农业物联网的发展及关键技术应用进展

农业物联网的发展及关键技术应用进展

秦怀斌1，2，李道亮2，郭理1

（1．石河子大学信息科学与技术学院，新疆石河子832003；2．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100193）

摘要：农业物联网的出现，对推动信息化与农业现代化融合、精细农业的应用与实践等具有至关重要的作用。

为此，主要从农业物联网的架构模型、农业物联网关键技术，以及农业物联网信息感知技术、农业物联网信息传输技术、农业物联网信息处理技术等应用进展方面进行综述，并对农业物联网的前景进行分析和展望。

关键词：农业物联网；架构模型；信息感知；信息传输；信息处理

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1003－188X（2014）04－0246－03

0引言

物联网（Internet of Things，IoT）的概念自1999年由麻省理工学院的Ashton教授提出以来，其与农业领域的应用逐渐紧密结合，形成了农业物联网及其应用。农业物联网对推动信息化与农业现代化融合、精细农业应用与实践等具有至关重要的作用。

农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，就是运用各类传感器、ＲFID、视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息；通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息多尺度的可靠传输；最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标［1］。

本文介绍了国内外农业物联网的发展，并在此基础上对农业物联网关键技术应用进展进行了阐述。

1农业物联网发展现状

1．1农业物联网架构模型

根据计算机网络架构模型的研究方法，国内外将农业物联网架构模型分为感知层、传输层（网络层）、

收稿日期：2013－04－18

基金项目：教育部人文社科研究新疆项目（11XJJAZH001）；石河子大学科学技术研究发展计划（ZＲKX2010YB18）

作者简介：秦怀斌（1980－），男，宁夏中卫人，副教授，博士研究生，（E－mail）qhb_inf@shzu．edu．cn。

通讯作者：郭理（1968－），男，新疆石河子人，副教授，硕士。处理与应用层3个层次。其中，处理与应用层又包含了处理层和应用层两个层次［1］。农业物联网架构模型如图1所示

。

图1农业物联网架构模型

Fig．1Architecture model of Internet of Things in agriculture

感知层主要包括各类传感器，ＲFID，ＲS，GPS及二维条形码等，采集各类农业相关信息（包括光、温度、湿度、水分、养分、肥力、土壤墒情、土壤电导率、溶解氧、酸碱度和电导率等），实现对“物”的相关信息的识别和采集。

网络层在现有网络基础上，将感知层采集的各类农业相关信息，通过有线或无线方式传输到应用层；同时，将应用层的控制命令传输到感知层，使感知层的相关设备采取相应动作，如开关打开或关闭、释放氧气、增加温度或湿度及设备重新定位等。

公共处理平台包括各类中间件及公共核心处理技术，实现信息技术与行业的深度结合，完成物品信息的共享、互通、决策、汇总和统计等，如完成农业生产过程的智能控制、智能决策、诊断推理、预警、预测等核心功能。

具体应用服务系统是基于物联网架构的农业生

产过程架构模型的最高层，主要包括各类具体的农业生产过程系统，如大田种植系统、设施园艺系统、水产养殖系统、畜禽养殖系统、农产品物流系统等。通过这些系统的具体应用，保证产前正确规划以提高资源利用率，产中精细管理以提高生产效率，产后高效流通，实现安全溯源等多个方面，促进农业的高产、优质、高效、生态、安全。

公共技术是整个基于物联网架构的农业生产过程系统运行的基础和保障，主要包括信息安全、网络管理及质量管理等。其中，信息安全指在基于物联网架构的农业生产过程系统运行过程中，确保网络安全、计算机系统安全、数据库系统安全及应用系统安全，并保证ＲFID及各类传感器的安全，保障整个系统的可用性、保密性、完整性、不可否认性和可控性。网络管理是对整个基于物联网架构的农业生产过程系统的全过程管理，包括配置管理、性能管理、故障管理、记帐管理和安全管理；质量管理（Quality of Service，QoS）是对整个系统质量进行全程管理，保证农业生产过程系统物联网对质量的高要求，使系统高质量地运行。

