陳青奇，陳柏杰，門萬杰，雷 娜

（哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150029）

哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院是哈爾濱市一所集“農(nóng)、科、教”與“產(chǎn)、學(xué)、研”于一體的綜合性農(nóng)業(yè)院所，所建“北方都市農(nóng)業(yè)示范園區(qū)”展示了哈爾濱市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展先進(jìn)水平。近年來，為提升其科技園區(qū)信息化、智能化及高效科技園區(qū)管理水平，融入了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的引入和建設(shè)極大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研管理水平，展示了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程裝備傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的巨大優(yōu)勢和生產(chǎn)潛力，也為哈爾濱市農(nóng)業(yè)發(fā)展起到引領(lǐng)示范作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)簡介

所謂物聯(lián)網(wǎng)，是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)和傳感網(wǎng)等信息承載體，使所有普通物理對象能夠通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，實(shí)現(xiàn)智能化識別、控制、管理和決策的智能化網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)從20世紀(jì)90年代開始興起，當(dāng)前在國際上備受關(guān)注，涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域[3-4]。自美國麻省理工學(xué)院（MIT）自動識別中心（Auto-ID Center）教授凱文·艾什頓（Kevin Ashton）于1999年首次提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IOT）概念以來，美國、歐盟、日本、韓國、中國等國家和地區(qū)高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，紛紛將其納入產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或政策支持范圍，并將其視為全球經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)[5]。物聯(lián)網(wǎng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計算世界和人類社會三元世界的連通。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，通過應(yīng)用各類傳感器設(shè)備和感知技術(shù)，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品流通以及農(nóng)作物本體的相關(guān)信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、加工、融合、處理，最后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)決策和實(shí)時服務(wù)[6]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)融合，配合智能決策模型和反饋控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)病蟲害的遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控預(yù)警，指揮決策遠(yuǎn)程水、肥、藥、餌智能投放等功能[7]，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和精細(xì)化程度。

在中國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)和園藝種植方面得到高效應(yīng)用，在畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖方面快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)電子商務(wù)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管方面得到普及推廣應(yīng)用，在大田生產(chǎn)監(jiān)測管理方面還處于試點(diǎn)起步階段，在農(nóng)業(yè)智能化信息服務(wù)方面仍處于探索階段。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在科技園區(qū)中的建設(shè)

目前的控制系統(tǒng)通常采用有線的方式與前端設(shè)備交換數(shù)據(jù)。采用有線的方式布線困難、造價高，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)場復(fù)雜、濕度大、侵蝕強(qiáng)，使得系統(tǒng)工作不可靠，維護(hù)成本高。針對農(nóng)業(yè)示范基地監(jiān)測對象多、管理范圍大的特點(diǎn)，探索出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，針對具體環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計系統(tǒng)的通信架構(gòu)，開發(fā)專用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，不僅解決了布線的可靠性、建設(shè)和維護(hù)成本問題，系統(tǒng)還兼有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

建立面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)及示范應(yīng)用系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以將無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)定時采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、土壤成分、土壤pH、水溫、空氣濕度和氣壓、光照強(qiáng)度、CO2濃度、氨氣濃度、果實(shí)大小等信息，并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將采樣數(shù)據(jù)傳輸至中央平臺，中央平臺實(shí)現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的查詢、分析與挖掘等處理。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，能夠及時向用戶預(yù)警，通過監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)為管理者和生產(chǎn)者提供決策的依據(jù)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

建立的農(nóng)業(yè)示范基地需要對溫室大棚、魚塘、果園、畜牧養(yǎng)殖場、水田、旱田等的多個指標(biāo)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，針對監(jiān)測對象的特點(diǎn)，建立了多條無線傳輸鏈路，采用分區(qū)進(jìn)行控制。

2.3 系統(tǒng)采用的主要技術(shù)

