第2章 农业物联网

2.1 概述

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向。物联网（The Internet of Things）的概念于1999 年提出，是将所有物品通过各种信息传感设备，如射频识别装置、基于光声电磁的传感器、3S技术、激光扫描器等各类装置与互联网结合起来，实现数据采集、融合、处理，并通过操作终端，实现智能化识别和管理。

近几年开始将物联网应用到农业中，使农业物联网在智能化培育控制、农产品质量安全、农业信息监测等方面表现出独特的优势，农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络。

1.农业物联网技术概述

所谓农业物联网，是指通过物联网技术实现农作物生长、农民生活、农产品生产流通等信息的获取，通过智能农业信息技术实现农业生产的基本要素与农作物栽培管理、禽畜饲养、施肥、植保以及农民教育相结合，以提升农业生产、管理、交易和物流等各环节智能化程度，为建立现代农业、发展农村经济、增加农民收入、完善基层农业技术推广和服务体系、提高农业综合生产能力、推进农村综合改革、提升农村行政服务效能以及推进社会主义新农村建设提供新一代技术支撑平台。既能改变粗放的农业经营管理方式，也能提高动植物疫情疫病防控能力，确保农产品质量安全，引领现代农业发展。

通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

2.农业物联网的应用范围及发展趋势

（1）物联网在现代农业中的应用。

物联网在现代农业中的应用包括：农业资源管理、农业生态环境管理、生产过程管理、农产品与食品安全、农业装备与设施。

① 农业资源管理：农地整治重大工程监管；基本农田数量、等级、利用效率、环境质量网络化管理；农用水资源管理、生产资料；

② 农业生态环境管理：农田土壤、地表与地下水环境、大气、光热、气象、灾害；

③ 生产过程管理：农田精耕细作、设施农业、健康养殖；

④ 农产品与食品安全：产地环境、产品储存、物流运输、营销；

⑤ 农业装备与设施：服务作业调度、工况监控、远程诊断服务。

（2）农业物联网的发展趋势。

① 智能化。

高新技术不断融合于农业机械化领域，农业机械智能化已成为提升农业装备制造业竞争力的需要，能够最大限度地发挥土壤和作物的潜力，做到既满足作物生长发育的需要，又减少农业物资的投入，从而降低物资消耗、增加利润、保护生态环境，实现农业可持续发展。

② 节约型。资源的不足和环境的退化是人类面临的重大问题，也是我国建设现代化农业和促进农村经济可持续发展过程中不可忽视的问题。积极推进节约型农业机械化发展，能够实现节水、节油、节肥、节药、节种和节能的目标，同时减少对环境的污染，取得较大的社会、生态和经济效益。因此，农业机械化发展对于实现农业经济增长方式的根本性转变和促进社会经济可持续发展具有重要的战略意义。

③ 精准化。随着节约型、环保型现代农业发展理念的深入，精量及定位播种和育秧、精准定位施肥及精量施药等精准农艺生产需求的发展，对高科技精量化农机装备的需求日益增长，给农机产品配备精准农业系统已经成为世界农机发展的潮流。

④ 大型化。考虑到我国土地集中、规模加大、复式作业和节本增效等问题，农业机械化向大型发展的趋势显得尤为必要，这是因为大型农业机械具有作业质量好、效率高、均作业成本低和有利于进行联合作业等优势，农用动力继续大型化将是未来我国农机发展趋势之一。

（3）农业物联网的应用前景。

物联网技术对于农业应用来说不是噱头而是机遇，物联网科技的发展也必将深刻影响现代农业的未来。

① 与农机装备技术。物联网的关键技术之一就是在物中安装传感器和其他控制系统。将这一技术应用于农业机械上就可以实现让土地说话，通过及时收集和掌握作物生长的一些重要参数，如土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度、光照强度、气压和CO2浓度等，可以摸索出植物生长对温度、湿度、光、土壤的需求规律，提供精准的科研实验数据。通过智能分析与智能控制，农业机械能及时作出决策，精确地满足植物生长对环境各项指标的要求，达到增产增收的目的，提高农业生产效率的效果。澳大利亚已经将物联网运用于农业机械，推出一种能识别莠草的喷雾器。这种喷雾器在田野移动时，能借助专门的电子传感器来识别莠草，发现莠草时才喷出除莠剂，从而大大节约了花费的除莠剂，减轻了对环境的污染。许多研究所和大学也成功利用传感器网络监测大田及温室土壤温湿度及建立节水灌溉系统，随时精确获取作物需水信息，为精量灌溉提供科学依据。

