河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)有限公司 王書蓮

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)有限公司 王書蓮

一、背景和意義

（一）背景

物聯(lián)網(wǎng)被世界公認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。他是以感知為前提，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物，全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。在這背后，則是在物體上植入各種微型芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等各種通信網(wǎng)路交互傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)世界的感知。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，澆水、施肥、打藥，農(nóng)民全憑經(jīng)驗(yàn)、靠感覺。如今，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，看到的卻是另一番景象：瓜果蔬菜該不該澆水、施肥、打藥，怎樣保持精確的濃度、溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度，如何實(shí)行按需供給一系列作物在不同生長周期曾被“模糊”處理的問題，都有信息化智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)定量“精確”把關(guān)，農(nóng)民只需按個(gè)開關(guān)，做個(gè)選擇，或是完全聽“指令”，就能種好菜、養(yǎng)好花。

（二）意義

1.在種植準(zhǔn)備階段，我們可以在溫室里面布置很多的傳感器，分析實(shí)時(shí)的土壤信息，來選擇合適的農(nóng)作物。

2.在種植和培育階段，可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段采集溫度、濕度的信息，進(jìn)行高效的管理，從而應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。

3.在農(nóng)產(chǎn)品的收獲階段，我們同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)的信息，將其傳輸階段、使用階段的各種性能進(jìn)行采集，反饋到前端，從而在種植收獲階段進(jìn)行更精準(zhǔn)的測算。

4.提高效率，節(jié)省人工，如果是幾千畝的農(nóng)場，要對(duì)各大棚進(jìn)行澆水施肥，手工加溫，手工卷簾，那要用大量的時(shí)間和人員來操作。如果應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，手動(dòng)控制也只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)的微小的動(dòng)作，前后不過幾秒，完全替代了人工操作的繁瑣。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

（一）國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測和利用領(lǐng)域，美國和歐洲主要利用資源衛(wèi)星對(duì)土地利用信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將其結(jié)果發(fā)送到各級(jí)監(jiān)測站，進(jìn)入信息融合與決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域農(nóng)業(yè)的統(tǒng)籌規(guī)劃。我國主要將GPS定位技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源信息的定位與采集；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源信息的傳輸；利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的規(guī)劃管理等。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，美國、法國和日本等一些國家主要綜合運(yùn)用高科技手段構(gòu)建先進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過利用先進(jìn)的傳感器感知技術(shù)、信息融合傳輸技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等建立覆蓋全國的農(nóng)業(yè)信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測，保證農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。我國研制了地面監(jiān)測站和遙感技術(shù)結(jié)合的墑情監(jiān)測系統(tǒng)，建立了農(nóng)業(yè)部至各省、重點(diǎn)市縣的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。融合智能傳感器技術(shù)的墑情監(jiān)測系統(tǒng)已在貴陽、遼寧、黑龍江、河南、南京等地推廣應(yīng)用。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)管理領(lǐng)域，美國、澳大利亞、法國、加拿大等一些國家在大田糧食作物種植精準(zhǔn)作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和灌溉施肥控制、果園生產(chǎn)不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產(chǎn)精細(xì)化養(yǎng)殖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和精細(xì)養(yǎng)殖等方面應(yīng)用廣泛。

我國在涉及田間環(huán)境土壤信息獲取、聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)測產(chǎn)、農(nóng)田作物產(chǎn)量空間差異分布圖自動(dòng)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)監(jiān)控等大田糧食作物生產(chǎn)方面，在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、發(fā)布、調(diào)控等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面；在果園監(jiān)測、水肥控制、節(jié)水灌溉自動(dòng)化等果園精準(zhǔn)管理方面；在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控、健康養(yǎng)殖等畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面研發(fā)了一批系統(tǒng)，且應(yīng)用成效顯著。

（二）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括3個(gè)方面內(nèi)容：傳感設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù)。

1.在傳感設(shè)備方面，國外發(fā)達(dá)國家從農(nóng)作物的育苗、生產(chǎn)、收獲，一直到儲(chǔ)藏緩解，傳感器技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器等各種不同應(yīng)用目標(biāo)的農(nóng)用傳感器。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的試驗(yàn)、生產(chǎn)、制造過程中也廣泛應(yīng)用了傳感器技術(shù)。RFID廣泛應(yīng)用在農(nóng)畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)監(jiān)控、動(dòng)物識(shí)別與跟蹤、農(nóng)畜精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)和農(nóng)產(chǎn)品流通管理等方面，并由此形成了自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與裝備制造產(chǎn)業(yè)。據(jù)美國市調(diào)公司ABI research 2007年度第一季報(bào)告顯示，2006年全球RFID市場為38.12美元，其中，亞太地區(qū)已躍為全球最大市場，規(guī)模為14.07億元。

