便于管理人員查詢與控制。

第二， 分布式管理，根據功能需求對控制系統(tǒng)進行分區(qū)，化繁為簡，線路鋪設簡潔明了，控制精度較高，日常運行時的故障率較低。在分區(qū)調控管理的方式下，可以結合實際狀況對各區(qū)采取有效的控制措施，保證每個種植區(qū)域均有良好的種植條件。

第三， 遠程控制機制穩(wěn)定可靠，控制精度高，效果良好，管理人員可遠程查看農業(yè)生產現場的狀況并予以有效控制。

第四， 系統(tǒng)集多類子系統(tǒng)于一體，包含通風系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)、屋頂噴淋系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)等，各系統(tǒng)均有特定的功能，例如調控溫度、濕度、通風量等，能夠滿足不同環(huán)境中各項參數的動態(tài)調控要求。

第五， 在未來的精準農業(yè)發(fā)展中，物聯網技術的應用水平將逐步提高，自主研發(fā)設計的產品將愈發(fā)豐富，堅信在能人志士的“耕耘”下，將取得更加突出的成果，屆時溫室大棚控制的各類系統(tǒng)，將憑借功能完善、性能穩(wěn)定可靠、經濟便捷等優(yōu)勢具備較強的市場競爭力，進而促進我國現代化農業(yè)發(fā)展。

5 結束語

在精準農業(yè)生產中應用物聯網技術是必然的行業(yè)趨勢，結合傳感器、控制器等硬件設施，自動調控溫度、濕度等農業(yè)生產參數，利于生產作業(yè)的高效開展，可實現提質增產等目標，保護生態(tài)資源。在未來的精準農業(yè)事業(yè)中，相關技術人員仍需持續(xù)探索，提高物聯網技術的應用水平，保障精準農業(yè)模式良好運行，為現代社會經濟發(fā)展助力。

參考文獻：

[1]張軍國，賴小龍，楊睿茜，等.物聯網技術在精準農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J].湖南農業(yè)科學，2011（8）：173-176.

[2]聶洪淼，焦運濤，趙明宇.物聯網技術在精準農業(yè)領域應用的研究與設計[J].自動化技術與應用，2012（10）：89-91，97.

[3]李立華.物聯網技術在現代農業(yè)中的應用研究[J].通訊世界，2016（4）：232.