② 与农机4S体系的应用。农机4S体系是一种以整机销售（Sale）、零配件（Spare-part）、售后服务（Service）、信息反馈（Survey、）四位一体为核心的农机特许经营模式。对于这种新型的一条龙农机经营服务模式，物联网技术的应用可以在运输、销售、使用和回收等其他环节实现产品的定位追踪。改进农机销售商的库存管理，实现快速供货、适时补货，并最大限度地减少储存成本，提高效率，减少出错。即使在农机作业过程中出现问题，也可以准确地定位，作出及时的补救，使损失尽可能降到最低。

③ 对气候信息的实时监测。农业是对气候条件依赖性很高且生产周期较长的产业，面对这些极端气候现象，必然会给脆弱的农业产业带来严重危害，直接威胁百姓的米袋子和菜篮子的安全。因此，快速反应、积极应对极端气候已成为农业农村面临的一项极其紧迫而艰巨的任务。利用物联网的感应器技术原理，可以在该领域实现信息的实时监测，提高农业对洪水和干旱等破坏性自然灾害的抵御能力，加强对农业的管理，降低气候灾害对农业社区的危害程度，同时建立农业机械化应急体系来帮助农民应对气候变化。如在农业的水利水位上安装水位测定感应器，可以实现对水位数据的识别、采集和处理。

④ 在农业应急体系中的应用。我国是世界上灾害频发的地区之一。灾害的突发性、难以预料性是超乎人类想象的。如果处理得不及时，就会严重影响农业生产和农村社会的稳定，因此提高农业机械应急工作能力刻不容缓。考虑将农业物联网技术与农业机械结合来构建农业机械化应急体系，一是可以对不同灾害的有关环境参数进行实时采集，集中信息资源，建立灾害预警模型库、告警信息指导模型库，为灾害事故的预测、预报和防止提供可靠的数据基础和技术支持，如在小型超低空飞行器底部支架上装备数码摄像机实时获取地面蝗虫图像，从而实现灾情预警：二是在一些极端环境下，可以迅速决策，调配农业机械，做到运转有序、避免混乱，保证所需农机装备在最短的时间内运送到灾区第一线，如一旦发现灾情，可以及时调用农业航空飞机及所需的农用机械救灾；三是这样有针对性地调用农业机械可以避免运输费用的浪费，降低抗灾救灾的成本，最大限度地减轻农业损失。

3.农业物联网的管理

农业物联网作为推进产业信息化进程的重要战略，在实际发展中落实农业物联网于各个产业中的应用，农业物联网应用管理平台如图2-1所示。农业作为关系着国计民生的基础产业，其信息化、智慧化的程度则尤为重要。通过对物联网的跟踪研究及应用，将从物联网在智慧农业中提出新的应用模式与应用场景。

1）农业物联网对农业生态环境管理

农业生产是一个以自然生态系统为基础的人工生态系统，它远比自然生态系统结构简单，生物种类少，食物链短，自我调节能力较弱，易受自然气候、病虫害、杂草生长的影响。农业生产的不稳定性，很大程度上受自然环境的约束，因而应创造良好的农业生态环境，才能取得较佳的经济效益。良好的农业生态环境有赖于森林、草原、水域等生态系统的支持、保护和调节。农业生态系统就其生产力来说应当比自然生态系统更高，因此除太阳光照外，还必须加入辅助能，如农机、化肥、农药、排灌、收获、运输、加工等，通过人类的劳动和管理，只有不断地调整和优化生态系统的结构和功能，才能以较少的投入，得到最大的产出。通过集成大量科学合理的采用各传感器、视频设备、GIS地理信息技术、GPS定位技术、建设一个智能分析模型，实现农业生态环境信息化管理平台，能够在互联网及桌面电脑、智能手机等终端上进行系统访问与管理各个设备。

