学年论文物联网在绿色农业中的发展与应用

物联网在绿色农业中的发展与应用
摘要：物联网被世界公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。

是当代通信物联网重要应用之一他是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。

在这背后，则是在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。

农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

简要回顾了互联网（Internet）等现代网络信息技术的发展，介绍了物联网(the Internet of the Things) 发展概况，并结合物联网农业初步应用案例分析，阐述了其发展趋势和应用前景。

关键词：物联网；农业物联网；物联网农业；农业信息技术；M2M；WSN
Abstract: The Internet of things is the world recognized as the following computer, Internet and mobile communication network of the world's third wave information industry. It is one of the important applications of contemporary communication of things, he is perceived as the prerequisite, the realization of people, people and things, and fully connected network. Behind it, is all kinds of the microchip implanted on the object, using the sensor for the physical world of all kinds of information, and then through the local wireless networks, Internet, mobile communication network and communication network interaction, so as to realize the perception of the world. Agricultural Internet of things is generally applied to a large number of sensor nodes constitute a monitoring network, through a variety of sensors to collect information, to help farmers find problems in time, and accurately determine the position of the problems, so that farming will gradually from human centered, depends on the production mode of isolated mechanical steering mode of production, for the center with information and software to use various kinds of automatic and intelligent production equipment, remote control.The development of modern network technology including the Internet was briefly reviewed. The development situation of the Internet of things was introduced. With the analysis of a case for preliminary application of the Internet of things in Agriculture,
the development trends and application perspectives were illustrated.
Key words: Internet of things; Internet of things in agriculture; agricultural information technology; M2M; WSN
在科学发展史上，个人计算机（PC）和国际互联网（Internet）无疑是20 世纪最重要的科学发明和技术创新之一，其对人类社会的巨大贡献和产生的影响，几乎很少有其他能与之媲美。

前者产生于上个世纪的60 年代，而后者的普及应用则仅仅开始于上个世纪90 年代，在近20 年的时间里，网络信息技术的发展日新月异，并以惊人的速度渗透到各个角落，进入21 世纪，网络信息技术更是以前所未有的速度发展，“IPv6”、“Cloud Computing”、“M2M”、“网格技术”、“WSN”、“移动互联网”等新技术不断推出直至普及应用。

随着微电子、计算机和网络信息技术在各个领域的渗透和普及，以全球互联网为基础的“物联网”正在兴起，并被业界称之为第三次信息技术革命。

网络信息技术的提升对科学和社会经济的发展带来了巨大的机遇。

有关资料表明，过去三十年，网络信息科技对发达国家经济增长贡献率达到40%,而采用全新框架的“物联网”将会导致整个互联网和其他应用网络体系的重建，进而创造一个更大的市场需求，成为拉动科技创新，促进经济增长的强大动力，因此欧美等发达国家纷纷投入研究，“物联网”已经成为未来高科技领域国际竞争的热点。

我国农业正处于传统农业向现代农业的转型时期，全面实践这一新技术体系的转变，网络信息化技术将发挥独特而重要的作用，也为现代农业发展提供了前所未有的机遇。

充分利用智能化信息管理技术发展现代化农业，同样成为当今各个发达国家农业发展的热点之一。

以欧美为代表的世界发达国家，在农业信息网络建设、农业信息技术开发、农业信息资源利用等方面，全方位推进农业网络信息化的步伐，利用“5S”技（GPS、RS、GIS、ES、DSS）、环境监测系统、气象与病虫害监测预警系统等，对农作物生产进行精细化管理和调控，有力地促进了农业整体水平的提高。

上个世纪90 年代，在我国随着互联网技术的成熟和普及，计算机互联网络开始进入农业领域，从事农业人员甚至普通农民，即可以随时随地及时快捷的获得各种科技信息、管理信息、市场供求信息、气象与土壤信息、作物与病虫害信息等等。

互联网络和计算机信息技术的结合，正在改变因农业高度分散、生产规模小、时空变异大、量化与规模化程度差、稳定性和可控程度低等行业性弱点。

网络信息技术在农业领域的普及和应用，使“电脑上也能把地种”的愿望变为可能，使“运筹帷幄决胜千里”的管理调控理念梦想成真。

2009 年8 月，温家宝总理提出建立中国传感信息中心的战略设想，物联网再度成为热点，也为发展“农业物联网”或“物联网农业”提供了契机和动力，农业网络信息化建设似乎又迎来了新的春天。

本文试图对网络信息技术和物联网的发展做简要回顾，并针对其在农业中的应用现状和未来进行分析和展望。

Ⅰ基于互联网的现代信息技术的发展
众所周知，互联网（Internet）可以说是上个世纪美苏二个超级大国冷战的产物。

1969 年美国国防部为了研制抗核打击的计算机网络系统，提出“ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）”计划。

