1、基于物聯網技術的智能農業班級：網絡 B122 學號： 201207024232 姓名：周葉摘要：本文介紹了物聯網的概念和體系架構， 以及物聯網技術的應用， 重點介紹了物聯網在農業上的應用，引申出智能農業的概念。 闡述了智能農業的發展背景以及國內外的研究現狀，詳細介紹了在智能農業上應用的物聯網技術，提出智能農業目前存在的問題以及解決方法。將物聯網技術應用到農業生產和科研中是現代農業依托新型信息化應用的一大進步， 可以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， 從而引領現代農業的發展，是物聯網與農業領域的一次結合，對現代農業具有一定參考意義。關鍵詞：物聯網、智

2、能農業、傳感器目錄1. 引言 . 32. 物聯網的理解 . 32.1 物聯網（ Internet of things ）的定義 . 32.2 物聯網的體系架構 . 43. 智能農業的發展 . 43.1 智能農業的定義 . 43.2 智能農業的背景 . 43.3 智能農業的研究現狀 . 53.3.1 國外研究現狀 . 53.3.2 國內研究現狀 . 64.智能農業的應用 . 74.1 智能灌溉 . 74.2 智能溫室 . 84.3 智能病蟲害診斷 . 84.4 智能農業的具體應用實例 . 95.智能農業中的物聯網技術 . 95.1 農業信息感知 . 105.1.1 作物生長環境感知 . 105.

3、1.2 養殖環境感知 . 115.1.3 動物識別與生理感知 . 115.2 農業信息傳輸 . 115.3 農業信息處理 . 126.智能農業的問題與解決辦法 . 126.1 存在的問題 . 126.2 如何解決？ . 137. 結語 . 131. 引言信息科學技術已經產生了三次浪潮， 第一次是 1980年 PC機的出現，第二次浪潮是 1995 年互聯網的出現，而第三次浪潮就是物聯網的產生。物聯網是現代信息技術發展到一定階段的必然產物，是多項現代技術的殊途同歸與聚合應用，是信息技術系統性的創新與革命。物聯網技術也稱為傳感網技術，是典型的具有交叉學科性質的軍民兩用戰略高技術，它綜合了傳感器技術、

4、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術、現代網絡及無線通信技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測和采集各種被測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送， 并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算機世界以及人類社會的三元世界連通。物聯網是信息感知和采集的一場革命 ,在新一代網絡中具有關鍵作用。美國商業周刊認為物聯網是全球未來四大高技術產業之一，是 21 世紀世界最具有影響力的 21 項技術之一。物聯網的應用非常廣泛，大到國防軍事、精細農業、數字油田等領域，小到智能家居、個人醫療等方面，物聯網無所不在、無所不能。當物聯網與互聯網、移動通訊網結合時，可隨時隨地全方位 “

5、感知”對方，人類的生活方式將從 “感覺” 跨到“感知”階段，從“感知”階段到“控制”階段。由此可以預見，物聯網的應用將帶動所有傳統產業部門的結構調整和產業升級， 并將推動國家整個經濟結構的調整。那么何為物聯網？2. 物聯網的理解2.1 物聯網（ Internet of things ）的定義物聯網是通過射頻識別（ RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，方便識別和管理。其核心是將互聯網擴展應用于我們所生活的各個領域。2.

6、2 物聯網的體系架構物聯網應具備三個特征：一是全面感知，即利用 RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去； 三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算機技術，對海量數據和信息進行分析和處理， 對物體實施智能化的控制。 因此，物聯網的體系架構被公認為有三個層次，即感知層、網絡層、應用層。感知層主要實現只能感知功能，包括信息采集、捕獲和物體識別。網絡層主要實現信息的傳送和通信。應用層則主要包括各類應用，如監控服務、智能電網、工業監控、綠色農業、智能家居、環境監控、公共安全等。3. 智能農業的發展3.1 智能

7、農業的定義物聯網已經無處不在，它跟我們的生活息息相關，改變著我們的生活方式，同時也廣泛應用于農業各個領域。本文我們要介紹的就是物聯網在現代農牧業領域的應用，即智能農業。智能農業是指在相對可控的環境條件下，采用工業化生產，實現集約高效可持續發展的現代超前農業生產方式，就是農業先進設施與陸地相配套、具有高度的技術規范和高效益的集約化規模經營的生產方式。它主要包括監視農作物灌溉情況，檢測土壤空氣變更、畜禽的環境狀況以及大面積的地表檢測，收集溫度、濕度、風力、大氣、降雨量等數據信息，測量有關土地的濕度、氮含量變化和土壤 pH值等，從而進行科學預測，幫助農民合理施肥、使用農藥、抗災、減災，科學種植，提高