2.3.1 兩級分層的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

信號傳輸是無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)方案中普遍采用總線方式進(jìn)行通信。由于農(nóng)業(yè)示范基地應(yīng)用環(huán)境中存在通信范圍大、環(huán)境惡劣，有線互聯(lián)存在線路腐蝕老化、接觸不良、施工和檢修困難等弊端，采用無線通信可有效避免線路失效引起的問題，節(jié)省布線和施工成本，并具有極強(qiáng)的可靠性和靈活性。本系統(tǒng)針對智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計了兩級分層的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3.2 高性能多級冗余數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)

傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)雖然能夠滿足多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場控制的需要，但存在數(shù)據(jù)吞吐量和信息存儲能力有限、接口不夠豐富、對接口板卡通訊故障容忍性差等問題。隨著處理技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)難以滿足未來控制系統(tǒng)調(diào)控信息化、網(wǎng)絡(luò)化的需求。本項目自主開發(fā)了ARM9架構(gòu)的多級冗余嵌入式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，提高了智能農(nóng)業(yè)示范基地控制系統(tǒng)信息處理能力，增強(qiáng)了控制的可靠性。

2.3.3 基于多元組合工藝的監(jiān)控軟件架構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)的組態(tài)軟件實(shí)質(zhì)為二次開發(fā)平臺，開發(fā)簡單，但靈活性差，算法單一。隨著監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，不僅需要數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還需要結(jié)合整體工藝流程進(jìn)行工藝優(yōu)化，傳統(tǒng)的組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)對全流程工藝調(diào)整和優(yōu)化，與無線通信協(xié)議兼容性不好，軟件費(fèi)用成本高，難以滿足智能農(nóng)業(yè)控制的需求。

針對目前組態(tài)軟件存在的問題，自主開發(fā)了一套面向農(nóng)業(yè)環(huán)境智能監(jiān)測的軟件控制模塊庫。組合已有的工藝流程模塊，能夠快速完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、研究監(jiān)控軟件的開發(fā)。針對特定的應(yīng)用，通過參數(shù)化已有的多元流程模塊，可靈活地完成農(nóng)業(yè)監(jiān)控自動化工藝的控制功能。組合產(chǎn)生的軟件具有實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)管理等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制策略，并具有高度的可擴(kuò)展性。該軟件具有成本低、靈活性高、移植性好的特點(diǎn)。軟件采用三層C/S架構(gòu)，通過客戶端和服務(wù)器分離的策略，支持多客戶端同時操作，可以靈活地滿足不同用戶的需求，提升了農(nóng)業(yè)的數(shù)字化和信息化水平。在數(shù)據(jù)層，采用數(shù)據(jù)雙向同步機(jī)制，保證了無線數(shù)據(jù)的實(shí)時性和可靠性，通過對數(shù)據(jù)的多節(jié)點(diǎn)冗余備份，提高了水廠數(shù)據(jù)的存儲可靠性（該部分工作已經(jīng)申請發(fā)明專利1項，獲得軟件著作權(quán)1項）。

2.3.4 基于公共密鑰架構(gòu)和分布式門限簽名的網(wǎng)絡(luò)安全方案

不同于一般的民用無線系統(tǒng)，智能農(nóng)業(yè)示范基地的控制系統(tǒng)必須要保證無線網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。本項目提出了一種基于公共密鑰架構(gòu)和分布式門限加密的網(wǎng)絡(luò)安全算法，解決了系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在科技園區(qū)中的示范作用

隨著科技的發(fā)展及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水平的不斷提高，多學(xué)科集中裝配包裝農(nóng)業(yè)，使得農(nóng)業(yè)科技含量越來越高，科技園區(qū)的示范不能停留在沒有物聯(lián)網(wǎng)的時代，相反，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更使得農(nóng)業(yè)科技園區(qū)具有可操控性，從而提高效率和管理水平。

