第2章 農業物聯網

2.1 概述

物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的信息產業新方向。物聯網（The Internet of Things）的概念于1999 年提出，是將所有物品通過各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、基于光聲電磁的傳感器、3S技術、激光掃描器等各類裝置與互聯網結合起來，實現數據采集、融合、處理，并通過操作終端，實現智能化識別和管理。

近幾年開始將物聯網應用到農業中，使農業物聯網在智能化培育控制、農產品質量安全、農業信息監測等方面表現出獨特的優勢，農業物聯網一般應用是將大量的傳感器節點構成監控網絡。

1.農業物聯網技術概述

所謂農業物聯網，是指通過物聯網技術實現農作物生長、農民生活、農產品生產流通等信息的獲取，通過智能農業信息技術實現農業生產的基本要素與農作物栽培管理、禽畜飼養、施肥、植保以及農民教育相結合，以提升農業生產、管理、交易和物流等各環節智能化程度，為建立現代農業、發展農村經濟、增加農民收入、完善基層農業技術推廣和服務體系、提高農業綜合生產能力、推進農村綜合改革、提升農村行政服務效能以及推進社會主義新農村建設提供新一代技術支撐平臺。既能改變粗放的農業經營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，引領現代農業發展。

通過各種傳感器采集信息，以幫助農民及時發現問題，并且準確地確定發生問題的位置，這樣農業將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

2.農業物聯網的應用范圍及發展趨勢

（1）物聯網在現代農業中的應用。

物聯網在現代農業中的應用包括：農業資源管理、農業生態環境管理、生產過程管理、農產品與食品安全、農業裝備與設施。

① 農業資源管理：農地整治重大工程監管；基本農田數量、等級、利用效率、環境質量網絡化管理；農用水資源管理、生產資料；

② 農業生態環境管理：農田土壤、地表與地下水環境、大氣、光熱、氣象、災害；

③ 生產過程管理：農田精耕細作、設施農業、健康養殖；

④ 農產品與食品安全：產地環境、產品儲存、物流運輸、營銷；

⑤ 農業裝備與設施：服務作業調度、工況監控、遠程診斷服務。

（2）農業物聯網的發展趨勢。

① 智能化。

高新技術不斷融合于農業機械化領域，農業機械智能化已成為提升農業裝備制造業競爭力的需要，能夠最大限度地發揮土壤和作物的潛力，做到既滿足作物生長發育的需要，又減少農業物資的投入，從而降低物資消耗、增加利潤、保護生態環境，實現農業可持續發展。

② 節約型。資源的不足和環境的退化是人類面臨的重大問題，也是我國建設現代化農業和促進農村經濟可持續發展過程中不可忽視的問題。積極推進節約型農業機械化發展，能夠實現節水、節油、節肥、節藥、節種和節能的目標，同時減少對環境的污染，取得較大的社會、生態和經濟效益。因此，農業機械化發展對于實現農業經濟增長方式的根本性轉變和促進社會經濟可持續發展具有重要的戰略意義。

③ 精準化。隨著節約型、環保型現代農業發展理念的深入，精量及定位播種和育秧、精準定位施肥及精量施藥等精準農藝生產需求的發展，對高科技精量化農機裝備的需求日益增長，給農機產品配備精準農業系統已經成為世界農機發展的潮流。

④ 大型化。考慮到我國土地集中、規模加大、復式作業和節本增效等問題，農業機械化向大型發展的趨勢顯得尤為必要，這是因為大型農業機械具有作業質量好、效率高、均作業成本低和有利于進行聯合作業等優勢，農用動力繼續大型化將是未來我國農機發展趨勢之一。

（3）農業物聯網的應用前景。

物聯網技術對于農業應用來說不是噱頭而是機遇，物聯網科技的發展也必將深刻影響現代農業的未來。

① 與農機裝備技術。物聯網的關鍵技術之一就是在物中安裝傳感器和其他控制系統。將這一技術應用于農業機械上就可以實現讓土地說話，通過及時收集和掌握作物生長的一些重要參數，如土壤濕度、土壤成分、pH值、降水量、溫度、空氣濕度、光照強度、氣壓和CO2濃度等，可以摸索出植物生長對溫度、濕度、光、土壤的需求規律，提供精準的科研實驗數據。通過智能分析與智能控制，農業機械能及時作出決策，精確地滿足植物生長對環境各項指標的要求，達到增產增收的目的，提高農業生產效率的效果。澳大利亞已經將物聯網運用于農業機械，推出一種能識別莠草的噴霧器。這種噴霧器在田野移動時，能借助專門的電子傳感器來識別莠草，發現莠草時才噴出除莠劑，從而大大節約了花費的除莠劑，減輕了對環境的污染。許多研究所和大學也成功利用傳感器網絡監測大田及溫室土壤溫濕度及建立節水灌溉系統，隨時精確獲取作物需水信息，為精量灌溉提供科學依據。