1983 年，ARPA 和美国国防部通信局研制成功了用于
异构网络的TCP/IP 协议，此后随着该协议的不断流行普及，从而诞生了真正的Internet。

国际互联网真正在民间普及应用，大体上开始于上个世纪90 年代初。

互联网在中国的发展历程可以大略地划分为三个阶段: 第一阶段为1986～1993 年是研究试验阶段。

在此期间中国一些科研部门和高等院校开始研究Internet联网技术，并开展了科研课题和科技合作工作。

第二阶段为1994～1996 年，是起步阶段。

在中国陆续启动了中国公用计算机互联网（CHINANET）、中国科技网（CSTNET）、中国教育和科研计算机网（CERNET）、中国金桥信息网（CHINAGBN）等多个互联网络，互联网开始步入公众生活，并在中国得到了迅速的发展。

第三阶段从1997 年至今，是快速增长阶段，网络应用无处不在，渗透到社会的每个角落。

现有互联网技术在大规模发展和普及应用的同时也遇到了难以逾越的瓶颈。

IPv4 是互联网协议（In-ternet Protocol version 4）的第四版，是构成现今互联网技术的基石的协议。

IPv4 地址空间几乎耗尽的迫近，急需解决基于IPv6 版本的互联网协议，也就是所谓的下一代互联网的协议。

1998 年，中国教育科研网（CERNET ）在我国第一次搭建了IPV6 试验床，在全国第一次实现了与国际下一代高速网的互联，已引起社会各界的关注。

有人按保守方法估算，IPV6 实际可为整个地球每平方米面积上分配1000 多个地址，更有人形象比喻可以为地球的每个沙粒分配一个IP地址。

目前互联网正处在从IPv4 向IPv6 过渡的时期，同时在中国移动通信网络正在实现从2.5G （GPRS/ CDMA）向3G （第三代移动通信技术）转变。

另外，在我国尽管3G 尚未全面铺开，但4G 已开始实验示范，展示相关业务，足见移动技术发展的高速度。

在日本和欧美等发达国家，3G 业务发展迅猛，特别是日本已是最成熟的国家之一。

移动通信与Internet 的融合，极大地延伸了网络的发展应用空间，移动互联网的概念已悄然兴起，“网络即一切(Network is Everything)”的理想正在变成现实。

以互联网为主要核心技术，带动了网络信息化技术呈现出势不可挡的发展势头。

1992 年，美国参加竞选总统的候选人克林顿提出将建设“信息高速公路”作为振兴美国经济的一项重要措施，并成为后来美国政府的建设计划。

日本、加拿大和欧洲等工业发达国
家也都决定要加速建设“信息高速公路”。

“信息高速公路”是指通过建立可以交流各种信息的大容量、高速率的通信网络，让各种各样的信息迅速实现交换和共享，不仅为科
技和经济发展经济创造有利条件，同时也将提高人们的工作效率和生活质量。

1998 年美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，这是一个与3S、网络、虚拟现实等密切相关的概念。

其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地优化和利用自然和社会资源，并能通过多种方式技术快速交换与获取信息。

从技术层面上看，要实现数字化地球的构想，其主要支撑基础包括信息高速公路（宽带高速网）的建设、高分辨率空间影像和其它相关空间技术的研发、海量数据处理与科学计算、可视化和虚拟现实技术等。

在数字地球的基础上，很容易联想到“数字农业”的概念，可以说是数字地球的重要组成部分。

简单地讲，数字农业(Digital Agriculture) 是指使用3S （或5S）技术、计算机和自动化、通信和网络等数字化技术，实现对农业生产、决策管理、经营流通等领域进行数字化设计、可视化表达和智能化控制等，使农业按照其科学规律实现可持续发展。

目前精准农业和设施农业智能化控制技术发展迅猛，是数字农业发展进程中的典型代表，在提升农业现代化装备水平，推进农业现代化管理进程上发挥了日趋显要的作用。

2008 年美国IBM 公司正式提出“智慧地球”（Smart Planet）的概念，此后不久则成为美国国家战略的一部分。

“智慧地球”的核心理念是要把传感器嵌入到各个领域的仪器装备中，形成所谓“物联网”实现全面感知。

并通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。

2009 年，温家宝总理提出“感知中国”，真正拉开了全面建设中国物联网的序目。

Ⅱ从M2M到物联网
物联网概念在1999 年由美国麻省理工大学首次提出。

国际电信联盟ITU2005 年度报告中提出：信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物体的阶段，而万物的连接就形成了物联网。