1．2农业物联网关键技术

目前，农业物联网关键技术主要围绕农业信息感知、农业信息传输、农业信息处理等方面展开研究，并取得了较多研究成果。

其中，农业信息感知技术研究主要包括农业传感技术、ＲFID技术（Ｒadio Frequency Identification）、条码技术、全球定位系统GPS技术（Global Positioning Sys-tem）和ＲS技术（Ｒemote Sensing）等。

农业信息传输技术研究主要包括有线传感网络技术、无线传感网络技术和移动通信技术。无线传感网络以无线通信方式组成一个网络系统，由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络信息。其中，ZigBee技术被广泛地用在无线传感网络中。移动通信技术主要利用手机等移动设备，结合移动网络设施，实现信息传输。

农业信息处理技术主要包括农业预测预警技术、农业智能控制技术、农业智能决策技术、农业诊断推理技术及农业视觉处理技术等。

2农业物联网关键技术应用进展

2．1农业物联网信息感知技术应用进展

目前，国外农业物联网信息技术及感知产品相对较成熟，国内大部分的农业物联网信息感知产品在农业信息化基地逐渐使用；但大部分仍然处于试验阶段，产品的可靠性、稳定性等和国外有明显的差距。

1）大田种植方面。国外，Hamrita等人2005年应用ＲFID技术开发了土壤性质监测系统，实现对土壤湿度、温度的实时检测，对后续植物的生长状况进行研究［2］；Ampatzidis等人2009年将ＲFID应用在果树信息的检测中，实现对果实的生长过程及状况进行检测［3］。国内，卜天然等人2009年将传感器应用在空气湿度和温度、土壤温度、CO2浓度、土壤pH值等检测中，研究其对农作物生长的影响［4］；张晓东等人利用传感器、ＲFID、多光谱图像等技术，实现对农作物生长信息进行检测［5］；中国农业大学在新疆建立了土壤墒情和气象信息检测试验，实现按照土壤墒情进行自动滴灌。

2）畜禽养殖方面。国外，Parsons等人2005年将电子标签安装在Colorado的羊身上，实现了对羊群的高效管理［6］；荷兰将其研发的Velos智能化母猪管理系统推广到欧美等国家，通过对传感器检测的信息进行分析与处理，实现母猪养殖全过程的自动管理、自动喂料和自动报警［7］。国内，谢琪等人设计并实现了基于ＲFID的养猪场管理检测系统［8］；耿丽微等人基于ＲFID和传感器设计了奶牛身份识别系统［7］。

3）农产品物流方面。国外，Spiessl－Mayr E等人将ＲFID技术应用到猪肉追溯中，实现了猪肉追溯管理系统［9］。国内，谢菊芳等人利用ＲFID、二维码等技术，构建了猪肉追溯系统［10］；史海霞等人利用构件技术、ＲFID技术等，实现了柑橘追溯系统［11］；北京、上海、南京等地逐渐将条形码、ＲFID、IC卡等应用到了农产品质量追溯系统的设计与研发中。

除此之外，农业物联网信息感知技术在设施园艺、水产养殖等方面也有较多应用。

2．2农业物联网信息传输技术应用进展

1）大田种植方面。国外，美国AS Leader公司采用CAN现场总线控制方案；美国StarPal公司生产的HGIS系统，能进行GPS位置、土壤采样等信息采集，并在许多系统设计中进行了应用；Masayuld等基于无线传感网络，开发了农业和土地检测系统，实现对农田信息的检测。国内，何龙等人基于无线传感网络，实现了杭州美人紫葡萄栽培实时检控［12］；高军等人基于ZigBee技术和GPＲS技术实现了节水灌溉控制系统［13］；杨婷等人基于CC2430，设计了基于无线传感网络的自动控制滴灌系统［14］。

2）畜禽养殖方面。国外，Bishop－Hurlen GL等人进行了耕牛自动放牧试验，实现了基于无线传感器网络的虚拟栅栏系统［15］；Nagl等人基于GPS传感器设