② 與農機4S體系的應用。農機4S體系是一種以整機銷售（Sale）、零配件（Spare-part）、售后服務（Service）、信息反饋（Survey、）四位一體為核心的農機特許經營模式。對于這種新型的一條龍農機經營服務模式，物聯網技術的應用可以在運輸、銷售、使用和回收等其他環節實現產品的定位追蹤。改進農機銷售商的庫存管理，實現快速供貨、適時補貨，并最大限度地減少儲存成本，提高效率，減少出錯。即使在農機作業過程中出現問題，也可以準確地定位，作出及時的補救，使損失盡可能降到最低。

③ 對氣候信息的實時監測。農業是對氣候條件依賴性很高且生產周期較長的產業，面對這些極端氣候現象，必然會給脆弱的農業產業帶來嚴重危害，直接威脅百姓的米袋子和菜籃子的安全。因此，快速反應、積極應對極端氣候已成為農業農村面臨的一項極其緊迫而艱巨的任務。利用物聯網的感應器技術原理，可以在該領域實現信息的實時監測，提高農業對洪水和干旱等破壞性自然災害的抵御能力，加強對農業的管理，降低氣候災害對農業社區的危害程度，同時建立農業機械化應急體系來幫助農民應對氣候變化。如在農業的水利水位上安裝水位測定感應器，可以實現對水位數據的識別、采集和處理。

④ 在農業應急體系中的應用。我國是世界上災害頻發的地區之一。災害的突發性、難以預料性是超乎人類想象的。如果處理得不及時，就會嚴重影響農業生產和農村社會的穩定，因此提高農業機械應急工作能力刻不容緩。考慮將農業物聯網技術與農業機械結合來構建農業機械化應急體系，一是可以對不同災害的有關環境參數進行實時采集，集中信息資源，建立災害預警模型庫、告警信息指導模型庫，為災害事故的預測、預報和防止提供可靠的數據基礎和技術支持，如在小型超低空飛行器底部支架上裝備數碼攝像機實時獲取地面蝗蟲圖像，從而實現災情預警：二是在一些極端環境下，可以迅速決策，調配農業機械，做到運轉有序、避免混亂，保證所需農機裝備在最短的時間內運送到災區第一線，如一旦發現災情，可以及時調用農業航空飛機及所需的農用機械救災；三是這樣有針對性地調用農業機械可以避免運輸費用的浪費，降低抗災救災的成本，最大限度地減輕農業損失。

3.農業物聯網的管理

農業物聯網作為推進產業信息化進程的重要戰略，在實際發展中落實農業物聯網于各個產業中的應用，農業物聯網應用管理平臺如圖2-1所示。農業作為關系著國計民生的基礎產業，其信息化、智慧化的程度則尤為重要。通過對物聯網的跟蹤研究及應用，將從物聯網在智慧農業中提出新的應用模式與應用場景。

1）農業物聯網對農業生態環境管理

農業生產是一個以自然生態系統為基礎的人工生態系統，它遠比自然生態系統結構簡單，生物種類少，食物鏈短，自我調節能力較弱，易受自然氣候、病蟲害、雜草生長的影響。農業生產的不穩定性，很大程度上受自然環境的約束，因而應創造良好的農業生態環境，才能取得較佳的經濟效益。良好的農業生態環境有賴于森林、草原、水域等生態系統的支持、保護和調節。農業生態系統就其生產力來說應當比自然生態系統更高，因此除太陽光照外，還必須加入輔助能，如農機、化肥、農藥、排灌、收獲、運輸、加工等，通過人類的勞動和管理，只有不斷地調整和優化生態系統的結構和功能，才能以較少的投入，得到最大的產出。通過集成大量科學合理的采用各傳感器、視頻設備、GIS地理信息技術、GPS定位技術、建設一個智能分析模型，實現農業生態環境信息化管理平臺，能夠在互聯網及桌面電腦、智能手機等終端上進行系統訪問與管理各個設備。