2.在傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，國外已在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域初步推出相關(guān)產(chǎn)品并得到示范應(yīng)用。如美國加州Grape Networks公司為加州中央谷地區(qū)的農(nóng)業(yè)配置了“全球最大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，2002年英特爾研究中心采用跟蹤方法采集了因州海岸的大鴨島上的生態(tài)環(huán)境信息。國外互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通訊網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2004年，佐治亞州的兩個(gè)農(nóng)產(chǎn)已經(jīng)用上了與無線互聯(lián)網(wǎng)配套的遠(yuǎn)距離視頻系統(tǒng)和GPS定位技術(shù)，分別監(jiān)控蔬菜的包裝和灌溉系統(tǒng)。美國已建成世界最大的農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋美國國內(nèi)46個(gè)州，用戶可通過計(jì)算機(jī)便可共享網(wǎng)絡(luò)中的信息資源。

3.在應(yīng)用服務(wù)方面，SOA（service oriented architecture）即服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，自1996年Gartner提出以來受到了IT業(yè)界的熱捧，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快。2006年以來，IBM、BEA、甲骨文等一批軟件廠商開發(fā)推出了一系列實(shí)施方案并部署了一些成功案例，使得SOA進(jìn)入現(xiàn)實(shí)的腳步在不斷加快。同年，IBM全球SOA解決方案中心在北京和印度成立，定制各個(gè)行業(yè)的模塊化SOA解決方案，并結(jié)合IBM服務(wù)咨詢和軟件力量全方位實(shí)施，這意味著IBM已經(jīng)在SOA產(chǎn)業(yè)化方面搶先一步。BEA也宣布推出“360度平臺(tái)”以進(jìn)一步鞏固其在中間件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，而微軟和甲骨文也紛紛發(fā)力中間件市場，競爭進(jìn)一步加快SOA產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（三）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程發(fā)展?fàn)顩r

物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化將成為占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)制高點(diǎn)關(guān)鍵之一?？偟恼f來，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化方面，全球幾乎處于同一起跑線上。目前，我國雖有很多傳感器、傳感網(wǎng)、RFID研究中心及產(chǎn)業(yè)基地都在積極參與建立物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但由于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)本身的認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一，有些還停留在戰(zhàn)略性粗線條層面，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程緩慢。

1.在感知設(shè)備方面，1994年3月，美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局NIST和IEEE共同組織了一次關(guān)于制定智能傳感器接口和連接網(wǎng)絡(luò)通用標(biāo)準(zhǔn)的研討會(huì)，討論IEEE1451傳感器/執(zhí)行器智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。1995年4月，成立了兩個(gè)專門的技術(shù)委員會(huì)：P1451.1工作組和和P1451.2工作組。IEEE會(huì)員分別在1997年和1999年投票通過了其中的IEEE1451.2和IEEE1451.1兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)成立了兩個(gè)新的工作組對(duì)1451.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，即 IEEE P1451.3和 IEEE P1451.4。關(guān)于RFID標(biāo)準(zhǔn)的制定方面，其爭奪的核心主要在RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼標(biāo)準(zhǔn)這一領(lǐng)域。目前，形成了五大標(biāo)準(zhǔn)組織，分別代表不同團(tuán)體或者國家的利益。EPC Global由北美UCC產(chǎn)品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)合成立，在全球擁有上百家成員，得到了零售巨頭沃爾瑪，制造業(yè)巨頭強(qiáng)生、寶潔等跨國公司的支持。而AIM、ISO、UID則代表了歐美國家和日本；IP-X的成員則以非洲、大洋洲、亞洲等國家為主。

2.在傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，2006年9月27日，ZigBee聯(lián)盟宣布ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)版本完成并可以供成員使用。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)吸引了分部在六大洲26個(gè)國家超過200個(gè)成員公司的支持。IEEE制定的IEEE802涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方面的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括無線通信領(lǐng)域的802.11系列無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、802.15無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、802.16寬帶無線接入（無線城域網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)和有線接入領(lǐng)域的802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.在應(yīng)用服務(wù)方面，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵主要在于基于軟件和中間件的數(shù)據(jù)交換和處理標(biāo)準(zhǔn)，即物物相連的數(shù)據(jù)表達(dá)、交換和處理標(biāo)準(zhǔn)。首先，需要定義一批XML數(shù)據(jù)表達(dá)與接口標(biāo)準(zhǔn)，然后開發(fā)出支撐這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的配套運(yùn)行環(huán)境和中間件業(yè)務(wù)框架，使用戶能夠快速開發(fā)出垂直應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，讓標(biāo)準(zhǔn)落到實(shí)處，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。微軟、IBM、Apple等公司均建立了與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的多種標(biāo)準(zhǔn)，有些已經(jīng)占領(lǐng)了壟斷地位。在我國，同方從2004年就開始研發(fā)這方面的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，推出了M2M物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)中間件產(chǎn)品和OMIX數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。中國移動(dòng)建立了基于WMMP標(biāo)準(zhǔn)的M2M營運(yùn)平臺(tái)。

