基于物联网技术的智能农业

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1、基于物联网技术的智能农业班级：网络 B122 学号： 201207024232 姓名：周叶摘要：本文介绍了物联网的概念和体系架构， 以及物联网技术的应用， 重点介绍了物联网在农业上的应用，引申出智能农业的概念。 阐述了智能农业的发展背景以及国内外的研究现状，详细介绍了在智能农业上应用的物联网技术，提出智能农业目前存在的问题以及解决方法。将物联网技术应用到农业生产和科研中是现代农业依托新型信息化应用的一大进步， 可以改变粗放的农业经营管理方式， 提高动植物疫情疫病防控能力， 确保农产品质量安全， 从而引领现代农业的发展，是物联网与农业领域的一次结合，对现代农业具有一定参考意义。关键词：物联网、智

2、能农业、传感器目录1. 引言 . 32. 物联网的理解 . 32.1 物联网（ Internet of things ）的定义 . 32.2 物联网的体系架构 . 43. 智能农业的发展 . 43.1 智能农业的定义 . 43.2 智能农业的背景 . 43.3 智能农业的研究现状 . 53.3.1 国外研究现状 . 53.3.2 国内研究现状 . 64.智能农业的应用 . 74.1 智能灌溉 . 74.2 智能温室 . 84.3 智能病虫害诊断 . 84.4 智能农业的具体应用实例 . 95.智能农业中的物联网技术 . 95.1 农业信息感知 . 105.1.1 作物生长环境感知 . 105.

3、1.2 养殖环境感知 . 115.1.3 动物识别与生理感知 . 115.2 农业信息传输 . 115.3 农业信息处理 . 126.智能农业的问题与解决办法 . 126.1 存在的问题 . 126.2 如何解决？ . 137. 结语 . 131. 引言信息科学技术已经产生了三次浪潮， 第一次是 1980年 PC机的出现，第二次浪潮是 1995 年互联网的出现，而第三次浪潮就是物联网的产生。物联网是现代信息技术发展到一定阶段的必然产物，是多项现代技术的殊途同归与聚合应用，是信息技术系统性的创新与革命。物联网技术也称为传感网技术，是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，它综合了传感器技术、

4、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测和采集各种被测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送， 并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会的三元世界连通。物联网是信息感知和采集的一场革命 ,在新一代网络中具有关键作用。美国商业周刊认为物联网是全球未来四大高技术产业之一，是 21 世纪世界最具有影响力的 21 项技术之一。物联网的应用非常广泛，大到国防军事、精细农业、数字油田等领域，小到智能家居、个人医疗等方面，物联网无所不在、无所不能。当物联网与互联网、移动通讯网结合时，可随时随地全方位 “

5、感知”对方，人类的生活方式将从 “感觉” 跨到“感知”阶段，从“感知”阶段到“控制”阶段。由此可以预见，物联网的应用将带动所有传统产业部门的结构调整和产业升级， 并将推动国家整个经济结构的调整。那么何为物联网？2. 物联网的理解2.1 物联网（ Internet of things ）的定义物联网是通过射频识别（ RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。其核心是将互联网扩展应用于我们所生活的各个领域。2.

6、2 物联网的体系架构物联网应具备三个特征：一是全面感知，即利用 RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去； 三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算机技术，对海量数据和信息进行分析和处理， 对物体实施智能化的控制。 因此，物联网的体系架构被公认为有三个层次，即感知层、网络层、应用层。感知层主要实现只能感知功能，包括信息采集、捕获和物体识别。网络层主要实现信息的传送和通信。应用层则主要包括各类应用，如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。3. 智能农业的发展3.1 智能

7、农业的定义物联网已经无处不在，它跟我们的生活息息相关，改变着我们的生活方式，同时也广泛应用于农业各个领域。本文我们要介绍的就是物联网在现代农牧业领域的应用，即智能农业。智能农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与陆地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。它主要包括监视农作物灌溉情况，检测土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测，收集温度、湿度、风力、大气、降雨量等数据信息，测量有关土地的湿度、氮含量变化和土壤 pH值等，从而进行科学预测，帮助农民合理施肥、使用农药、抗灾、减灾，科学种植，提高