8、農業綜合效益。3.2 智能農業的背景作為一個以農業發展為主的大國，使用智慧科學的管理模式去經營至關重要。傳統設施農業主要依靠大量的人力、 手工工具和一些簡單的機械設備， 農民基本靠經驗種植，導致農業所消耗的耗的水資源、農藥、化肥等都在飛速增長，數據相當驚人，但是農業產量依然很低。依靠那些滯后的生產技術及落后的生產工具維持著簡單再生產已毫無意義， 傳統農業技術落后，使得農業產量增長速度極其緩慢，浪費了大量的人力物力，導致生產效率沒有提升的空間。 面對現在這種形式，農業有太多的迫切的問題需要解決。 根據“全國農業農村信息化發展十二五規劃” 和“國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要”的要求，結合我

9、國農業的現狀，通過物聯網技術及農業信息化建設改變粗放的農業生產管理方式， 提高農業生產效率及農產品質量，促進農業增產、農民增收，農村發展、農民富裕，從而盡早實現農村城鎮一體化的設想。 因此，智能農業應運而生。在加快傳統農業轉型升級的過程中，智能農業將成為發展現代農業的重要內容， 為加快發展農村經濟，進一步提高農民的收入，提供新的經濟增長；為加快農業產業化進程，增強農業經濟綜合競爭力提供新的技術支撐。3.3 智能農業的研究現狀3.3.1 國外研究現狀在農業資源監測和利用領域，美國和歐洲主要利用資源衛星對土地利用信息進行實時監測，并將其結果發送到各級監測站，進入信息融合與決策系統，實現大區域農業的

10、統籌規劃。 例如，美國加州大學洛杉磯分校建立的林業資源環境監測網絡，通過對加州地區的森林資源進行實時監測， 為相應部門提高實時的資源利用信息，為統籌管理林業提供支撐。在農業生態環境監測領域，美國、法國和日本等一些國家主要綜合運用高科技手段構建先進農業生態環境監測網絡， 通過利用先進的傳感器感知技術、 信息融合傳輸技術和互聯網技術等建立覆蓋全國的農業信息化平臺， 實現對農業生態環境的自動監測，保證農業生態環境的可持續發展。 例如，美國已形成了生態環境信息采集 - 信息傳輸處理 -信息發布的分層體系結構。法國利用通信衛星技術對災害性天氣進行預報，對病蟲害進行測報。在農業生產精細管理領域，美國、澳大

11、利亞、法國、加拿大等一些國家在大田糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、 果園生產不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面應用廣泛。例如， 2008 年，法國建立了較為完備的農業區域監測網絡，指導施肥、施藥、收獲等農業生產過程。荷蘭 VELOS智能化母豬管理系統在荷蘭以及歐美許多國家得到廣泛應用，能夠實現自動供料、自動管理、自動數據傳輸和自動報警。泰國初步形成了小規模的水產養殖物聯網，解決了 RFID技術在水產品領域的應用難題。在農產品安全溯源領域，國外發達國家在動物個體編號識別、 農產品包裝標識及農產品物流配送等方面應用廣泛。例如加拿大肉牛 2

12、001 年起使用一維條形碼耳標，目前已過渡到使用電子耳標。 2004 年日本基于 RFID技術構建了農產品追溯試驗系統，利用 RFID標簽，實現對農產品流通管理和個體識別。3.3.2 國內研究現狀在農業資源監測和利用領域，我國主要將 GPS定位技術與傳感技術相結合，實現農業資源信息的定位與采集； 利用無線傳感器網絡和移動通信技術， 實現農業資源信息的傳輸；利用 GIS技術實現農業資源的規劃管理等。 例如杭州電子科技大學學者研究了基于無線傳感器網絡的濕地水環境數據視頻監測系統， 該系統實現對濕地全天候的實時監測， 具有數據分析與處理，并對污染等突發事件和環境急劇變化所影響的水域的水環境狀況實時報