生态管理系统平台将前端各类传感器、后台综合分析管理平台进行科学集成，形成智能化的生态管理系统平台，前端各类传感器主要包含以下3类。

（1）电化学离子敏传感器：土壤N、P、K，重金属含量快速检测等。

（2）生物传感器：快速检测、高致性细菌等。

（3）气敏传感器：农产品品质、气体污染、排放监测等。

2）农业物联网对农业生产过程管理

农业生产过程管理的目标是利用物联网信息技术改善生产系统的工作效率、提高投入资源的附加值、减少不必要的浪费及资源损耗，从而满足客户需求。同时实施标准化的生产过程与管理，达到农业生产过程管理与提升农业生产竞争力的目标。

（1）标准化管理。组织标准化将每个成员的职责及工作调配加以标准化，使组织的运作在成员各司其职、分工协作下发挥团队的力量。物料标准化以减少资源浪费便于管理。作业标准化制定各项工作流程与注意事项。管理标准化建立各项管理指标，并以此作为评价实际作业的依据，了解实际运作的水平，并进行调整和控制。

（2）精耕细作管理。精耕细作在一定面积的土地上，投入较多的生产资料和劳动，采用先进的技术，进行细致的土地耕作，以提高单位面积产量。

（3）设施农业管理。设施农业是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业生产的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。设施农业在农林牧副渔业所占比重标志着农业的进化程度，是农业产业升级的重要标志。

（4）健康种植。采用科学的种植方法与管理，实现健康种植，提高农作物的品质与产量，为企业带来经济增加与效益。

技术实现方面，通过采用各传感器、视频设备、GIS地理信息技术、GPS定位技术、二维码技术，并建设一个智能分析模型，实现农业生产过程信息化管理平台，实现在互联网及桌面电脑、智能手机等终端上进行系统访问与管理各个设备。

3）控制危害与损失的农产品安全管理

农产品安全管理系统，主要功能是对农产品安全进行全程监控管理，为企业农产品安全提升到新的高度，从而向消费者提供安全、可靠、高质量的农产品。

（1）质量安全管理。农产品质量安全管理以农业企业档案数据为基础，围绕“生产、库存、销售”3条主线，对农产品的生产环境、生产活动、销售状况实施电子化管理。

（2）物流运输安全管理。基于物联网物流运输管理是采用信息化、智能化、可视化等先进物联网技术特征。采用红外、激光、无线、编码、识别、定位、传感器、RFID等高新技术，实现物流运输安全。

4）农产品供应链可追溯安全管理

为了使消费者充分了解农产品的种源情况、生产基地环境质量、生产操作过程、用料情况、加工销售过程等各个环节，结合目前先进的条码技术对农产品的流通进行编码，从而建立安全的农产品生产全程追溯管理。

通过一系列技术措施实现系统的安全管理。如质量安全管理。它采用各传感器、视频设备、GIS地理信息技术、GPS定位技术、二维码技术，并建设一个智能分析模型，实现农业质量安全管理平台，能够在互联网及桌面电脑、智能手机等终端上进行系统访问与管理各个设备。

5）农业物流运输安全管理

基于GPS卫星导航定位技术、RFID技术、传感技术、GIS等多种技术，在物流过程中实现实时车辆定位、运输物品监控，在线调度与配送可视化与管理，可实现与物流作业系统、生产信息、订单信息对接，从而实现自动化、智能化。

供应链可追溯系统采用二维码技术、RFID技术、GIS与GPS技术实现供应链可追溯平台，能够在互联网及桌面电脑、智能手机等终端上进行系统访问。

6）物联网技术加强农业装备与设施管理

随着设施农业快速发展和装备大量使用，各种农业等设施装备的问题日益突出，事故隐患增加。为进一步提升设施农业装备安全及生产水平，需要建设一套完善的农业装备管理系统来满足日益发展的需要。

设施装备是设施农业发展的基础条件。加强设施农业装备的维护管理，减轻气候剧烈变化对设施农业生产带来的不利影响，为确保农产品生产供应正常。该系统方案使用的主要技术手段是采用传感器、视频监控；并建立装备与设施信息库、状态库、调度服务库及智能分析平台。