8、农业综合效益。3.2 智能农业的背景作为一个以农业发展为主的大国，使用智慧科学的管理模式去经营至关重要。传统设施农业主要依靠大量的人力、 手工工具和一些简单的机械设备， 农民基本靠经验种植，导致农业所消耗的耗的水资源、农药、化肥等都在飞速增长，数据相当惊人，但是农业产量依然很低。依靠那些滞后的生产技术及落后的生产工具维持着简单再生产已毫无意义， 传统农业技术落后，使得农业产量增长速度极其缓慢，浪费了大量的人力物力，导致生产效率没有提升的空间。 面对现在这种形式，农业有太多的迫切的问题需要解决。 根据“全国农业农村信息化发展十二五规划” 和“国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要”的要求，结合我

9、国农业的现状，通过物联网技术及农业信息化建设改变粗放的农业生产管理方式， 提高农业生产效率及农产品质量，促进农业增产、农民增收，农村发展、农民富裕，从而尽早实现农村城镇一体化的设想。 因此，智能农业应运而生。在加快传统农业转型升级的过程中，智能农业将成为发展现代农业的重要内容， 为加快发展农村经济，进一步提高农民的收入，提供新的经济增长；为加快农业产业化进程，增强农业经济综合竞争力提供新的技术支撑。3.3 智能农业的研究现状3.3.1 国外研究现状在农业资源监测和利用领域，美国和欧洲主要利用资源卫星对土地利用信息进行实时监测，并将其结果发送到各级监测站，进入信息融合与决策系统，实现大区域农业的

10、统筹规划。 例如，美国加州大学洛杉矶分校建立的林业资源环境监测网络，通过对加州地区的森林资源进行实时监测， 为相应部门提高实时的资源利用信息，为统筹管理林业提供支撑。在农业生态环境监测领域，美国、法国和日本等一些国家主要综合运用高科技手段构建先进农业生态环境监测网络， 通过利用先进的传感器感知技术、 信息融合传输技术和互联网技术等建立覆盖全国的农业信息化平台， 实现对农业生态环境的自动监测，保证农业生态环境的可持续发展。 例如，美国已形成了生态环境信息采集 - 信息传输处理 -信息发布的分层体系结构。法国利用通信卫星技术对灾害性天气进行预报，对病虫害进行测报。在农业生产精细管理领域，美国、澳大

11、利亚、法国、加拿大等一些国家在大田粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控制、 果园生产不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水产精细化养殖监测网络和精细养殖等方面应用广泛。例如， 2008 年，法国建立了较为完备的农业区域监测网络，指导施肥、施药、收获等农业生产过程。荷兰 VELOS智能化母猪管理系统在荷兰以及欧美许多国家得到广泛应用，能够实现自动供料、自动管理、自动数据传输和自动报警。泰国初步形成了小规模的水产养殖物联网，解决了 RFID技术在水产品领域的应用难题。在农产品安全溯源领域，国外发达国家在动物个体编号识别、 农产品包装标识及农产品物流配送等方面应用广泛。例如加拿大肉牛 2

12、001 年起使用一维条形码耳标，目前已过渡到使用电子耳标。 2004 年日本基于 RFID技术构建了农产品追溯试验系统，利用 RFID标签，实现对农产品流通管理和个体识别。3.3.2 国内研究现状在农业资源监测和利用领域，我国主要将 GPS定位技术与传感技术相结合，实现农业资源信息的定位与采集； 利用无线传感器网络和移动通信技术， 实现农业资源信息的传输；利用 GIS技术实现农业资源的规划管理等。 例如杭州电子科技大学学者研究了基于无线传感器网络的湿地水环境数据视频监测系统， 该系统实现对湿地全天候的实时监测， 具有数据分析与处理，并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响的水域的水环境状况实时报

13、警等功能。在农业生态环境监测领域，我国研制了地面监测站和遥感技术结合的墒情监测系统，建立了农业部至各省、重点地县的农业环境监测网络系统等一批环境监测系统，实现对农业环境信息的实时监测。 例如我国每年通过农业环境监测网络开展农业环境常规监测工作，获取监测数据 10 万多个；融合智能传感器技术的墒情监测系统已在贵阳、辽宁、黑龙江、河南、南京等地推广应用。在农业生产精细管理领域，我国在涉及田间环境土壤信息获取、 联合收获机自动测产、农田作物产量空间差异分布图自动生产和农业机械作业监控等大田粮食作物生产方面；在设施农业环境数据采集、发布，调控等设施农业生产方面；在果园监测、水肥控制、节水灌溉自动化等果