13、警等功能。在農業生態環境監測領域，我國研制了地面監測站和遙感技術結合的墑情監測系統，建立了農業部至各省、重點地縣的農業環境監測網絡系統等一批環境監測系統，實現對農業環境信息的實時監測。 例如我國每年通過農業環境監測網絡開展農業環境常規監測工作，獲取監測數據 10 萬多個；融合智能傳感器技術的墑情監測系統已在貴陽、遼寧、黑龍江、河南、南京等地推廣應用。在農業生產精細管理領域，我國在涉及田間環境土壤信息獲取、 聯合收獲機自動測產、農田作物產量空間差異分布圖自動生產和農業機械作業監控等大田糧食作物生產方面；在設施農業環境數據采集、發布，調控等設施農業生產方面；在果園監測、水肥控制、節水灌溉自動化等果

14、園精準管理方面； 在養殖環境監控、健康養殖等畜禽水產養殖等方面研發了一批系統， 且應用成效顯著。例如國家農業信息化工程技術研究中心成功研制了基于 GNSS、GIS、GPRS等技術的農業作業機械遠程監控調度系統，可優化農機資源分配，避免農機盲目調度。中國農業大學建立了蛋雞健康養殖網絡系統和水產養殖環境智能監控系統。在農產品安全溯源領域，我國開展了以提高農產品和食品安全為目標的溯源技術研究和系統建設，研發了農產品流通體系監管技術。例如北京、上海、南京、四川、廣州、天津等地相繼采用條碼、IC卡、RFID等技術建立了農產品質量安全溯源系統。浙江大學、北京市農業信息中心等單位研究開發了車載端冷鏈物流信息

15、監測系統。4.智能農業的應用4.1 智能灌溉智能灌溉系統能根據農作物需水信息適時、適量地進行科學灌溉。它根據傳感器收集溫濕度、降雨量、ET（農作物騰散量和蒸發量的合稱，又稱騰發量）等多種信息，間接判斷農作物水分和灌溉需求，進而控制灌溉裝置進行灌水。圖1是一個典型的智能灌溉系統結構，系統由無線傳感網、傳輸網絡、控制主機和水泵控制部分組成。系統通過傳感網收集灌溉需求，并將信息上報給系統控制服務器，系統控制服務器對收集到的信息進行處理判斷是否需要灌溉，將灌溉信號通過通用分組無線服務技術（GPRS）網絡或紫蜂（ZigBee）網絡傳遞給水泵控制機、管理員可以遠程通過訪問服務工作網站，監控灌溉信息，控制水

16、泵為農田供水。GPRS 圖 1智能灌溉系統架構顯示系統無線傳感網絡系統主機水泵控制系統水泵 1水泵2 水泵n 數據發送設備監控中心4.2 智能溫室溫室是設施農業最基本的技術實現形式之一， 其目的是營造適合農作物生長的人工氣候環境，使農作物能夠部分或者全部克服外界氣候環境和土壤因素的制約，縮短生產周期，提高農產品產量和質量。傳統溫室環境只是進行單純的冬季保溫，后來發展到對植物生長所需的多個條件進行控制。智能溫室系統是在普通溫室的基礎上， 結合現代化計算機自控技術、 智能傳感技術等實現的。典型的智能溫室由中心控制計算機、 現場控制機、各種傳感器、電動執行器和通信網絡等組成。溫室內的傳感器負責大棚內

17、溫濕度、 光照度、CO2 濃度以及風速、風向、雨量等參數，通過網絡傳遞到中心控制計算機。控制計算機按照農作物的種植要求設置技術參數， 經過系統處理后完成調節指令， 然后傳輸給現場控制機來控制風機、水泵、拉幕機、卷膜器、開窗機、加熱、灌溉等設備，從而實現對溫室溫濕度、光照和通風等作業的智能管理。此外，控制計算機也計算農作物所需要營養、肥料和水分等，按生理要求與營養需要配制成營養液，采用針劑式滴灌和噴灌作業完成， 從而創造出適合農作物生長的最佳環境。 由于植物的生長能不受自然病蟲侵害與土壤污染， 農產品可以實現清潔任何殘留， 提高質量的目的。4.3 智能病蟲害診斷我國病蟲害情況較嚴重，病蟲草害面積

