浅谈张掖市农业物联网技术应用与发展
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随着时代发展，人口增长、人民生活需求日渐提高，城市化进程加快，耕地资源日益减少，传统农业发展模式逐渐跟不上社会发展的需要，迫使传统的粗放农业向现代农业、精细农业转变，不断提高单位面积的产出和质量。这就需要有新的技术元素融入到现代农业发展中，将现代信息技术、物联网传感技术与农业生产相结合，构建新型智慧农业，是现代农业发展的必然途径，而农业物联网就是开启智慧农业的关键环节。
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1 农业物联网概念
物联网是利用各种传感设备，实时采集各种需要的数据信息，并通过局域网、专网、互联网传输到数据处理节点分析处理，得出自动化过程所需的决策条件，进而对设备进行控制的网络。其目的是实现物与物、物与人、物与网络的联系，便于识别、管理和控制。
农业物联网是将最新的物联网技术应用到现代农业生产、储运、销售、管理方面，利用各种传感器，收集田间种植、设施园艺、畜禽养殖业、农产品物流等关键信息要素，通过无线传感器网络、电信网络和互联网实现农业信息的多尺度传输，最终将获得的大量农业信息进行融合、处理和智能化应用，在操作终端上实现农业生产前、中、后的过程监控、科学管理和即时服务，最终实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态、安全的目标。
2 农业物联网的体系架构
一般认为农业物联网可划分为三个层次：信息感知层、信息传输层和信息应用层[2]。
信息感知层由传感器节点组成，通过热敏元件、光敏元件、气敏元件、湿敏元件、压敏元件和色敏元件等传感器技术，采集农作物生长环境数据，如土壤水分、生长环境温度、CO2 浓度、作物叶面光谱以及动物个体产能、健康和行为等信息。信息传输层中，传感器通过有线或无线方式获取各类数据，并以多种通信协议向局域网、广域网发布。
信息应用层对数据进行融合，处理后制定科学的管理决策，对农业生产过程进行控制。
3 农业物联网的关键技术
农业物联网技术大致可分信息感知、信息传输和信息处理等三部分关键技术[3]。
3.1 信息感知技术
传感器技术是农业物联网的核心，也是智慧农业的核心，农业传感器主要通过射频技术、GPS 技术、遥感技术和特殊材料可变物理特性，采集种植业的温度、光、水、肥料、空气等农业因子信息；畜禽养殖业的二氧化碳、氨、二氧化硫等有害气体浓度和空气中粉尘、水滴、气溶胶浓度、温湿度等环境指标信息；水产养殖业的酸碱度、氨氮比、溶解氧、电导率、浑浊度等数据。
3.1.1 射频识别（RFID）技术 射频技术是一种非接触式的自动识别技术。射频识别系统由电子标签、读卡器和中央信息系统组成。电子标签分为电池供电的有源标签和电池供电的无源标签。射频识别系统的工作原理：当标签进入读卡器发出射频信号的覆盖范围时，无源标签通过感应电流获得的能量传输存储在芯片中的产品信息，有源标签主动发送一定的频率信号来传输其产品信息。当读卡器读取和解码信息时，信息被发送到中央信息系统进行数据处理。射频识别（RFID）标签技术已成为物联网中目标识别的主要技术，可以通过与互联网、通信等技术相结合，实现全球跟踪和信息共享。
3.1.2 传感器技术 传感器可以实时采集作物生长环境数据和设施干预后的动态数据。农业物联网应用中常用的传感器有声、光、电传感器、温度传感器、湿度传感器、压敏（流体）传感器、二氧化碳传感器、 pH 传感器、微波传感器等。它们可以分别采集作物生长环境和微观状态的实时数据[4]。