从M2M 到“物联网”的本质来看，
二者有着非常密切的关联，有时甚至可以作为同义语，但严格讲二者的确又不尽一致。

从技术层面上看，“物联网”与互联网有着天然的紧密联系，二者都是基于某种开放的网络间通信协议，实现了同构或异构网络的互联与信息交换。

如果说互联网更多是指利用通信线路把分布在不同地点上的多个独立的计算机系统连接起来，构成网络资源共享的系统，那么物联网则是要把所有具备信息传感功能的设备或物体互联，从而形成的一个巨大的传感器智能网，最终可达到“全面感知、可靠传送、智能处理”的综合功能。

目前普遍认为，“物联网”将是继计算机、互联网之后的信息产业第三次浪潮，将成为刺激经济增长的发动机或加速器。

因此国际上发达国家，无不争前恐后加大研发力度，抢占技术
制高点，争夺国际市场份额。

众所周知，目前互联网仍然更多注重计算机之间或人与人之间的通信，忽略了大量应用于各种领域的装备与机器（Machine）之间的互联，以及人与这些仪器装备之间的通信。

于是在上个世纪90 年代末，为了解决机器之间的通信问题，M2M 的概念和技术应运而生。

狭义的M2M (Machine to Machine）是指所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称，其实质是将数据从一台终端设备传送到另一台终端，也就是建立机器与机器的通信或对话。

广义的M2M 也包含人对机器（Man to Machine）或机器对人（Machine to Man）或人与人（Man to Man）、移动网络与机器之间的连接和通信等等，因为人与人之间的沟通很多也是通过机器实现的，例如通过手机、电话、电脑、传真机等机器设备之间的通信来实现人与人之间的沟通。

运用M2M 技术，大量的设备和机器将融入到现有的网络中来，它将通过各种领域的应用创造出更加丰富多彩的成果，M2M 技术正在不断深入人心。

基于这一理念，将使所有机器设备都具备互联和通信能力, “网络即一切”的核心思想将得到实现。

可以预见，M2M 将做为实现物联网的重要技术支撑，获得越来越广泛的发展和普及应用。

要构成一个巨大感知网络-物联网，如何实现感知是致关重要的。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）也是近年来发展起来的一门崭新的技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等多学科交叉的研究成果，在传感器网络内通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的系统，其目的是协作感知采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够灵活地实时监
测网络分布区域内的各种数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息传送给用户。

无线传感器网络作为终端感知网络，与移动通信网络相结合，将形成物与物（machine to machine）、人与人（man to man）、物与人(machine to man ) 的互联网络，也即M2M （已如前所述）。

无线移动通信网络是目前、也是可预见的将来应用范围最广、用户最为广泛、业务成熟度最高的面向大众的网络，随着3G 网络的逐渐成熟，一些受制于带宽限制而无法开展的应用问题，如无线远程视频实时监控等，也都将会迎刃而解。

Ⅲ物联网的体系构架和应用
现阶段物联网技术与应用尚未建立起一套标准的、开放的、可扩展的物联网体系架构。

当前普遍认为把物联网划分为一个由感知层、网络层和应用层组成的三层体系，如图 1 所示。

图1 物联网体系架构图
感知层及M2M 终端，主要包括RFID 标签和读写器、摄像头、传感器网络和传感器网关等，在这一层次要解决的重点问题是感知、识别物体，采集信息。

网络层首先包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，是目前比较成熟的部分，除此之外还包括物联网管理中心、信息中心、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。

网络层是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合。

应用层是将物联网技术与行业专业领域技术相结合，比如精准农业、环境监测、工业控制、远程诊断、楼宇监控、智能家居、车辆调度、城市管理等。

物联网通过应用层最终实现信息技术与行业专业技术的深度融合，因此发展针对行业应用的物联网最切实际需求。

物联网的应用几乎可以包罗万象，目前能够预见到的领域包括工业、农业、水利、环保、气象、城市、交通、金融、市场、安全、物流等等。

农业作为分布最为广阔的领域，物联网的应用大有可为。

Ⅳ基于M2M的农业远程监控系统应用简介
物联网技术在工业控制和电子商务等领域已经有较快的发展，而在农业领域因其行业特点和其它条件所限正处于起步阶段，但已有一些探索和应用的成功案例。

这些应用包括农业环境监测、温室控制、节水灌溉、气象监测、产品安全与溯源、设备智能诊断管理等方方面面。

以实现农业环境远程监控与诊断管理为主要目标，中国农业科学院孙忠富等人在国内
较早地开展了基于M2M 技术和物联网理念的研究开发，目前初步形成可应用于各类农业环境监测和诊断的网络化技术和产品，已经在设施农业、农田作物、野外台站、工厂化养殖等领域示范应用。