18、達 2.36 億公頃，導致每年損失糧食總量的 15%左右、果品蔬菜總量的 25%以上。雖然使用農藥可以有效降低病蟲草害的威脅，但農藥的大量使用造成了果蔬農藥殘留和生物鏈污染， 降低了農產品質量。據統計，我國目前果蔬農藥殘留普遍，受農藥污染的耕地面積已超過1300-1600 萬公頃。因此，及時準確地獲取病蟲害信息并有針對性地噴灑農藥是一個有效的緩解方法。實際生產中，農民往往只是靠經驗和感覺診斷農作物病害，通常容易導致農藥噴灑或者過量或者不足。基于物聯網技術實現的智能病蟲害診斷系統， 可有效解決這一問題。該系統通過攝像頭和環境傳感器采集農作物環境參數和葉片圖像， 經過多跳轉傳輸到網關節點進入蜂窩網

19、，進而傳輸到后臺的診斷平臺， 平臺利用圖像處理技術提取葉片特征信息，并通過查找病蟲害模型庫、 作物生長模型庫、警告信息指導模型庫等信息庫來指導農藥使用，實現對病蟲害的實時監控和有效控制。4.4 智能農業的具體應用實例2008年，美國 Crossbow公司開發了基于無線傳感網絡的農作物監測系統，基于太陽能供電，能監測土壤溫濕度與空氣溫度，通過 Internet 瀏覽器為客戶提供了農作物健康生長情況的實時數據，已在美國批量應用。美國加州 Camalie 葡萄園應用了精確灌溉系統，它在 4.4 英畝區域部署了 20 個 Crossbow 公司的Mica2dot 節點，組建了土壤溫濕度檢測網絡，實現了

20、精量控制灌溉，該系統在提高葡萄產量和葡萄甜度的同時， 大幅度節約了灌溉用水，節水量可達 16%-30%。日本富士通公司開發的富士通農場管理系統以全生命周期農產品質量安全控制為重點，帶動設施農業生產、智能畜禽和智能水產養殖，實現設施農業管理、養殖場遠程監控與維護、水產養殖生產全過程的智能化。2012 年，無錫陽山鎮專門開發桃園種植技術的物聯網監測系統，實現了高科技種桃，令人嘆為觀止。該鎮有 25 畝桃林作為物聯網種植園的示范基地，由22 個傳感器和 3 個微型氣象站組成的監測系統充當“智慧桃農”。該系統可以實時監測桃園土壤的溫濕度及桃樹葉面的濕度等數據， 并且可根據相應數值來決定是否補充水分等。

21、如果積累了豐富的實際數據后，還可以利用統計分析方法，找出水蜜桃的質量與生長環境的關系， 從而確定水蜜桃的最佳生長環境因素， 指導今后生產出更優質的水蜜桃。 這種綠色農業種植模式有效壓縮了成本， 提高了經濟效益，實現了高產、優品的種植目標。5.智能農業中的物聯網技術物聯網是以感知、識別、傳遞、分析、測控等技術手段實現智能化活動的新一代信息化技術，其特征是通過傳感器等方式獲取物理世界的各種信息， 結合物聯網、移動通信網等網絡進行信息的傳送與交互， 采用智能計算技術，對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的感知能力， 實現智能化的決策和控制。 物聯網的感知層主要實現農業生態環境的感知、 作物的狀態感

22、知和動植物的質量監測等；網絡層主要實現感知層所獲得信息到應用層的傳輸， 通過現有的無線網絡傳感器、互聯網、通信網絡或者未來的 NGN網絡（下一代網絡）來實現數據傳輸；應用層首先通過數據清洗和融合、 模式識別等手段形成最終數據， 然后提供給生態環境監測系統、生長系統、追溯系統使用。5.1 農業信息感知農業物聯網感知層通過多種傳感器（網絡） ，實現對農產品的種植、養殖、儲運等環節的信息感知。5.1.1 作物生長環境感知作物生長環境感知設備主要測量農作物生長環境中的溫度、濕度、相對 pH值等物理量。（1） 土壤水分傳感器土壤中的水分是農作物發育、生長的重要條件。土壤水分傳感器用于對各類土壤水分進行在