3.1.3 单片机控制技术 单片机是农业物联网自动化的关键技术，通过嵌入式编程控制传感器的工作状态、数据采集频率，并对原始数据做整理、筛选、汇总和传输。目前常用的单片机芯片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 种，可以通过相应的程序设计语言，控制单片机工作行为，实现对传感器的控制和对原始数据的处理。其中，51 单片机主要用于传感器信号采集控制；AVR 开发板主要用于状态检测和设备控制，比如利用 Arduino 开发板和土壤温度传感器实现自动灌溉；ARM 开发板主要用于数据汇总、存储和简单的分析处理，比如可以利用树莓派 (Raspberry Pi)项目实现一个精简的 linux 伺服器，收集、存储、分析整个物联网系统的运行数据，并定期上传到中心数据库做进一步的数据分析等。
3.2 信息传输技术
物联网中的数据采集和传输主要分为三种模式：线路传输、无线短距离传输和无线长距离传输。
3.2.1 线路传输技术已经非常成熟，并广泛应用在网络工程方面 目前，现代计算机技术和工业技术中采用 RS- 232 和 RS- 485 接口进行数据传输的有线传输方式可以直接应用到农业物联网建设中，一般采用双绞线、同轴电缆或网线，光纤传输也可以使用，但成本太高。
3.2.2ZigBee 无线传感技术 ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 标准的一种低速、短距、低功耗的局域网无线通信技术，是目前农业物联网建设中常用的无线传感技术。ZigBee 协议从下到上分为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。ZigBee 网络是一种使用动态网状路由的自组织通信网络，被广泛应用在无线传感器结点网络的组建中，如大田灌溉、农业资源监测、智能温室、水产养殖和农产品质量追溯等。
3.2.3 WiFi 无线传输技术 WiFi 技术具有传输速率高、传输距离长、覆盖范围广的特点，被广泛应用于计算机网络和移动通信中。目前，基于 WiFi 协议的物联网传感设备也比较成熟，但功耗相比 ZigBee 传感设备较高，影响了 WiFi 技术在物联网方面的应用推广。随着 IPv4 资源耗竭和 IPv6 的应用与推广，针对物联网设计的 6LoWPAN 自组网通讯协议，使新一代 WiFi 设备的功耗进一步降低，并且可以与 IP 网络应用无缝对接[5]。可以预见，基于 6LoWPAN 协议的 WiFi 技术将会以组网灵活、易维护、易拓展和设备功耗低等优势在农业物联网中得到更广泛应用和发展。
3.2.4 蜂窝移动通信技术 移动通信技术通过专用SIM卡存储和发送数据，实现物联网数据收发和与远程服务器通信的功能。目前，移动、电信、联通等通信运营商均推出了专用 4G 流量卡，4G 数字通讯技术在农业物联网领域已经广泛应用。随着 5G 技术的出现，移动通讯数据传输速度会进一步提高，数据传输成本会逐步下降，SIM卡解决方案将会成为农业物联网数据远程传输比较好的选择。
3.3 信息处理技术
信息处理技术是实现智慧农业的必要手段，也是智慧农业自动控制的基础[4]。在物联网中，大量的传感器不断地定期收集新的信息，实时融合和处理收集到的历史信息和新信息是有效利用信息的关键。物联网信息处理技术分为节点内信息处理、汇聚数据融合处理、语义分析挖掘、物联网应用服务四个层次，主要涉及 GIS(geographic information system)、云计算、大数据分析、专家系统 ES(expert system)、决策支持系统 DSS(decision support system)和智能控制系统 ICT(intelligent control technology)等。
4 张掖市农业物联网应用现状及存在的问题
张掖市农业信息化建设起步较晚，但在省市农业部门的支持下逐步建成比较完善的省、市、县、村四级信息服务体系，在农村信息服务工作方面取得良好的效果。近年来，在国家政策的带动下，甘肃省农业农村厅及省、市农业高校在张掖市开展了一系列农业物联网试验示范，市县农业部门也建立了一些智能温室试验示范点，引进了一些先进的技术和经验，可以初步实现日光温室内各项指标的采集、传送、处理，但在农户实际应用中还存在着一些突出的问题。
