農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)園區(qū)的典型案例分析與展望

趙軍，高翔

（1.石家莊益康農(nóng)科技發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北 石家莊 050035）

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈中的具體應(yīng)用，對(duì)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、加快現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義[1]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是綜合利用各類感知設(shè)備實(shí)時(shí)采集動(dòng)植物本體、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程以及農(nóng)產(chǎn)品物流等相關(guān)信息，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，將獲取的海量信息進(jìn)行融合、處理，最后實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的全過(guò)程監(jiān)控、科學(xué)決策和實(shí)時(shí)服務(wù)[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分面向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求[3～8]，對(duì)環(huán)境及作物生長(zhǎng)信息精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，確保生產(chǎn)過(guò)程精確管理，肥料、農(nóng)藥、灌溉、診斷病蟲害等方面實(shí)施智能化管控，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全全過(guò)程檢測(cè)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高效安全生產(chǎn)。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，在大田及設(shè)施農(nóng)業(yè)方面均有深入研究及應(yīng)用。夏于等[9]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的小麥苗情遠(yuǎn)程診斷管理系統(tǒng)，對(duì)小麥生長(zhǎng)生產(chǎn)過(guò)程和主要?dú)庀鬄?zāi)害進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)、快速準(zhǔn)確診斷，并以文字、視頻、圖片和數(shù)據(jù)表格等多種方式輸出綜合分析結(jié)果和生產(chǎn)管理調(diào)優(yōu)方案；吳秋明等[10]設(shè)計(jì)了為棉花灌溉決策與管理提供支持的基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花智能化微灌系統(tǒng)，并在新疆庫(kù)爾勒棉花智能化膜下滴灌示范區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果；易寧等[11]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了水稻大田智能預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，用于水稻生產(chǎn)的智能管理；張帆等[12]針對(duì)江西丘陵地區(qū)作物種植分布廣、布線和供電困難等特點(diǎn)，利用智能氣象站和高精度土壤溫濕度傳感器等設(shè)備建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水、農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)提供技術(shù)支持和決策參考；劉燕德等[13，14]針對(duì)果園環(huán)境智能監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了基于果園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)；黎貞發(fā)等[15]開發(fā)了日光溫室冬春季低溫氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及智能化加溫物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)的管理效率、管理水平及應(yīng)對(duì)低溫災(zāi)害的能力；歐亞軍[16]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)，用戶可使用瀏覽器或智能手機(jī)等終端對(duì)溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化管理水平；王秀等[17]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室二氧化碳施肥無(wú)線控制系統(tǒng)，包括無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、二氧化碳發(fā)生裝置和主機(jī)系統(tǒng)等；孫劍等[18]開發(fā)了基于PLC控制、機(jī)器視覺(jué)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的盆花自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室盆花分級(jí)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化操作。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成（圖1）。感知層是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的底層，也是基礎(chǔ)層，通過(guò)各種傳感器及視頻技術(shù)的組合[19]，獲取作物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和獲取指令后控制各種功能性儀器；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，建立在局域網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)之上，將接收到感知層的各類數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息處理中心，由應(yīng)用層進(jìn)行處理，同時(shí)將應(yīng)用層發(fā)出的命令信息送達(dá)感知層，進(jìn)行各種功能性儀器的控制；應(yīng)用層位于系統(tǒng)的頂層，主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘以及基于感知數(shù)據(jù)的應(yīng)用和決策。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組成Fig.1 Composition of agricultural internet of things

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)園區(qū)的典型實(shí)例分析

基于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所國(guó)家牧草創(chuàng)新基地物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目、順平桃產(chǎn)業(yè)基地質(zhì)量追溯體系物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目2個(gè)具有代表性的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，闡述農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)中的層面設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用。

2.1 國(guó)家牧草創(chuàng)新基地物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所國(guó)家牧草創(chuàng)新基地位于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊試驗(yàn)基地內(nèi)，占地33.33 hm2，主要從事牧草育種栽培等科學(xué)研究。國(guó)家牧草創(chuàng)新基地物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)園區(qū)環(huán)境、設(shè)施棚舍環(huán)境、牧草生長(zhǎng)狀況及羊只生長(zhǎng)發(fā)育的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局集中、地勢(shì)平整、便于施工，以低成本的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)為宜（圖2）。

圖2 園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)布局示意圖Fig.2 Layout diagram of internet of things in the park

2.1.1 感知層 感知層方面采用5種監(jiān)測(cè)單元，第1種固定監(jiān)測(cè)單元配有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的槍式攝像機(jī)及一組空氣溫濕度傳感器，用于養(yǎng)羊棚舍的監(jiān)測(cè)，同時(shí)該測(cè)量單元的數(shù)據(jù)采集主機(jī)與棚舍的風(fēng)機(jī)、空調(diào)、遮陽(yáng)簾電機(jī)連接，根據(jù)指令控制各儀器的開關(guān)；第2種固定監(jiān)測(cè)單元配有球形攝像機(jī)及5組土壤溫濕度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)牧草生長(zhǎng)狀況及土壤深度為20、40、60、80、100 cm的溫度和含水量。第3種移動(dòng)監(jiān)控單元（圖3）配有球形攝像機(jī)及1組土壤溫濕度傳感器，可方便移動(dòng)，用于監(jiān)測(cè)不同品種牧草種植小區(qū)的生長(zhǎng)狀況及土壤深度為10 cm的溫度和含水量。測(cè)量?jī)x器采用有線供電。第3種監(jiān)測(cè)單元為自動(dòng)氣象站，配有空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤含水量傳感器，用于監(jiān)測(cè)園區(qū)的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)；第5種監(jiān)測(cè)單元是散養(yǎng)羊體重增長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)射頻識(shí)別系統(tǒng)及自動(dòng)稱重系統(tǒng)把每只羊的每天體重記錄并傳到云平臺(tái)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層 養(yǎng)羊棚舍距離中控室較近，可采用網(wǎng)線連接有線傳輸信號(hào)。牧草品種試驗(yàn)區(qū)、羊散養(yǎng)區(qū)、自動(dòng)氣象站通過(guò)地埋光纖與中控室連接有線傳輸信號(hào)；散養(yǎng)區(qū)自動(dòng)稱重系統(tǒng)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸信號(hào)。