如果不断扩大应用范围，进一步完善相关技术，即可形成农业环境监控物联网。

应用该研究成果可针对大规模农业园区、设施农业和野外农田，离散部署无线传感器节点，组建无线传感器网络，对作物生长环境、农业气象要素，如空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等进行动态实时采集，并通过GPRS/CDMA/3G 移动通信网络实时传输至远程中心服务器，中心服务器接收存储数据，结合对应的诊断知识模型对数据解析处理，以达到分布式监测，集中式管理。

基于远程监控技术的系统设计构架
见图2。

基于上述关键技术和系统解决方案，目前正在针对全国小麦主产区，开展“小麦苗情数字化远程监控与诊断管理”系统的研究工作，本项目得到了农业部和财政部2009 年行业（农业）科研专项的重点支持。

项目基于M2M 和物联网理念，计划在我国四个主要小麦生态类型区，包括东北、西北西南、黄淮海、长江中下游，构建针对小麦苗情为重点的监控网络，监测内容包括气象、土壤、作物生理与图象视频等关键信息，通过移动网络（GPRS/3G）和Internet 对接，将信息远程传输至中心数据库服务器。

将现场实时监测信息与领域知识融合，建立基于Web 的远程监控网络与诊断管理平台。

应用该系统可对影响小麦的重要气象灾害（如干旱、涝渍、霜冻、干热风等）进行动态监测，为小麦生长发育状况进行诊断分析，为防灾减灾、优化管理提供科学依据和技术支撑。

项目各项工作已经全面展开，在传感器网络节点优化设计、嵌入式数据采集器、基于3G 的视频系统、中心数据库管理平台、野外监测站点安装等方面取得显著进展，项目预计 5 年完成。

尽管全面实现农业物联网仍然要有很长的路要走，但可以肯定地说，届时一定会展现出一个基于物联网理念的成功农业应用案例。

图2 基于M2M和物联网的远程监控结构图
江中下游，构建针对小麦苗情为重点的监控网络，监测内容包括气象、土壤、作物生理与图象视频等关键信息，通过移动网络（GPRS/3G）和Internet 对接，将信息远程传输至中心数据库服务器。

将现场实时监测信息与领域知识融合，建立基于Web 的远程监控网络与诊断管理平台。

应用该系统可对影响小麦的重要气象灾害（如干旱、涝渍、霜冻、干热风等）进行动态监测，为小麦生长发育状况进行诊断分析，为防灾减灾、优化管理提供科学依据和技术支撑。

项目各项工作已经全面展开，在传感器网络节点优化设计、嵌入式数据采集器、基于3G 的视频系统、中心数据库管理平台、野外监测站点安装等方面取得显著进展，项目预计5 年完成。

尽管全面实现农业物联网仍然要有很长的路要走，但可以肯定地说，届时一定会展现出一个基于物联网理念的成功农业应用案例。

Ⅵ总结与展望
物联网技术应用市场正在全球范围快速增长，随着通信设备、管理软件等相关技术的深化，物联网技术相关产品成本的下降，物联网业务将逐渐走向全面应用。

中国政府也将M2M 相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020 年中长期规划纲要十一五规划》重点扶持项目。

我国无线通信网络已经覆盖了广大城乡，无线网络是实现物联网必不可少的基础设施，随时随地、无处不在的无线网络也为农业物联网技术在农业信息化中的应用推广奠定了基础。

可以看出，农业无疑是物联网应用的重要领地，但在实际生产应用中尚面临诸多问题亟待发展解决，比如数据安全、传感器安装分布、系统维护、偏远恶劣环境下的电源问题等等。

据美国一家研究机构预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大几十倍，巨大的经
济利益必然驱使激烈的技术竞争。

全球科技大国先后都提出了物联网发展战略，掀起了新一轮物联网的浪潮。

2009 年国务院指出要着力突破传感网、物联网关键技术。

国内各大著名高校和研发机构竞相跃跃欲试、蓄势待发。

许多省份也都陆续提出了相应的发展战略，并纷纷兴建示范工程。

农业物联网作为国家物联网发展战略的重要部分，一定要抓住机遇，有所作为。

要结合中国农业特点和国情，尽早谋划未来，凝练发展重点，实现关键核心技术和共性技术的突破和创新，在国际舞台上占有一席之地。

同时也需要指出，我国农业物联网的建设一定要注重脚踏实地，打好基础，在做好顶层设计的同时，要抓好示范应用和实际案例的培育，以应用促进步，切实推动我国农业物联网稳健发展。

展望未来，国家和政府已经明确提出了发展物联网“感知中国”的宏伟战略目标，同时也为构建农业物联网“感知农业”指明了方向。

通过发展农业物联网打造物联网农业，一定能在农业现代化建设中实现全面感知、稳定传输、智能管理的理想。

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