生態管理系統平臺將前端各類傳感器、后臺綜合分析管理平臺進行科學集成，形成智能化的生態管理系統平臺，前端各類傳感器主要包含以下3類。

（1）電化學離子敏傳感器：土壤N、P、K，重金屬含量快速檢測等。

（2）生物傳感器：快速檢測、高致性細菌等。

（3）氣敏傳感器：農產品品質、氣體污染、排放監測等。

2）農業物聯網對農業生產過程管理

農業生產過程管理的目標是利用物聯網信息技術改善生產系統的工作效率、提高投入資源的附加值、減少不必要的浪費及資源損耗，從而滿足客戶需求。同時實施標準化的生產過程與管理，達到農業生產過程管理與提升農業生產競爭力的目標。

（1）標準化管理。組織標準化將每個成員的職責及工作調配加以標準化，使組織的運作在成員各司其職、分工協作下發揮團隊的力量。物料標準化以減少資源浪費便于管理。作業標準化制定各項工作流程與注意事項。管理標準化建立各項管理指標，并以此作為評價實際作業的依據，了解實際運作的水平，并進行調整和控制。

（2）精耕細作管理。精耕細作在一定面積的土地上，投入較多的生產資料和勞動，采用先進的技術，進行細致的土地耕作，以提高單位面積產量。

（3）設施農業管理。設施農業是利用人工建造的設施，使傳統農業逐步擺脫自然的束縛，走向現代工廠化農業生產的必由之路，同時也是農產品打破傳統農業的季節性，實現農產品的反季節上市，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法。設施農業在農林牧副漁業所占比重標志著農業的進化程度，是農業產業升級的重要標志。

（4）健康種植。采用科學的種植方法與管理，實現健康種植，提高農作物的品質與產量，為企業帶來經濟增加與效益。

技術實現方面，通過采用各傳感器、視頻設備、GIS地理信息技術、GPS定位技術、二維碼技術，并建設一個智能分析模型，實現農業生產過程信息化管理平臺，實現在互聯網及桌面電腦、智能手機等終端上進行系統訪問與管理各個設備。

3）控制危害與損失的農產品安全管理

農產品安全管理系統，主要功能是對農產品安全進行全程監控管理，為企業農產品安全提升到新的高度，從而向消費者提供安全、可靠、高質量的農產品。

（1）質量安全管理。農產品質量安全管理以農業企業檔案數據為基礎，圍繞“生產、庫存、銷售”3條主線，對農產品的生產環境、生產活動、銷售狀況實施電子化管理。

（2）物流運輸安全管理。基于物聯網物流運輸管理是采用信息化、智能化、可視化等先進物聯網技術特征。采用紅外、激光、無線、編碼、識別、定位、傳感器、RFID等高新技術，實現物流運輸安全。

4）農產品供應鏈可追溯安全管理

為了使消費者充分了解農產品的種源情況、生產基地環境質量、生產操作過程、用料情況、加工銷售過程等各個環節，結合目前先進的條碼技術對農產品的流通進行編碼，從而建立安全的農產品生產全程追溯管理。

通過一系列技術措施實現系統的安全管理。如質量安全管理。它采用各傳感器、視頻設備、GIS地理信息技術、GPS定位技術、二維碼技術，并建設一個智能分析模型，實現農業質量安全管理平臺，能夠在互聯網及桌面電腦、智能手機等終端上進行系統訪問與管理各個設備。

5）農業物流運輸安全管理

基于GPS衛星導航定位技術、RFID技術、傳感技術、GIS等多種技術，在物流過程中實現實時車輛定位、運輸物品監控，在線調度與配送可視化與管理，可實現與物流作業系統、生產信息、訂單信息對接，從而實現自動化、智能化。

供應鏈可追溯系統采用二維碼技術、RFID技術、GIS與GPS技術實現供應鏈可追溯平臺，能夠在互聯網及桌面電腦、智能手機等終端上進行系統訪問。

6）物聯網技術加強農業裝備與設施管理

隨著設施農業快速發展和裝備大量使用，各種農業等設施裝備的問題日益突出，事故隱患增加。為進一步提升設施農業裝備安全及生產水平，需要建設一套完善的農業裝備管理系統來滿足日益發展的需要。

設施裝備是設施農業發展的基礎條件。加強設施農業裝備的維護管理，減輕氣候劇烈變化對設施農業生產帶來的不利影響，為確保農產品生產供應正常。該系統方案使用的主要技術手段是采用傳感器、視頻監控；并建立裝備與設施信息庫、狀態庫、調度服務庫及智能分析平臺。

