物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)

1、物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)劉亞東摘要：該文從物聯(lián)網(wǎng)及智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵出發(fā)，提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，在科學(xué)分析農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的對策與建議。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；云計(jì)算；專家系統(tǒng)中圖分類號：S126引言從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展大致經(jīng)歷了電腦農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)4個(gè)過程。智慧農(nóng)業(yè)把農(nóng)業(yè)看成一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的整體系統(tǒng)，在生產(chǎn)中全面綜合地應(yīng)用信

2、息技術(shù)。透徹的感知技術(shù)、廣泛的互聯(lián)互通技術(shù)和深入的智能化技術(shù)使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)更加有效、更加智慧和更加聰明，從而達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品競爭力強(qiáng)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、有效利用農(nóng)村能源和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。筆者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)支撐，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備正朝著低成本、自適應(yīng)、高可靠和微功耗的方向發(fā)展，未來傳感網(wǎng)也將逐漸具備分布式、多協(xié)議兼容、自組織和高通量等功能特征，實(shí)現(xiàn)信息處理實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和高效。1物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵1.1農(nóng)業(yè)

3、物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)定義是通過智能傳感器、射頻識別（RFID）、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感等信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)和其他基于物－物通信模式（M2M）的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨大智能網(wǎng)絡(luò)［1］。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用逐漸緊密結(jié)合，形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。筆者認(rèn)為，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

4、、經(jīng)營、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用，具體講就是運(yùn)用各類傳感器，廣泛地采集大田種植、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品物流等農(nóng)業(yè)相關(guān)信息；通過建立數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法，集成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度（個(gè)域、視域、區(qū)域、地域）傳輸；最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合、處理，并通過智能化操作終端實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的過程監(jiān)控、科學(xué)管理和即時(shí)服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。1.2智慧農(nóng)業(yè)智慧

5、農(nóng)業(yè)智慧農(nóng)業(yè)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐和手段的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)形態(tài)，它和電腦農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)一樣屬于農(nóng)業(yè)信息化的范疇，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。電腦農(nóng)業(yè)是1990年科技部組織實(shí)施的“農(nóng)業(yè)智能化信息技術(shù)應(yīng)用工程”的簡稱，屬國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目?！半娔X農(nóng)業(yè)”的實(shí)質(zhì)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用，即把眾多農(nóng)業(yè)技術(shù)專家掌握的知識輸入電腦，建立一套科學(xué)的程序，用電腦模仿人腦進(jìn)行推理決策，對各種單項(xiàng)的農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)成果進(jìn)行綜合組裝配套，給出一個(gè)易于操

6、作的、科學(xué)明了的答案，用以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2］。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也稱精細(xì)農(nóng)業(yè)或精確農(nóng)業(yè)，是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施與現(xiàn)代信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其核心技術(shù)是“3S”技術(shù)?！?S”技術(shù)是遙感（RemoteSensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（GeographicalInfmationSystem，GIS）和全球定位系統(tǒng)（GlobalPositionSystem，GPS）的統(tǒng)稱。其中，GPS具有全球性、全天候和連續(xù)定時(shí)定位的優(yōu)勢，可以對采集的農(nóng)田信息進(jìn)農(nóng)業(yè)傳感器

7、技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，也是智慧農(nóng)業(yè)的核心，農(nóng)業(yè)傳感器主要用于采集各個(gè)農(nóng)業(yè)要素信息，包括種植業(yè)中的光、溫、水、肥、氣等參數(shù)；畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的二氧化碳、氨氣和二氧化硫等有害氣體含量，空氣中塵埃、飛沫及氣溶膠濃度，溫、濕度等環(huán)境指標(biāo)等參數(shù)；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的溶解氧、酸堿度、氨氮、電導(dǎo)率和濁度等參數(shù)。RFID技術(shù)即RadioFrequencyIdentification（射頻識別），俗稱電子標(biāo)簽。這是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識

8、別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯中有著廣泛的應(yīng)用。GPS是美國20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，具有全天候、高精度、自動化和高效益等顯著特點(diǎn)。在智慧農(nóng)業(yè)中，GPS技術(shù)的實(shí)時(shí)3維定位和精確定時(shí)功能，可以實(shí)時(shí)地對農(nóng)田水分、肥力、雜草和病蟲害、作物苗情及產(chǎn)量等進(jìn)行描述和跟蹤，農(nóng)業(yè)機(jī)械可以將作物需要的肥料送到準(zhǔn)確的位置，而且可以將農(nóng)藥噴灑到

9、準(zhǔn)確位置［45］。RS技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息，在不同的作物生長期，實(shí)施全面監(jiān)測，根據(jù)光譜信息，進(jìn)行空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量的田間時(shí)空變化信息。3.2信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù)農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)傳輸信息的必然路徑，在智慧農(nóng)業(yè)中運(yùn)用最廣泛的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是以無線通信方式形成的一個(gè)自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，

10、負(fù)責(zé)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。在智慧農(nóng)業(yè)中，ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于無線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中，如大田灌溉、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯等。3.3信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的必要手段，也是智慧農(nóng)業(yè)自動控制的基礎(chǔ)，主要涉及云計(jì)算、GIS、專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)等信息技術(shù)。云計(jì)算（CloudCo

11、mputing）指將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲空間和各種軟件服務(wù)。智慧農(nóng)業(yè)中的海量感知信息需要高效的信息處理技術(shù)對其進(jìn)行處理。云計(jì)算能夠幫助智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)信息存儲資源和計(jì)算能力的分布式共享，智能化信息處理能力為海量信息提供支撐。GIS主要用于建立土地及水資源管理、土壤數(shù)據(jù)、自然條件、生產(chǎn)條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進(jìn)行空間信息的地理統(tǒng)計(jì)處理、圖形

12、轉(zhuǎn)換與表達(dá)等，為分析差異性和實(shí)施調(diào)控提供處方?jīng)Q策方案。專家系統(tǒng)（ExpertSystem，簡稱ES），指運(yùn)用特定領(lǐng)域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復(fù)雜的、具體的問題，達(dá)到與專家具有同等解決問題能力的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。研制農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的目的是為了依靠農(nóng)業(yè)專家多年積累的知識和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服時(shí)空限制，對需要解決的農(nóng)業(yè)問題進(jìn)行解答、解釋或判斷，提出決策建議，使計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)活動中起到類似人類農(nóng)業(yè)專家的作用［6

13、］。決策支持系統(tǒng)（DecisionSupptSystem，簡稱DSS），是輔助決策者通過數(shù)據(jù)、模型和知識，以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)在小麥栽培、飼料配方優(yōu)化設(shè)計(jì)、大型養(yǎng)雞廠的管理、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉優(yōu)化、土壤信息系統(tǒng)管理以及農(nóng)機(jī)化信息管理上進(jìn)行了廣泛應(yīng)用研究。智能控制技術(shù)（IntelligentControlTechnology，簡稱ICT），是控制理論發(fā)展的新階段，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難