3.1 提高生產(chǎn)效率

科技園區(qū)智能模塊決策用于植物種植、家畜飼養(yǎng)等，極大提高了生產(chǎn)管理水平，避免了生產(chǎn)技術(shù)失誤。精準(zhǔn)喂養(yǎng)，精準(zhǔn)灌溉，精準(zhǔn)農(nóng)藥、化肥使用，減少了能源浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸實(shí)現(xiàn)了人的在場解放，并減少生產(chǎn)管理人員數(shù)量，減少了人員開支。

3.2 提高產(chǎn)品質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理精確可控：動植物在良好的環(huán)境和生長狀態(tài)下生長，肥料、農(nóng)藥、飼料添加劑符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)范，而且農(nóng)產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程可以溯源，從而為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測增加了一層保障和可信度，還在提高品質(zhì)的同時，增加了推廣宣傳砝碼。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了過去基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式，通過精確、科學(xué)的數(shù)字化控制手段進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理，可以有效控制灌水和化肥用量，避免引起土壤板結(jié)、鹽漬化，地下水污染。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的使用，可以創(chuàng)造農(nóng)業(yè)小氣候，提高動植物抗病能力，減少農(nóng)藥使用量和使用次數(shù)，從而減輕農(nóng)藥對環(huán)境的污染。依據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大數(shù)據(jù)存儲平臺，建立智能專家?guī)欤偨Y(jié)園區(qū)小氣候變化規(guī)律，調(diào)查病蟲害發(fā)作規(guī)律，可有效地進(jìn)行動植物管理，減少生產(chǎn)中燃煤污染及農(nóng)藥使用，從而建立生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

3.3 促進(jìn)科技創(chuàng)新

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的構(gòu)建，便于科研人員節(jié)省時間，不再將大量時間應(yīng)用在傳統(tǒng)栽培技術(shù)環(huán)節(jié)，而是全身心投入到動植物育種技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)、栽培創(chuàng)新、園林園藝規(guī)劃設(shè)計、觀光園區(qū)創(chuàng)新發(fā)展上。由于物聯(lián)網(wǎng)智能決策，有助于減少科研的失誤和誤差，便于多出、早出成果。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)省人力、物力、財力，便于將有限的科研經(jīng)費(fèi)應(yīng)用到無止境的科技創(chuàng)新工作中。

3.4 便于科技園區(qū)人員管理

科技園區(qū)主要包括動植物種養(yǎng)、科學(xué)研究、旅游觀光、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范，分工比較雜、細(xì)，若要管理精準(zhǔn)到位，首先要求每個人有很強(qiáng)的責(zé)任感，因?yàn)閯又参锕茏o(hù)需要精細(xì)的飼養(yǎng)和栽培技術(shù)，其次，科技創(chuàng)新、園區(qū)觀光和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范建設(shè)在高水平種養(yǎng)基礎(chǔ)上才能更好地推動創(chuàng)新，因而，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建，能讓管理者有了抓手，能夠?qū)崟r監(jiān)控和監(jiān)督檢查科技人員對種養(yǎng)是否管理到位，如果種養(yǎng)失誤，則可以通過物聯(lián)網(wǎng)存儲系統(tǒng)找到失誤原因，責(zé)任到人，進(jìn)行獎罰評聘，從而提高科技園區(qū)人員管理水平，實(shí)現(xiàn)管理上的可追溯性。

[1] International Telecommunication Union.The Internet of Things[R].Geneva:ITU,2005.

[2] 工業(yè)和信息化部電信研究院.物聯(lián)網(wǎng)白皮書[R].北京:工業(yè)和信息化部電信研究院,2011.

[3] 王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報,2009,23(12):1-7.

[4] 劉強(qiáng),崔莉,陳海明,等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機(jī)科學(xué),2010,37(6):1-4,10.

[5] 張宇,張可輝,嚴(yán)小青.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用及社會經(jīng)濟(jì)效益[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(10):1-5.

[6] 陳曉華.農(nóng)業(yè)信息化概論[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2012.

[7] 呂連生.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大趨勢與安徽省對策研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2013(2):4-8.