14、园精准管理方面； 在养殖环境监控、健康养殖等畜禽水产养殖等方面研发了一批系统， 且应用成效显著。例如国家农业信息化工程技术研究中心成功研制了基于 GNSS、GIS、GPRS等技术的农业作业机械远程监控调度系统，可优化农机资源分配，避免农机盲目调度。中国农业大学建立了蛋鸡健康养殖网络系统和水产养殖环境智能监控系统。在农产品安全溯源领域，我国开展了以提高农产品和食品安全为目标的溯源技术研究和系统建设，研发了农产品流通体系监管技术。例如北京、上海、南京、四川、广州、天津等地相继采用条码、IC卡、RFID等技术建立了农产品质量安全溯源系统。浙江大学、北京市农业信息中心等单位研究开发了车载端冷链物流信息

15、监测系统。4.智能农业的应用4.1 智能灌溉智能灌溉系统能根据农作物需水信息适时、适量地进行科学灌溉。它根据传感器收集温湿度、降雨量、ET（农作物腾散量和蒸发量的合称，又称腾发量）等多种信息，间接判断农作物水分和灌溉需求，进而控制灌溉装置进行灌水。图1是一个典型的智能灌溉系统结构，系统由无线传感网、传输网络、控制主机和水泵控制部分组成。系统通过传感网收集灌溉需求，并将信息上报给系统控制服务器，系统控制服务器对收集到的信息进行处理判断是否需要灌溉，将灌溉信号通过通用分组无线服务技术（GPRS）网络或紫蜂（ZigBee）网络传递给水泵控制机、管理员可以远程通过访问服务工作网站，监控灌溉信息，控制水

16、泵为农田供水。GPRS 图 1智能灌溉系统架构显示系统无线传感网络系统主机水泵控制系统水泵 1水泵2 水泵n 数据发送设备监控中心4.2 智能温室温室是设施农业最基本的技术实现形式之一， 其目的是营造适合农作物生长的人工气候环境，使农作物能够部分或者全部克服外界气候环境和土壤因素的制约，缩短生产周期，提高农产品产量和质量。传统温室环境只是进行单纯的冬季保温，后来发展到对植物生长所需的多个条件进行控制。智能温室系统是在普通温室的基础上， 结合现代化计算机自控技术、 智能传感技术等实现的。典型的智能温室由中心控制计算机、 现场控制机、各种传感器、电动执行器和通信网络等组成。温室内的传感器负责大棚内

17、温湿度、 光照度、CO2 浓度以及风速、风向、雨量等参数，通过网络传递到中心控制计算机。控制计算机按照农作物的种植要求设置技术参数， 经过系统处理后完成调节指令， 然后传输给现场控制机来控制风机、水泵、拉幕机、卷膜器、开窗机、加热、灌溉等设备，从而实现对温室温湿度、光照和通风等作业的智能管理。此外，控制计算机也计算农作物所需要营养、肥料和水分等，按生理要求与营养需要配制成营养液，采用针剂式滴灌和喷灌作业完成， 从而创造出适合农作物生长的最佳环境。 由于植物的生长能不受自然病虫侵害与土壤污染， 农产品可以实现清洁任何残留， 提高质量的目的。4.3 智能病虫害诊断我国病虫害情况较严重，病虫草害面积

18、达 2.36 亿公顷，导致每年损失粮食总量的 15%左右、果品蔬菜总量的 25%以上。虽然使用农药可以有效降低病虫草害的威胁，但农药的大量使用造成了果蔬农药残留和生物链污染， 降低了农产品质量。据统计，我国目前果蔬农药残留普遍，受农药污染的耕地面积已超过1300-1600 万公顷。因此，及时准确地获取病虫害信息并有针对性地喷洒农药是一个有效的缓解方法。实际生产中，农民往往只是靠经验和感觉诊断农作物病害，通常容易导致农药喷洒或者过量或者不足。基于物联网技术实现的智能病虫害诊断系统， 可有效解决这一问题。该系统通过摄像头和环境传感器采集农作物环境参数和叶片图像， 经过多跳转传输到网关节点进入蜂窝网

19、，进而传输到后台的诊断平台， 平台利用图像处理技术提取叶片特征信息，并通过查找病虫害模型库、 作物生长模型库、警告信息指导模型库等信息库来指导农药使用，实现对病虫害的实时监控和有效控制。4.4 智能农业的具体应用实例2008年，美国 Crossbow公司开发了基于无线传感网络的农作物监测系统，基于太阳能供电，能监测土壤温湿度与空气温度，通过 Internet 浏览器为客户提供了农作物健康生长情况的实时数据，已在美国批量应用。美国加州 Camalie 葡萄园应用了精确灌溉系统，它在 4.4 英亩区域部署了 20 个 Crossbow 公司的Mica2dot 节点，组建了土壤温湿度检测网络，实现了