4.1 缺乏专门用于农业生产的传感器
目前，各类传感器产品层出不穷，传感器价格已经大幅降低，但适用于农业生产的传感器在稳定性方面还有待加强，农业生产环境的高温、高湿特点，对传感器工作电压、寿命都有很大影响。
4.2 缺乏农业数据分析处理方面的成熟应用系统
农业综合管理系统大多还处于试验研究阶段，大部分功能还不实用，并且开发成本较高，真正能够应用推广的产品还很少，农业数据分析处理水平还较低。
4.3 基层缺乏设备维护人员
基层缺乏信息化人才队伍，市县级物联网项目实施过程中，往往是采用项目外包的方式进行建设，农业技术人员参与度不够，而物联网设备的使用技术门槛又较高，传感器维护、数据采集处理、手机 App 使用相对复杂，项目实施完成后，无法进行再一次的安装部署，不利于推广应用。
4.4 农业物联网方面的投入不足
农业信息化建设项目主要是省级以上农业部门下达，且数量较少，市县一级由于缺乏对信息技术的认识，信息化项目设计贪大、求全，不切合实际，项目概算往往过高难以承受，最终无法实施。
5 对基层农业物联网建设的建议
一是做好现有的信息平台建设工作，以 html5 标准对 web 前端进行改造，方便手机 App 对网站信息采集；二是加强农业信息化应用开发方面的工作，围绕现有信息化平台，开展智能手机农业 App 的推广应用工作，加强手机 App 对智能温室管控能力的开发；三是市县农业部门加强项目概算在 3 万～5 万元的物联网项目支持，鼓励基层农业技术人员参与物联网项目的应用与推广；四是培养基层农业信息化建设队伍的过程中，加强数字电路、模拟电路、单片机应用方面的培训教育；五是农民培训工作中加强智能温室设备更新维护方面的知识培训。
6 结语
随着农业现代化不断发展，农业信息化建设重点将逐步由农村信息服务转向农业生产服务。农业物联网是未来智慧农业的基础，是信息技术直接作用于农业生产的技术支撑和手段，是现代农业和信息化发展的必然趋势。持续做好农业物联网基础实验研究，对实现农业自动化、农业大数据、互联网+农业，有重要意义。
本文链接：http://www.jjbhy.com/huayu/huayushenghuo/86436.html
1 农业物联网概念
物联网是利用各种传感设备，实时采集各种需要的数据信息，并通过局域网、专网、互联网传输到数据处理节点分析处理，得出自动化过程所需的决策条件，进而对设备进行控制的网络。其目的是实现物与物、物与人、物与网络的联系，便于识别、管理和控制。
农业物联网是将最新的物联网技术应用到现代农业生产、储运、销售、管理方面，利用各种传感器，收集田间种植、设施园艺、畜禽养殖业、农产品物流等关键信息要素，通过无线传感器网络、电信网络和互联网实现农业信息的多尺度传输，最终将获得的大量农业信息进行融合、处理和智能化应用，在操作终端上实现农业生产前、中、后的过程监控、科学管理和即时服务，最终实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态、安全的目标。
2 农业物联网的体系架构
一般认为农业物联网可划分为三个层次：信息感知层、信息传输层和信息应用层[2]。
信息感知层由传感器节点组成，通过热敏元件、光敏元件、气敏元件、湿敏元件、压敏元件和色敏元件等传感器技术，采集农作物生长环境数据，如土壤水分、生长环境温度、CO2 浓度、作物叶面光谱以及动物个体产能、健康和行为等信息。信息传输层中，传感器通过有线或无线方式获取各类数据，并以多种通信协议向局域网、广域网发布。
信息应用层对数据进行融合，处理后制定科学的管理决策，对农业生产过程进行控制。
3 农业物联网的关键技术
农业物联网技术大致可分信息感知、信息传输和信息处理等三部分关键技术[3]。
3.1 信息感知技术
