郭曉磊

基于衛(wèi)星圖像收集信息、現(xiàn)場采集土壤樣本、判斷樣品所在區(qū)域的土壤特性等方法在實際應(yīng)用中具有局限性，例如由地域組成部分引起的離散性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集后的指導(dǎo)意義有限。在面對大體量的數(shù)據(jù)時，以何種方式作出有效處理是重難點內(nèi)容。在此背景下，探尋更為科學(xué)的方法極具必要性。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用屬于重要突破口，有助于提高數(shù)據(jù)處理水平，可從數(shù)據(jù)中剖析價值，對數(shù)據(jù)的處理具有自動化特征。因此，此次關(guān)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的分析圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用展開。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)含義

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)中不可或缺的部分，依托紅外線感應(yīng)器、全球信息定位系統(tǒng)等，高效采集信息，在網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通作用下，實現(xiàn)物與人、物與物的精準(zhǔn)對接，建立兼具管理、識別、定位、監(jiān)控多項功能于一體的網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中，應(yīng)用到射頻識別技術(shù)、M2M、云計算、傳感網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)源于物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)的參考價值豐富，大數(shù)據(jù)通過分析用戶的行為產(chǎn)生具有參考價值的結(jié)果。在大數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，云計算屬于重要前提，是大數(shù)據(jù)計算得以順利進行的基本保障?；ヂ?lián)網(wǎng)是溝通的“橋梁”，能夠增強事物與事物間、人與事物間的聯(lián)系。云計算是物聯(lián)網(wǎng)中極具代表性的中心神經(jīng)功能[1]。

從通信對象和過程的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)由3層組成。一是整體感知層，關(guān)鍵硬件設(shè)施為感知設(shè)備，可用于獲取信息，為后續(xù)的分析與調(diào)控奠定基礎(chǔ);二是傳輸層，綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)，建立高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道;三是智能處理層，圍繞數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的智能化處理。物聯(lián)網(wǎng)的具體架構(gòu)，如圖1所示。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵風(fēng)向標(biāo)，向傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)融入智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞土壤、環(huán)境等進行全方位檢測，從多項指標(biāo)切入，分析農(nóng)產(chǎn)品的生長環(huán)境，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際狀況進行精準(zhǔn)調(diào)控，突出農(nóng)業(yè)的智能化、自動化特征，減少人工勞動力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一套高效的綜合管理系統(tǒng)，其兼容自動化技術(shù)、智能技術(shù)等前沿技術(shù)，采集到與作物生長有關(guān)的參數(shù)后，動態(tài)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，實現(xiàn)實時定位、信息管理、優(yōu)化方案等多項功能，以較少的資源促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，由此獲得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用意義

在農(nóng)業(yè)可持續(xù)過程中，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式缺乏可行性，存在產(chǎn)品質(zhì)量低、資源浪費嚴(yán)重、產(chǎn)品種類單一等局限性。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展為以往的農(nóng)業(yè)開辟出一條更具可行性的路徑，相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，可實現(xiàn)對資源的集約化利用。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式作為一項系統(tǒng)性工程，是推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向低耗、高質(zhì)、高效發(fā)展的必由之路。但在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中仍存在數(shù)據(jù)采集效率低、數(shù)據(jù)分析不全面等問題。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式提供了重要的發(fā)展思路，構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)具備抗干擾能力強、傳輸效率高、信息高效共享等特征。因此，應(yīng)以農(nóng)田信息采集和管理的具體要求為導(dǎo)向，建立相適配的無線網(wǎng)絡(luò)，保證信息的高效傳輸。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠為用戶提供決策信息，為日常工作的合理化開展保駕護航[2]。

現(xiàn)階段，我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式實踐過程中存在信息標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、人才隊伍建設(shè)不足等問題。雖然推進部分示范工程項目，但發(fā)展進程遲緩，尚處于試驗和演示階段，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化蛻變。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟的背景下，打造以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式，推動了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)朝著產(chǎn)業(yè)化方向邁進，該模式致力于突出產(chǎn)品特色，持續(xù)夯實精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)，為大規(guī)模推廣創(chuàng)設(shè)良好的條件。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，其實踐方式可應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)能基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況高效整合資源，以合理的資源配置方式促進農(nóng)業(yè)活動高效開展，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的同時達到減少資源投入、彰顯生態(tài)環(huán)境效益等多重效果[3]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用

3.1 構(gòu)建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺

在農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)活動中，應(yīng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，將嵌入式系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，配套Linux操作系統(tǒng)和ARM9S3C2410處理器，面向設(shè)備做全方位的管理。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線通信技術(shù)，聯(lián)合應(yīng)用高精度傳感器，高效采集有關(guān)于溫濕度、pH值等相關(guān)數(shù)據(jù);外部網(wǎng)絡(luò)采用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)。嵌入式系統(tǒng)以無線的方式連接內(nèi)、外信息傳輸通道。