20、精量控制灌溉，该系统在提高葡萄产量和葡萄甜度的同时， 大幅度节约了灌溉用水，节水量可达 16%-30%。日本富士通公司开发的富士通农场管理系统以全生命周期农产品质量安全控制为重点，带动设施农业生产、智能畜禽和智能水产养殖，实现设施农业管理、养殖场远程监控与维护、水产养殖生产全过程的智能化。2012 年，无锡阳山镇专门开发桃园种植技术的物联网监测系统，实现了高科技种桃，令人叹为观止。该镇有 25 亩桃林作为物联网种植园的示范基地，由22 个传感器和 3 个微型气象站组成的监测系统充当“智慧桃农”。该系统可以实时监测桃园土壤的温湿度及桃树叶面的湿度等数据， 并且可根据相应数值来决定是否补充水分等。

21、如果积累了丰富的实际数据后，还可以利用统计分析方法，找出水蜜桃的质量与生长环境的关系， 从而确定水蜜桃的最佳生长环境因素， 指导今后生产出更优质的水蜜桃。 这种绿色农业种植模式有效压缩了成本， 提高了经济效益，实现了高产、优品的种植目标。5.智能农业中的物联网技术物联网是以感知、识别、传递、分析、测控等技术手段实现智能化活动的新一代信息化技术，其特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息， 结合物联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互， 采用智能计算技术，对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力， 实现智能化的决策和控制。 物联网的感知层主要实现农业生态环境的感知、 作物的状态感

22、知和动植物的质量监测等；网络层主要实现感知层所获得信息到应用层的传输， 通过现有的无线网络传感器、互联网、通信网络或者未来的 NGN网络（下一代网络）来实现数据传输；应用层首先通过数据清洗和融合、 模式识别等手段形成最终数据， 然后提供给生态环境监测系统、生长系统、追溯系统使用。5.1 农业信息感知农业物联网感知层通过多种传感器（网络） ，实现对农产品的种植、养殖、储运等环节的信息感知。5.1.1 作物生长环境感知作物生长环境感知设备主要测量农作物生长环境中的温度、湿度、相对 pH值等物理量。（1） 土壤水分传感器土壤中的水分是农作物发育、生长的重要条件。土壤水分传感器用于对各类土壤水分进行在

23、线实时测量， 使得既不影响作物生长又不浪费水资源， 可应用于土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制等。（2） 土壤 pH值传感器土壤的 pH 是农田土壤信息中的一个十分重要的参数，目前使用的传感器是光纤 pH值传感器，具有抗电磁干扰、安全可靠并可用于在线遥测等特点。（3） 土壤养分传感器土壤养分是指土壤提供给作物生长的必须营养元素， 包含土壤有机质、氮、磷、钾以及交换性钙和镁等 13 种元素。在土地上播种施肥以前，测量土壤养分有助于更好地利用土壤自身含有的养分，同时及时补充含量不足的元素。（4） CO2浓度传感器CO2浓度传感器能够检测出大气环境中 CO2的气体含量，常常用于温室环境决定是否增施气肥

24、或通风换气等。（5） 图像采集设备图像采集设备可以采集农作物生长状态的直观信息，用于疾病、病虫害等异常状态判断。5.1.2 养殖环境感知养殖环境感知包括牲畜禽舍的环境感知、 水产养殖环境感知等，感知信息包括温度、湿度、水体 pH值、水溶氧、禽舍氨气、致病性细菌浓度等。（1）氨气传感器氨气传感器用于检测畜禽舍环境中氨气含量，以决定是否需要通风换气和清楚粪便，确保禽畜产品的质量和产量。（2）水溶氧传感器水溶氧与空气中氧气量、水温、水中各盐类和藻类、风力、流动等因素有关，其浓度会动态变化，这就需要用水溶氧浓度传感器来测定水体溶氧量， 以决定是否增氧以确保水体养殖生产安全。5.1.3 动物识别与生理感