（四）發(fā)展趨勢(shì)

溫家寶《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》中提出“在應(yīng)對(duì)這場國際金融危機(jī)中，各國正在進(jìn)行搶占經(jīng)濟(jì)科技制高點(diǎn)的競賽，全球?qū)⑦M(jìn)入空前的創(chuàng)新密集和產(chǎn)業(yè)振興時(shí)代。我們必須在這場競爭中努力實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展”。要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，邁向信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，在這個(gè)以科技為主要生產(chǎn)力的年代，傳統(tǒng)的人力養(yǎng)殖已大大不能滿足人們的需求，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，給科技養(yǎng)殖提供了基礎(chǔ)，而溫家寶的話為我們提供了發(fā)展的方向。

三、主要研究開發(fā)內(nèi)容

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)內(nèi)容主要包括以下方面內(nèi)容:

（一）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題

世界各國存在不同的標(biāo)準(zhǔn)。中國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2006年成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組。2009年9月，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立了PG1(國際標(biāo)準(zhǔn)化)、PG2(標(biāo)準(zhǔn)體系與系統(tǒng)架構(gòu))、PG3(通信與信息交互)、PG4(協(xié)同信息處理 )、PG5(標(biāo)識(shí) )、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(電力行業(yè)應(yīng)用調(diào)研)等8個(gè)專項(xiàng)組，開展具體的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

（二）安全問題

信息采集頻繁，其數(shù)據(jù)安全也必須重點(diǎn)考慮。

（三）協(xié)議問題

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協(xié)議類別五花八門，GPRS/CDMA、短信、傳感器、有線等多種通道，物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議棧。

（四）終端問題。

物聯(lián)網(wǎng)終端除具有本身功能外還擁有傳感器和網(wǎng)絡(luò)接入等功能，且不同行業(yè)需求千差萬別，如何滿足終端產(chǎn)品的多樣化需求，對(duì)運(yùn)營商來說是一大挑戰(zhàn)。

四、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（一）技術(shù)關(guān)鍵

把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合在一起，建立一個(gè)自動(dòng)調(diào)控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

1.傳感器：低成本、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、微功耗、安全性。三類態(tài)傳感器：一是集聚式傳感器節(jié)點(diǎn)。二是移動(dòng)式傳感器節(jié)點(diǎn)(車載、便攜）。三是分布式固定傳感器節(jié)點(diǎn)。使用特點(diǎn): 季節(jié)性、空間分布性、多參數(shù)嵌入。

2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)： 分布式傳感器→ 匯聚節(jié)點(diǎn)，采用ZigBee，適于環(huán)境變化的多跳、自組織通信技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)接入。智能信息處理：邏輯思維→ 形象思維，知識(shí)工程、云服務(wù)、人機(jī)和諧；現(xiàn)代信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)。

3.幾種關(guān)鍵系統(tǒng)：一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集光照，溫度，濕度和土壤含水量等傳感器采集的數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集和管理。二是無線傳輸系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)傳送到管理中樞，讓管理者能及時(shí)的看到新的數(shù)據(jù)。三是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。主要用過控制設(shè)備自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，管理員可以直接通過管理中樞進(jìn)行操控。四是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。能自動(dòng)處理傳送過來的數(shù)據(jù)，為用戶管理數(shù)據(jù)，這系統(tǒng)擁有數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，能保存歷史記錄，能為以后改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法提供數(shù)據(jù)。五是智能報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)采集設(shè)備采集到的溫度，濕度等基本參數(shù)超過預(yù)先設(shè)置的限制時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將提供數(shù)據(jù)的報(bào)警，并且提醒相關(guān)管理人員。報(bào)警限度由管理人員自行設(shè)定。

（二）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

以物聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，以云計(jì)算為核心，采用模塊化的思想，搭建成一個(gè)完整的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。 系統(tǒng)將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將資料傳輸?shù)焦芾碇袠?，管理人員可以通過管理中樞收到數(shù)據(jù)改變溫室的濕度、溫度等等。

（三）預(yù)期目標(biāo)

建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)交換，使不同的人可以方便有序參加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)同工作，提高工作效率；同時(shí)引入實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的理念，實(shí)現(xiàn)各種信息資源的即時(shí)采集和共享，即時(shí)通過管理中樞進(jìn)行遠(yuǎn)程管理監(jiān)控。設(shè)有只能預(yù)警功能，若采集的數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)置的限制時(shí)，將開啟系統(tǒng)報(bào)警功能，提醒短信告知相關(guān)管理人員，便于對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的管理。