農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配套設(shè)備包含溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、pH值傳感器等，可用于檢測溫度、濕度、光照強度、pH等各項與農(nóng)作物生長密切相關(guān)的指標(biāo)，實測數(shù)據(jù)可借助儀表實時呈現(xiàn)，作為參變量參與到自動控制中，保證生長環(huán)境的科學(xué)性。此外，還用到遠(yuǎn)程控制技術(shù)，辦公室工作人員可以遠(yuǎn)程查看農(nóng)業(yè)大棚的實際種植環(huán)境，縮短時空距離，提高控制的便捷性。在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下，可獲得供溫室調(diào)控參考的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便采取有效的調(diào)節(jié)措施，達到提質(zhì)、增效。

3.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)

依托智能農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，實現(xiàn)生產(chǎn)至運輸?shù)娜鞒坦芸?。?shù)字化管理技術(shù)的配套硬件設(shè)施包含溫度傳感器、化學(xué)傳感器等，具備高效監(jiān)控數(shù)據(jù)的能力;輔以RFID電子標(biāo)簽，實現(xiàn)可識別的實時數(shù)據(jù)存儲和管理，以更加標(biāo)準(zhǔn)化的方式實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效管理。

數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)共享、動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)等功能，可充分提高數(shù)據(jù)處理水平，確保數(shù)據(jù)具有可利用價值。生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理系統(tǒng)具備以下功能：遙感影像的處理與分析，例如高分辨率的遙感影像及其他以圖像方式提供的數(shù)據(jù);地物的空間模型，涉及到對象、地形等;屬性信息管理，即著重針對動、靜態(tài)數(shù)據(jù)的有效管理;應(yīng)用程序，涉及到服務(wù)器和客戶端程序;空間分析，主要指緩沖區(qū)、測量、等值線及地統(tǒng)計分析等;其他附屬功能，包含統(tǒng)計分析等。構(gòu)建的系統(tǒng)具備農(nóng)產(chǎn)品信息查詢、專家決策與分析等功能，其綜合應(yīng)用到信息、技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)，集多項優(yōu)勢于一體，有效提高了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化控制管理水平。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

通過傳感器感應(yīng)土壤水分，根據(jù)實測數(shù)據(jù)對灌溉系統(tǒng)做有效調(diào)整，在不影響農(nóng)作物生長的前提下，達到自動節(jié)水節(jié)能的效果。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式中，可以考慮建設(shè)具備低投入、高產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺，避免浪費灌溉用水。經(jīng)過監(jiān)測后，確定土壤墑情信息，據(jù)此判斷土壤特性，靈活控制灌溉時機和水量，解決人力資源耗費量大、監(jiān)控不全面等問題。從系統(tǒng)布設(shè)的角度來看，傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)存在成本高、拓展難度大等弊端，難以為農(nóng)田耕作提供有效支持。針對該狀況，設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，建立低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，增強系統(tǒng)的靈活性，可實時監(jiān)測土壤墑情，以自動化的方式控制灌溉，減少不必要的資源浪費。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效采集。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為星型結(jié)構(gòu)，其中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有兩項功能。一是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護，并全方位收集數(shù)據(jù);二是向監(jiān)控中心傳遞信息，形成高效的信息流通路徑。系統(tǒng)還具備自動組網(wǎng)的功能，若存在新增無線傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)將及時感知該情況，完整地向無線網(wǎng)關(guān)傳送節(jié)點信息。智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的核心組成包含監(jiān)控中心、無線傳感節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)、無線路由節(jié)點，在建立ZigBee自組網(wǎng)后，基于GPRS實現(xiàn)對監(jiān)控中心和無線網(wǎng)關(guān)的有效連接，以便信息的高效傳遞。

各傳感節(jié)點分別配套溫濕度傳感器，其關(guān)鍵作用在于自動采集墑情信息，將實測信息與濕度上下限作對比分析，判斷是否具有灌溉必要，并確定具體的灌溉時長。各節(jié)點的電能來源為太陽能電池供電，若電壓偏低，節(jié)點將發(fā)出報警信號，進入睡眠狀態(tài)充電。無線網(wǎng)關(guān)屬于系統(tǒng)重要組成部分，負(fù)責(zé)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接，主要功能為管理無線傳感器節(jié)點。

溫濕度傳感器可用于采集現(xiàn)場的溫濕度信息，此類儀器布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，能將采集的數(shù)據(jù)高效傳輸給無線路由節(jié)點，進而結(jié)合路由算法確定適宜的路由，生成與之相對應(yīng)的路由列表，全面涵蓋自身信息和鄰居網(wǎng)關(guān)信息。在網(wǎng)關(guān)的聯(lián)絡(luò)作用下，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控中心獲取到數(shù)據(jù)，供管理人員分析、判斷，把握現(xiàn)場情況，進而采取有針對性的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理措施。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的典型應(yīng)用