農業物聯網建設與應用是采用物聯網技術、通信技術、傳感技術的基礎上，實現資源整合，形成技術體系并進行應用與推廣。這對改變粗放的農業經營管理方式，提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，提高農業生產智能化水平具有重要的現實意義。

4.農業物聯網的關鍵技術

農業物聯網的關鍵技術主要是傳感器網絡技術、射頻識別技術（身份識別技術）、通信技術、智能處理技術等。

1）傳感器網絡技術

無線傳感器網絡是農業物聯網中感知事物、傳輸數據的重要手段，可以構成農業物聯網的重要的觸角和神經。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡在農業信息化領域中得到了廣泛的應用，如精準農業、智能化專家管理系統、遠程監測等方面。

基于無線傳感器網絡的精準農業控制系統可以實現環境的實時在線監測。系統由無線傳感器網絡、無線網關和監測中心三部分組成。分布在監測區域的傳感器節點采集環境數據，數據包括土壤溫度、濕度、大氣氣壓、風速、作物生長情況等。傳感器的類型可以根據需要監測的農田參數進行選擇，如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、光照強度傳感器等。傳感器節點以ZigBee自組網方式構成傳感器網絡，并通過一跳或多跳的無線通信方式將數據發送至無線網關。無線網關接收傳感器節點傳送來的數據，通過其他外部的網絡（Internet或GPRS）將數據傳送到監測中心。監測中心負責對目標監測區域發出各項環境指標的查詢請求命令，并對收集上來的數據進行分析處理，為農業專家決策并制定農田變量作業處方提供主要數據源和參數。

2）射頻識別技術（身份識別技術）

農業物聯網需要在感知層中對大量的物體進行個體標識，即身份識別技術。射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）標簽技術已成為農業物聯網中對物體感知識別的主要技術，并且通過與互聯網、通信等技術相結合，可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無須人工干預。RFID系統由電子標簽、讀寫器和中央信息系統三個部分組成，電子標簽可分為依靠自帶電池供電的有源電子標簽和無自帶電源的無源電子標簽。當電子標簽進入讀寫器發出的射頻信號覆蓋的范圍內后，無源電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發送存儲在芯片中的產品信息，有源電子標簽主動發送某一頻率的信號來傳遞自身的產品信息。當讀寫器讀取到信息并解碼后，將信息送至中央信息系統進行數據處理。

RFID技術在農產品質量安全監管中的應用越來越普及，在農產品質量安全追溯中的研究也取得了一定進展。RFID技術在農產品可追溯系統的應用可深入農產品原料、產品加工、物流銷售各方面。在農畜產品飼養環節上，RFID技術可以用來標識動物、記錄和控制瘟疫等，主要有項圈電子標簽、紐扣式電子耳標、耳部注射式電子標簽以及通過食道放置的瘤胃電子標簽等方式來記錄動物的信息。

3）通信技術

農業物聯網中的通信技術根據其作用不同大致可以分為兩類：一類為無線通信技術，即農業物聯網中短距無線自組織網絡內物與物之間的通信，如無線射頻識別技術RFID，WSN中常用到的低功耗的近距離無線組網通信技術ZigBee，此外還有UWB，Wi-Fi，WiMax，Bluetooth，6LoWPAN等技術；另一類為從無線通信到傳統電信網絡或互聯網的網絡接入技術，包括GSM，TD-SCDMA等蜂窩網絡，WLAN，WPAN等專用無線網絡，Internet等各種網絡，農業物聯網的網絡接入是通過網關來完成的。農業物聯網中的無線通信技術將繼續致力于滿足微型化、低功耗、高可靠性的要求，如低功耗射頻芯片、片上天線、毫米波芯片的研究也將成為熱點。

4）智能處理技術

針對農業物聯網感知層收集的海量數據，處理層將對這些數據和信息進行分析和處理，云計算的“云端”就在處理層，主要通過數據中心來提供服務對物體實施智能化的控制。云計算是一種新興的計算模式，是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需服務。云計算主要采用數據挖掘、模式識別、搜索引擎、數據分析、人工智能等技術，向物聯網提供大容量、高性能的決策判斷和處理控制等功能。

5.農業物聯網關鍵技術發展趨勢

農業物聯網關鍵技術發展趨勢見表2-1。