25、知动物识别与生理感知主要通过建立牲畜标识系统，并利用各种动物生理传感器来实现畜牧养殖自动化和智能化。（1）动物耳标通过施加于牲畜耳部的耳标标识来证明牲畜身份和承载牲畜个体信息。一旦发生疫情和畜产品质量等问题，即可追溯其来源，分清责任。（2）留胃式电子标签电子标签通过传感器采集牲畜的生活习惯和健康状态， 记录采食、运动量、疾病发生率等，还可以帮助饲养场掌握牲畜的发情期，筛选品种。5.2 农业信息传输信息传输通常经过接入网和主干网两步骤。主干网指互联网和移动通信网，是农业物联网的核心网络；接入网完成信息的短距离传输汇聚。（1） ZigBee 短距离传输技术 ZigBee 是一种便宜、功耗低的近距离

26、无线组网通信技术，特点是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。（2） 无线地下传感器网络无线地下传感器网络主要应用于农业土壤监测中。5.3 农业信息处理（1）农业病虫草害识别目前的农业病虫草害识别方法主要是靠提取农作物图像中的颜色特征参数结合模式识别技术和各种分类算法，进行相应的识别处理。（2）施肥精准控制精准施肥在每一操作单元上按照土壤肥力变异状况、田间杂草及病虫害分布情况生成处方图，再结合 GPS控制施肥机或喷药机实现定点、 定量施肥，大大提高了肥料利用率和施肥经济效益，减小了对环境的不良影响。6.智能农业的问题与解决办法6.1 存在的问题（1） 智能感知器的成本问题目前，农

27、业环境和动植物群（个）体信息采集和传输的感知设备成本相对还比较昂贵。如农产品供应链上的电子标签，生产 100 万个的成本约为 14 美分/ 个。除此之外还有实施 RFID 所需的基础设施的成本，如阅读器的购置价格等。因为农产品的本身价值并不大，使用 RFID 所增加的成本相比之下显得过高，目前只适用于一些高价值的农产品。（2） 农田无线传感器网络体系的功耗问题由于农作物生产周期较长，传感器节点数量较多，如果经常更换电池将是一项耗资巨大的工作。如何有效节省电能、延长网络的生命周期，是面向大规模农田种植的无线传感器网络需解决的重要问题。（3） 物联网感知节点上数据高效传输问题农业监测区域分布大量传

28、感器节点（ sensor node）和少数汇聚节点（ sink node），传感器节点负责采集相关数据信息，最终将数据传送至汇聚节点。由于农业物联网具有感知数据量大、无线通信带宽低、时效性强的特征，网络节点在能量、计算、存储及通信能力方面存在局限性，数据高效传输与管理问题是提高节点协作感知、采集、处理、发布效率的有效途径。6.2 如何解决？在如何促进物联网发展方面，应围绕本地优势与特色产业，结合高校、科研院所和企业的现有的研究成果， 选择关键领域集中力量，扶持有广阔应用前景的传感器开发重点突破，以点带面，全面发展。以农业物联网技术试验示范建设为重点，进而带动农业物联网技术的推广和应用， 提高农

29、业的产出率和土地利用率，提高农业抗御自然风险的能力。同时，跟踪国际农业物联网发展前沿和动态，提高农业现代化水平，提高农业生产的综合效益。7. 结语农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要，也是未来农业发展水平的一个重要标志，它将是未来农业发展的方向。它必将提高全球农业产品的数量和质量，提高农民的收入，增强食品安全，实现农业自动化、智能化，使人类从繁重的劳动中解脱出来，从而彻底解放生产者，形成以人为本的生产方式，提高全人类的生活质量。 2009 年 10月 24 日中国的第 1 颗物联网的中国芯“唐芯一号”芯片研制成功，在一定程度上表明了中国已经攻克了物联网的部分核3心技术 。正是由于这些关键技

30、术的蓬勃发展， 才使得物联网应用于现代农业得以实现。中国有坚实的技术和知识基础，农业生产设备数学化、自动化和智能化程度也越来越高。尽管物联网在农业中的应用还面临着巨大的挑战，相信随着各种技术的不断发展，农业智能生产时代也会距离人们越来越近。 我们相信，在不远的未来，全自动智能化农业将会将人们从繁重的劳动中彻底解放出来。参考文献：1 卢建军 . 物联网概论 M. 北京：中国铁道出版社， 2012:7-15,136-137 2 崔艳荣、周贤善 . 物联网概论 M. 北京：清华大学出版社， 2014：1-7,232 3 李蔚田 . 物联网基础与应用 M. 北京：北京大学出版社， 2012:204-227 4 李建功、王健全、王晶、何青 . 物联网关键技术与应用 M. 北京：机械工业出版社， 2013：173-177 5 刘海涛 . 物联网技术应用 M. 北京：机械工业出版社， 2011:98-119