以瓜果蔬菜的種植為例，其對生長環(huán)境的要求高，溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)均要得到有效控制。搭建溫室大棚是優(yōu)化作物生長環(huán)境的重要方法，可突破季節(jié)對作物生長的制約作用?？刂苽鹘y(tǒng)大棚環(huán)境采用的是人工作業(yè)方法，分別在各大棚內(nèi)放置溫度計、濕度計等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由專員查閱各儀器的顯示數(shù)據(jù)，若某項參數(shù)不滿足要求，則及時采取調(diào)控措施，例如溫度偏高時需啟用通風(fēng)機。該人工作業(yè)的方法存在工作量大、時效性較差等問題，在小規(guī)模的大棚種植中可行，但對于大規(guī)模大棚種植而言，完全憑借人工進行檢測、調(diào)控缺乏可行性，易由于調(diào)控不及時而導(dǎo)致大棚環(huán)境偏離預(yù)期要求。

GHM智能溫室系統(tǒng)具備監(jiān)測大棚環(huán)境參數(shù)的功能，實測結(jié)果超出預(yù)先設(shè)定的閾值時隨即觸發(fā)報警機制，管理人員根據(jù)現(xiàn)場情況遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)施，如灌溉機、卷簾機等，將環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)至合理的區(qū)間內(nèi)，為作物營造適宜的環(huán)境。GHM智能溫室系統(tǒng)集多項功能于一體。

第一， 軟件界面的人機交互特性突出，實時顯示大棚的環(huán)境參數(shù)，管理人員可直觀掌握大棚的實際情況。

第二， 軟件可及時發(fā)現(xiàn)異常環(huán)境并報警，工作人員可根據(jù)需求及時查詢報警記錄，用相關(guān)信息指導(dǎo)工作。

第三， 計算機檢測到異常環(huán)境后自動調(diào)控。以溫度偏高為例，其會自動開啟通風(fēng)，并根據(jù)現(xiàn)場溫度靈活調(diào)控通風(fēng)量，將大棚內(nèi)的溫度控制在合理的區(qū)間內(nèi)。

第四， 除了自動控制外，還提供手動控制功能，操作具有便捷性，僅點擊鼠標(biāo)即可控制分布在種植現(xiàn)場的電動設(shè)備。

第五， 系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程控制功能，即便大棚種植現(xiàn)場無工作人員也可遠(yuǎn)程關(guān)閉卷簾，管理人員可通過視頻直觀掌握大棚基地的實際狀況。

在信息化的農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢下，科學(xué)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為必然發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的開展具有推動作用，能為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等目標(biāo)提供可靠的技術(shù)支持，同時為農(nóng)村經(jīng)濟轉(zhuǎn)型創(chuàng)設(shè)優(yōu)質(zhì)條件。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展望

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有自動控制、自動管理等特征。隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)事業(yè)掀起溫室控制與管理的技術(shù)熱潮，在前沿技術(shù)的協(xié)助下，起到提質(zhì)、增產(chǎn)的效果，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時具有良好的生態(tài)環(huán)境效益和社會效益。在未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，將具有愈發(fā)明顯的優(yōu)秀特質(zhì)。

第一， 人機交互特性突出，適配的軟件界面能直觀呈現(xiàn)信息，便于管理人員查詢與控制。

第二， 分布式管理，根據(jù)功能需求對控制系統(tǒng)進行分區(qū)，化繁為簡，線路鋪設(shè)簡潔明了，控制精度較高，日常運行時的故障率較低。在分區(qū)調(diào)控管理的方式下，可以結(jié)合實際狀況對各區(qū)采取有效的控制措施，保證每個種植區(qū)域均有良好的種植條件。

第三， 遠(yuǎn)程控制機制穩(wěn)定可靠，控制精度高，效果良好，管理人員可遠(yuǎn)程查看農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況并予以有效控制。

第四， 系統(tǒng)集多類子系統(tǒng)于一體，包含通風(fēng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)、屋頂噴淋系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)等，各系統(tǒng)均有特定的功能，例如調(diào)控溫度、濕度、通風(fēng)量等，能夠滿足不同環(huán)境中各項參數(shù)的動態(tài)調(diào)控要求。

第五， 在未來的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用水平將逐步提高，自主研發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品將愈發(fā)豐富，堅信在能人志士的“耕耘”下，將取得更加突出的成果，屆時溫室大棚控制的各類系統(tǒng)，將憑借功能完善、性能穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟便捷等優(yōu)勢具備較強的市場競爭力，進而促進我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)束語

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是必然的行業(yè)趨勢，結(jié)合傳感器、控制器等硬件設(shè)施，自動調(diào)控溫度、濕度等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)參數(shù)，利于生產(chǎn)作業(yè)的高效開展，可實現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)等目標(biāo)，保護生態(tài)資源。在未來的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)事業(yè)中，相關(guān)技術(shù)人員仍需持續(xù)探索，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用水平，保障精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式良好運行，為現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展助力。

參考文獻：

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