传感器技术是农业物联网的核心，也是智慧农业的核心，农业传感器主要通过射频技术、GPS 技术、遥感技术和特殊材料可变物理特性，采集种植业的温度、光、水、肥料、空气等农业因子信息；畜禽养殖业的二氧化碳、氨、二氧化硫等有害气体浓度和空气中粉尘、水滴、气溶胶浓度、温湿度等环境指标信息；水产养殖业的酸碱度、氨氮比、溶解氧、电导率、浑浊度等数据。
3.1.1 射频识别（RFID）技术 射频技术是一种非接触式的自动识别技术。射频识别系统由电子标签、读卡器和中央信息系统组成。电子标签分为电池供电的有源标签和电池供电的无源标签。射频识别系统的工作原理：当标签进入读卡器发出射频信号的覆盖范围时，无源标签通过感应电流获得的能量传输存储在芯片中的产品信息，有源标签主动发送一定的频率信号来传输其产品信息。当读卡器读取和解码信息时，信息被发送到中央信息系统进行数据处理。射频识别（RFID）标签技术已成为物联网中目标识别的主要技术，可以通过与互联网、通信等技术相结合，实现全球跟踪和信息共享。
3.1.2 传感器技术 传感器可以实时采集作物生长环境数据和设施干预后的动态数据。农业物联网应用中常用的传感器有声、光、电传感器、温度传感器、湿度传感器、压敏（流体）传感器、二氧化碳传感器、 pH 传感器、微波传感器等。它们可以分别采集作物生长环境和微观状态的实时数据[4]。
3.1.3 单片机控制技术 单片机是农业物联网自动化的关键技术，通过嵌入式编程控制传感器的工作状态、数据采集频率，并对原始数据做整理、筛选、汇总和传输。目前常用的单片机芯片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 种，可以通过相应的程序设计语言，控制单片机工作行为，实现对传感器的控制和对原始数据的处理。其中，51 单片机主要用于传感器信号采集控制；AVR 开发板主要用于状态检测和设备控制，比如利用 Arduino 开发板和土壤温度传感器实现自动灌溉；ARM 开发板主要用于数据汇总、存储和简单的分析处理，比如可以利用树莓派 (Raspberry Pi)项目实现一个精简的 linux 伺服器，收集、存储、分析整个物联网系统的运行数据，并定期上传到中心数据库做进一步的数据分析等。
3.2 信息传输技术
物联网中的数据采集和传输主要分为三种模式：线路传输、无线短距离传输和无线长距离传输。
3.2.1 线路传输技术已经非常成熟，并广泛应用在网络工程方面 目前，现代计算机技术和工业技术中采用 RS- 232 和 RS- 485 接口进行数据传输的有线传输方式可以直接应用到农业物联网建设中，一般采用双绞线、同轴电缆或网线，光纤传输也可以使用，但成本太高。
3.2.2ZigBee 无线传感技术 ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 标准的一种低速、短距、低功耗的局域网无线通信技术，是目前农业物联网建设中常用的无线传感技术。ZigBee 协议从下到上分为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。ZigBee 网络是一种使用动态网状路由的自组织通信网络，被广泛应用在无线传感器结点网络的组建中，如大田灌溉、农业资源监测、智能温室、水产养殖和农产品质量追溯等。
3.2.3 WiFi 无线传输技术 WiFi 技术具有传输速率高、传输距离长、覆盖范围广的特点，被广泛应用于计算机网络和移动通信中。目前，基于 WiFi 协议的物联网传感设备也比较成熟，但功耗相比 ZigBee 传感设备较高，影响了 WiFi 技术在物联网方面的应用推广。随着 IPv4 资源耗竭和 IPv6 的应用与推广，针对物联网设计的 6LoWPAN 自组网通讯协议，使新一代 WiFi 设备的功耗进一步降低，并且可以与 IP 网络应用无缝对接[5]。可以预见，基于 6LoWPAN 协议的 WiFi 技术将会以组网灵活、易维护、易拓展和设备功耗低等优势在农业物联网中得到更广泛应用和发展。
