物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)與核心應(yīng)用

作為集成新一代信息技術(shù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，物聯(lián)網(wǎng)備受各界關(guān)注。農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求最迫切、難度最大、集成性特征最明顯的領(lǐng)域。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的諸多領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室大棚生產(chǎn)控制、節(jié)水灌溉、氣象監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品安全與溯源、設(shè)備智能診斷管理等方方面面。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，基礎(chǔ)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的完善。傳感系統(tǒng)的完善與否直接影響著整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)行。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層和處理層構(gòu)成。感知層的傳感器技術(shù)、條碼技術(shù)、全球定位等技術(shù)采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)傳輸層的有線、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)傳輸?shù)教幚韺拥霓r(nóng)業(yè)預(yù)測(cè)、診斷、控制、決策以及預(yù)警等智能化模塊。一關(guān)鍵技術(shù)1、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)感知層主要包括各類(lèi)傳感器及節(jié)點(diǎn)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)和條形碼技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分、環(huán)境溫濕度、家禽水產(chǎn)健康狀況等信息的采集功能，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，光溫水氣熱等環(huán)境傳感器應(yīng)用相對(duì)成熟，土壤傳感器是研究的熱點(diǎn)，通過(guò)電磁波反射或吸收能量水平的大小可判斷土壤結(jié)構(gòu)，根據(jù)離子選擇性膜電極與被測(cè)離子溶液間的點(diǎn)位輸出可測(cè)定土壤里的特定離子。利用光學(xué)和電磁學(xué)原理制成的動(dòng)植物生命信息傳感器也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。2、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳輸技術(shù)主要為無(wú)線和有線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及移動(dòng)通信技術(shù)。其中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用最為普遍，國(guó)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)到了實(shí)踐階段。通過(guò)無(wú)線傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚中農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要關(guān)注的空氣溫濕度、光照度、二氧化碳、土壤溫濕度、土壤EC值等各類(lèi)環(huán)境信息。用戶(hù)及管理人員可以通過(guò)移動(dòng)APP等信息終端，根據(jù)所采集的農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)灌溉設(shè)備及溫室內(nèi)的風(fēng)機(jī)、濕簾、卷膜等的環(huán)境調(diào)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。3、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)處理技術(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)處理層的技術(shù)包括云計(jì)算、云服務(wù)和模塊決策，這個(gè)層面是將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的操作，利用控制模型和策略對(duì)相關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行智能控制，比如打開(kāi)水龍頭、關(guān)閉燈光、自動(dòng)施肥等。智能決策是預(yù)先把經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)輸入模塊，通過(guò)推理模擬思維，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)參考，比如對(duì)農(nóng)田肥力、灌溉、病蟲(chóng)防治、動(dòng)物飼料配方和園藝設(shè)施等方面提供技術(shù)支持。智能預(yù)警是以數(shù)學(xué)模型為手段，對(duì)實(shí)際不正常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，給出危害提醒。二核心應(yīng)用領(lǐng)域按照監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)與質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)等。1、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)，主要指利用傳感器技術(shù)采集和獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境各要素信息，如種植業(yè)中的光照、溫濕度，二氧化碳濃度、土壤肥力、土壤含水量等參數(shù)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的酸堿度、溶解氧、氨、氮、濁度和電導(dǎo)率，畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的氨氣、二氧化硫、粉塵等有害物質(zhì)濃度等參數(shù)，通過(guò)對(duì)采集信息的分析決策來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)殖業(yè)的高產(chǎn)高效。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，需要在高溫、高濕、低溫、雨水等惡劣多變環(huán)境下連續(xù)不間斷運(yùn)行，且傳感器節(jié)點(diǎn)布置稀疏不規(guī)則，布線不方便，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、無(wú)需布線，具有低成本、靈活的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用方式。2、動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)對(duì)植物信息采集的研究主要包括表觀可視信息的獲取和內(nèi)在信息的獲取，表觀信息如作物苗情長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害、果實(shí)膨大狀況、生物量、莖干直徑、葉面積等信息，內(nèi)在信息包括葉綠素含量、作物氮素、光合速率、種子活力、葉片溫濕度等，主要監(jiān)測(cè)手段為光譜技術(shù)及圖像分析等；對(duì)動(dòng)物生命信息的監(jiān)測(cè)主要包括動(dòng)物的體溫、體重、行為、運(yùn)動(dòng)量、取食量、疾病信息等，通過(guò)相關(guān)監(jiān)測(cè)，了解動(dòng)物自身的生理狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況以及對(duì)外界環(huán)境條件的適應(yīng)能力，確保動(dòng)物個(gè)體健康生長(zhǎng)，主要監(jiān)測(cè)手段包括動(dòng)物本體監(jiān)測(cè)傳感器、視頻分析等。3、智能農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)近年來(lái)隨著土地流轉(zhuǎn)的進(jìn)行，農(nóng)機(jī)作業(yè)范圍不斷擴(kuò)大，農(nóng)機(jī)作業(yè)信息滯后、時(shí)效性差、缺乏有效的監(jiān)管手段，機(jī)收的組織者和參與者對(duì)信息快捷、準(zhǔn)確、詳細(xì)的要求難以滿(mǎn)足等問(wèn)題逐漸突顯。如何通過(guò)技術(shù)手段有效地進(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度，提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量尤其是保障農(nóng)機(jī)夜間作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)機(jī)裝備的智能化水平，是農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的迫切需求之一。農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)主要研究方向包括農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)、農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控等方面。4、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)產(chǎn)品信息感知技術(shù)主要包括農(nóng)產(chǎn)品顏色、大小、形狀及缺陷損傷等外觀信息和農(nóng)產(chǎn)品成熟度、糖度、酸度、硬度、農(nóng)藥殘留等內(nèi)在品質(zhì)信息。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與追溯對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用集中在農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)及農(nóng)產(chǎn)品物流配送等環(huán)節(jié)，通過(guò)電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)、條形碼技術(shù)和RFID電子標(biāo)簽等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和出入庫(kù)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)車(chē)間及物流配送車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)產(chǎn)品來(lái)源可追溯，去向可追蹤