23、線實時測量， 使得既不影響作物生長又不浪費水資源， 可應用于土壤墑情監測、節水灌溉、溫室控制等。（2） 土壤 pH值傳感器土壤的 pH 是農田土壤信息中的一個十分重要的參數，目前使用的傳感器是光纖 pH值傳感器，具有抗電磁干擾、安全可靠并可用于在線遙測等特點。（3） 土壤養分傳感器土壤養分是指土壤提供給作物生長的必須營養元素， 包含土壤有機質、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂等 13 種元素。在土地上播種施肥以前，測量土壤養分有助于更好地利用土壤自身含有的養分，同時及時補充含量不足的元素。（4） CO2濃度傳感器CO2濃度傳感器能夠檢測出大氣環境中 CO2的氣體含量，常常用于溫室環境決定是否增施氣肥

24、或通風換氣等。（5） 圖像采集設備圖像采集設備可以采集農作物生長狀態的直觀信息，用于疾病、病蟲害等異常狀態判斷。5.1.2 養殖環境感知養殖環境感知包括牲畜禽舍的環境感知、 水產養殖環境感知等，感知信息包括溫度、濕度、水體 pH值、水溶氧、禽舍氨氣、致病性細菌濃度等。（1）氨氣傳感器氨氣傳感器用于檢測畜禽舍環境中氨氣含量，以決定是否需要通風換氣和清楚糞便，確保禽畜產品的質量和產量。（2）水溶氧傳感器水溶氧與空氣中氧氣量、水溫、水中各鹽類和藻類、風力、流動等因素有關，其濃度會動態變化，這就需要用水溶氧濃度傳感器來測定水體溶氧量， 以決定是否增氧以確保水體養殖生產安全。5.1.3 動物識別與生理感

25、知動物識別與生理感知主要通過建立牲畜標識系統，并利用各種動物生理傳感器來實現畜牧養殖自動化和智能化。（1）動物耳標通過施加于牲畜耳部的耳標標識來證明牲畜身份和承載牲畜個體信息。一旦發生疫情和畜產品質量等問題，即可追溯其來源，分清責任。（2）留胃式電子標簽電子標簽通過傳感器采集牲畜的生活習慣和健康狀態， 記錄采食、運動量、疾病發生率等，還可以幫助飼養場掌握牲畜的發情期，篩選品種。5.2 農業信息傳輸信息傳輸通常經過接入網和主干網兩步驟。主干網指互聯網和移動通信網，是農業物聯網的核心網絡；接入網完成信息的短距離傳輸匯聚。（1） ZigBee 短距離傳輸技術 ZigBee 是一種便宜、功耗低的近距離

26、無線組網通信技術，特點是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網絡拓撲結構。（2） 無線地下傳感器網絡無線地下傳感器網絡主要應用于農業土壤監測中。5.3 農業信息處理（1）農業病蟲草害識別目前的農業病蟲草害識別方法主要是靠提取農作物圖像中的顏色特征參數結合模式識別技術和各種分類算法，進行相應的識別處理。（2）施肥精準控制精準施肥在每一操作單元上按照土壤肥力變異狀況、田間雜草及病蟲害分布情況生成處方圖，再結合 GPS控制施肥機或噴藥機實現定點、 定量施肥，大大提高了肥料利用率和施肥經濟效益，減小了對環境的不良影響。6.智能農業的問題與解決辦法6.1 存在的問題（1） 智能感知器的成本問題目前，農

27、業環境和動植物群（個）體信息采集和傳輸的感知設備成本相對還比較昂貴。如農產品供應鏈上的電子標簽，生產 100 萬個的成本約為 14 美分/ 個。除此之外還有實施 RFID 所需的基礎設施的成本，如閱讀器的購置價格等。因為農產品的本身價值并不大，使用 RFID 所增加的成本相比之下顯得過高，目前只適用于一些高價值的農產品。（2） 農田無線傳感器網絡體系的功耗問題由于農作物生產周期較長，傳感器節點數量較多，如果經常更換電池將是一項耗資巨大的工作。如何有效節省電能、延長網絡的生命周期，是面向大規模農田種植的無線傳感器網絡需解決的重要問題。（3） 物聯網感知節點上數據高效傳輸問題農業監測區域分布大量傳感器節點（ sensor node）和少數匯聚節點（ sink node），傳感器節點負責采集相關數據信息，最終將數據傳送至匯聚節點。由于農業物聯網具有感知數據量大、無線通信帶寬低、時效性強