3.2.4 蜂窝移动通信技术 移动通信技术通过专用SIM卡存储和发送数据，实现物联网数据收发和与远程服务器通信的功能。目前，移动、电信、联通等通信运营商均推出了专用 4G 流量卡，4G 数字通讯技术在农业物联网领域已经广泛应用。随着 5G 技术的出现，移动通讯数据传输速度会进一步提高，数据传输成本会逐步下降，SIM卡解决方案将会成为农业物联网数据远程传输比较好的选择。
3.3 信息处理技术
信息处理技术是实现智慧农业的必要手段，也是智慧农业自动控制的基础[4]。在物联网中，大量的传感器不断地定期收集新的信息，实时融合和处理收集到的历史信息和新信息是有效利用信息的关键。物联网信息处理技术分为节点内信息处理、汇聚数据融合处理、语义分析挖掘、物联网应用服务四个层次，主要涉及 GIS(geographic information system)、云计算、大数据分析、专家系统 ES(expert system)、决策支持系统 DSS(decision support system)和智能控制系统 ICT(intelligent control technology)等。
4 张掖市农业物联网应用现状及存在的问题
张掖市农业信息化建设起步较晚，但在省市农业部门的支持下逐步建成比较完善的省、市、县、村四级信息服务体系，在农村信息服务工作方面取得良好的效果。近年来，在国家政策的带动下，甘肃省农业农村厅及省、市农业高校在张掖市开展了一系列农业物联网试验示范，市县农业部门也建立了一些智能温室试验示范点，引进了一些先进的技术和经验，可以初步实现日光温室内各项指标的采集、传送、处理，但在农户实际应用中还存在着一些突出的问题。
4.1 缺乏专门用于农业生产的传感器
目前，各类传感器产品层出不穷，传感器价格已经大幅降低，但适用于农业生产的传感器在稳定性方面还有待加强，农业生产环境的高温、高湿特点，对传感器工作电压、寿命都有很大影响。
4.2 缺乏农业数据分析处理方面的成熟应用系统
农业综合管理系统大多还处于试验研究阶段，大部分功能还不实用，并且开发成本较高，真正能够应用推广的产品还很少，农业数据分析处理水平还较低。
4.3 基层缺乏设备维护人员
基层缺乏信息化人才队伍，市县级物联网项目实施过程中，往往是采用项目外包的方式进行建设，农业技术人员参与度不够，而物联网设备的使用技术门槛又较高，传感器维护、数据采集处理、手机 App 使用相对复杂，项目实施完成后，无法进行再一次的安装部署，不利于推广应用。
4.4 农业物联网方面的投入不足
农业信息化建设项目主要是省级以上农业部门下达，且数量较少，市县一级由于缺乏对信息技术的认识，信息化项目设计贪大、求全，不切合实际，项目概算往往过高难以承受，最终无法实施。
5 对基层农业物联网建设的建议
一是做好现有的信息平台建设工作，以 html5 标准对 web 前端进行改造，方便手机 App 对网站信息采集；二是加强农业信息化应用开发方面的工作，围绕现有信息化平台，开展智能手机农业 App 的推广应用工作，加强手机 App 对智能温室管控能力的开发；三是市县农业部门加强项目概算在 3 万～5 万元的物联网项目支持，鼓励基层农业技术人员参与物联网项目的应用与推广；四是培养基层农业信息化建设队伍的过程中，加强数字电路、模拟电路、单片机应用方面的培训教育；五是农民培训工作中加强智能温室设备更新维护方面的知识培训。
6 结语
随着农业现代化不断发展，农业信息化建设重点将逐步由农村信息服务转向农业生产服务。农业物联网是未来智慧农业的基础，是信息技术直接作用于农业生产的技术支撑和手段，是现代农业和信息化发展的必然趋势。持续做好农业物联网基础实验研究，对实现农业自动化、农业大数据、互联网+农业，有重要意义。
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