2.1.3 應(yīng)用層 中控室安裝了4個(gè)顯示屏、1臺(tái)中央平臺(tái)、2臺(tái)刻錄機(jī)、1臺(tái)服務(wù)器，顯示屏分別顯示養(yǎng)羊棚舍、牧草固定監(jiān)測(cè)區(qū)域、牧草移動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域、羊三樣區(qū)域的圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)。中央平臺(tái)用于信號(hào)的轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)斤@示屏上；刻錄機(jī)用于圖像的保存；服務(wù)器用于安裝益康農(nóng)數(shù)據(jù)平臺(tái)，存儲(chǔ)、查詢、計(jì)算分析數(shù)據(jù)以及管理決策等，配有手機(jī)APP客戶終端。

2.1.4 項(xiàng)目實(shí)施 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)信息獲取裝備實(shí)時(shí)獲取圈舍環(huán)境信息，結(jié)合通風(fēng)、控光、調(diào)溫裝備實(shí)現(xiàn)圈舍最佳適應(yīng)環(huán)境智能化調(diào)控，并結(jié)合可視化監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)飼養(yǎng)物生長(zhǎng)過(guò)程的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)與在線診斷，對(duì)提高科學(xué)養(yǎng)殖種植、提高效率、節(jié)省勞力、保障品質(zhì)有重大意義。

2.2 順平桃產(chǎn)業(yè)基地質(zhì)量追溯體系物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

保定市順平縣望蕊山莊（以下通稱山莊）以200 hm2桃樹種植區(qū)域?yàn)槭痉痘?，?shí)施特色農(nóng)業(yè)精品示范基地物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目分為品種觀賞區(qū)（山莊內(nèi)）、新品種選育區(qū)（山莊周圍500 m）及桃樹種植區(qū)（周邊200 hm2）3個(gè)區(qū)域。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施環(huán)境為山丘地貌，信號(hào)傳輸多采用網(wǎng)橋或GPRS無(wú)線傳輸（圖4）。

2.2.1 感知層 每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)配有1臺(tái)球形攝像機(jī)、1組空氣溫濕度傳感器、1個(gè)PAR傳感器、1組土壤溫濕度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)桃的生長(zhǎng)狀況及空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度和水分含量。觀賞區(qū)和品種選育區(qū)采用有線供電，種植區(qū)采用100 W太陽(yáng)能板和60 A鋰電池供電。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層 山莊內(nèi)品種觀賞區(qū)為網(wǎng)線有線信號(hào)傳輸，山莊周圍的新品種選育區(qū)為網(wǎng)橋無(wú)線信號(hào)傳輸（圖5），周邊240 hm2種植區(qū)選用4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)傳輸（圖6）。

圖5 無(wú)線網(wǎng)橋Fig.5 Wireless bridge

圖6 4G無(wú)線監(jiān)點(diǎn)Fig.6 4G wireless monitoring point

2.2.3 應(yīng)用層 中控室設(shè)有多媒體會(huì)議室、項(xiàng)目展示廳（圖7）、室外LED宣傳屏等，均可顯示每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息內(nèi)容；登錄益康農(nóng)數(shù)據(jù)云平臺(tái)或手機(jī)APP（圖8），可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與分析以及管理決策等。

圖7 項(xiàng)目展示廳Fig.7 Project showroom

圖8 數(shù)據(jù)云平臺(tái)Fig.8 Data cloud platform

2.2.4 項(xiàng)目實(shí)施 項(xiàng)目投入試用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了土壤、環(huán)境和桃樹及果實(shí)生長(zhǎng)信息遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)獲取、監(jiān)測(cè)和管理，具有操作簡(jiǎn)單、方便直觀、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，對(duì)園區(qū)墑情監(jiān)測(cè)、水肥管理、病蟲害預(yù)防及產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤體系建立[20]發(fā)揮了積極作用。

以上項(xiàng)目在建設(shè)與實(shí)施過(guò)程中，感知層使用了射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)和智能控制技術(shù)等，網(wǎng)絡(luò)層使用了有線、無(wú)線信號(hào)傳輸，應(yīng)用層使用了多媒體終端、云平臺(tái)、手機(jī)APP等功能，這些都是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)常規(guī)的應(yīng)用技術(shù)。可以針對(duì)不同用戶不同需求以及使用環(huán)境，將技術(shù)有機(jī)組合就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)前景展望

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一門新興的交叉學(xué)科，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)廣泛應(yīng)用于大田種植、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流及食品安全追溯等方面。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給我國(guó)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，同樣也使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走向技術(shù)化、專業(yè)化和現(xiàn)代化。雖然農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的信息感知產(chǎn)品在穩(wěn)定性、可靠性、低功耗等方面需要進(jìn)一步的提升和改進(jìn)，但隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化體系的逐步建立與完善，關(guān)鍵技術(shù)與瓶頸的突破，應(yīng)用與推廣規(guī)模將不斷擴(kuò)大，并會(huì)隨著用戶的體驗(yàn)與需求向系統(tǒng)集成、智能化服務(wù)方向發(fā)展。