农业物联网建设与应用是采用物联网技术、通信技术、传感技术的基础上，实现资源整合，形成技术体系并进行应用与推广。这对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，提高农业生产智能化水平具有重要的现实意义。

4.农业物联网的关键技术

农业物联网的关键技术主要是传感器网络技术、射频识别技术（身份识别技术）、通信技术、智能处理技术等。

1）传感器网络技术

无线传感器网络是农业物联网中感知事物、传输数据的重要手段，可以构成农业物联网的重要的触角和神经。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络在农业信息化领域中得到了广泛的应用，如精准农业、智能化专家管理系统、远程监测等方面。

基于无线传感器网络的精准农业控制系统可以实现环境的实时在线监测。系统由无线传感器网络、无线网关和监测中心三部分组成。分布在监测区域的传感器节点采集环境数据，数据包括土壤温度、湿度、大气气压、风速、作物生长情况等。传感器的类型可以根据需要监测的农田参数进行选择，如温湿度传感器、大气压力传感器、光照强度传感器等。传感器节点以ZigBee自组网方式构成传感器网络，并通过一跳或多跳的无线通信方式将数据发送至无线网关。无线网关接收传感器节点传送来的数据，通过其他外部的网络（Internet或GPRS）将数据传送到监测中心。监测中心负责对目标监测区域发出各项环境指标的查询请求命令，并对收集上来的数据进行分析处理，为农业专家决策并制定农田变量作业处方提供主要数据源和参数。

2）射频识别技术（身份识别技术）

农业物联网需要在感知层中对大量的物体进行个体标识，即身份识别技术。射频识别RFID（Radio Frequency Identification）标签技术已成为农业物联网中对物体感知识别的主要技术，并且通过与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预。RFID系统由电子标签、读写器和中央信息系统三个部分组成，电子标签可分为依靠自带电池供电的有源电子标签和无自带电源的无源电子标签。当电子标签进入读写器发出的射频信号覆盖的范围内后，无源电子标签凭借感应电流所获得的能量发送存储在芯片中的产品信息，有源电子标签主动发送某一频率的信号来传递自身的产品信息。当读写器读取到信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行数据处理。

RFID技术在农产品质量安全监管中的应用越来越普及，在农产品质量安全追溯中的研究也取得了一定进展。RFID技术在农产品可追溯系统的应用可深入农产品原料、产品加工、物流销售各方面。在农畜产品饲养环节上，RFID技术可以用来标识动物、记录和控制瘟疫等，主要有项圈电子标签、纽扣式电子耳标、耳部注射式电子标签以及通过食道放置的瘤胃电子标签等方式来记录动物的信息。

3）通信技术

农业物联网中的通信技术根据其作用不同大致可以分为两类：一类为无线通信技术，即农业物联网中短距无线自组织网络内物与物之间的通信，如无线射频识别技术RFID，WSN中常用到的低功耗的近距离无线组网通信技术ZigBee，此外还有UWB，Wi-Fi，WiMax，Bluetooth，6LoWPAN等技术；另一类为从无线通信到传统电信网络或互联网的网络接入技术，包括GSM，TD-SCDMA等蜂窝网络，WLAN，WPAN等专用无线网络，Internet等各种网络，农业物联网的网络接入是通过网关来完成的。农业物联网中的无线通信技术将继续致力于满足微型化、低功耗、高可靠性的要求，如低功耗射频芯片、片上天线、毫米波芯片的研究也将成为热点。

4）智能处理技术

针对农业物联网感知层收集的海量数据，处理层将对这些数据和信息进行分析和处理，云计算的“云端”就在处理层，主要通过数据中心来提供服务对物体实施智能化的控制。云计算是一种新兴的计算模式，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。云计算主要采用数据挖掘、模式识别、搜索引擎、数据分析、人工智能等技术，向物联网提供大容量、高性能的决策判断和处理控制等功能。

5.农业物联网关键技术发展趋势

农业物联网关键技术发展趋势见表2-1。