设施农业如何借助互联网技术发展智慧农业？

传统农业生产模式中施肥、灌溉、病虫害的防治等多数依靠农民的经验积累来完成，体现出粗放性、不确定性的特点。智慧农业实现了计算机技术、互联网技术、物联网技术的有机融合，代表着农业生产的更高级阶段，是传统农业的变革与升级。智慧农业是互联网+在农业生产中的深度融合，其不仅可以提高农业种植效益，而且绿色、环保，促进农业生产方式的转变及结构的调整。

严格意义上讲智慧农业属于农业信息化的范畴，其以物联网技术为支撑，将整个农业生产视为一个有机整体，将信息技术融入农业生产的各个环节，实现农业生产的精准化种植、可视化管理及智能化决策，可以说智慧农业是现代信息技术发展到一定阶段的产物。

一、智慧农业及物联网的内涵

智慧农业是一种新型的现代农业形态，其利用物联网技术、云计算技术、3S等信息技术实现了整个农业生产过程的智能控制，智慧农业实现了精准化种植。其“智慧”的内涵体现在两个层面，一方面智慧农业以科技创新为基础，科技的进步促进农业各产业要素的变革及结构的调整，从而促进智慧农业的发展；另一方面，智慧农业又以人文创新为主要动力，人文创新的理念体现在低耗、环保、以人为本等方面。由此可见，智慧农业不仅体现了科学技术的智能优势，还体现了人类发展的智慧。物联网技术是一种“物-物”短距离无线自组织网络，其通过智能传感、射频识别、激光扫描、GPS、遥感等技术实现物品与互联网的连接，其最终目的是实现物与物、人与人、人与物之间的信息交互传播。可以说智慧农业中物联网技术的应用打破了传统的农业产业结构，促使智慧农业向着更加高效、优质、生态的方向发展。

二、智慧农业中物联网技术的关键技术

目前在智慧农业生产中，物联网技术的关键技术主要包括以下几种：

1.Wifi技术

Wifi是将电子设备连接到局域网的技术，其应用领域十分广泛，支持多种电子设备的无线上网，实现无线网络的传输。Wifi技术在封闭的室内空间内可获得100 m左右的辐射范围，空旷的室外甚至可达200 m。在智慧农业中，Wifi技术不仅要感知信息，还要传输信息，智能传感器通过Wifi技术收集到各类信息，再利用Wifi技术进行信息交换及传输，由此可见，Wifi技术是支持智慧农业物联网技术的基础。

2.RFID技术

RFID即射频识别技术，其主要通过无线电讯号感知监测目标，并记录下监测数据，其适用于短距离的信息传输与识别。RFID技术包括应答器、阅读器、软件处理系统三个部分，其具有强大的数据记忆容量，且耐久性高、抗污染能力强、扫描迅速，故在物联网中应用广泛。阅读器检测到监测目标的信号后通过天线散发射频信号，软件系统在接收信号后对其进行处理，再将处理信息反馈至阅读器，阅读器再次接受频率信号再进行数据分析，实现对信息数据的控制。

3.传感网络技术

所谓传感网络技术即传感器集成的网络，其包括集成传感器、数据处理单位部件、通信部件等，实际工作中其随机分布于需要采集信息、传输信息的区域，从而形成互相联系的网络结构。在传感网中分布大量的节点，其具有很强的环境适应性，传感网中由于节点密集、分布随机，故要求其具备一定的能量存储功能，以保证其正常运行，目前常用的是太阳能或风能系统。从某种程度上讲，传感网络技术是物联网技术的核心，在物联网技术中信息感知层、传输层、应用层的连接均是通过传感网络技术来实现的，最终实现物与物、人与物的连接以及信息的交换与传输。

三、智慧设施农业中物联网技术的应用

在智慧农业发展中，物联网技术的应用可以实现农作物种植环境实时、动态、多尺度、多维度的信息采集，并以种植专家知识系统为基础对农作物种植中的灌溉、施肥、病虫害防治等环节实现自动控制。本研究提出一种基于物联网技术的智慧大棚系统，具体如下：

1.系统设计要求

智慧大棚系统要求对大棚中的大气环境、土壤环境、农作物生长状态及人员出入等情况做出全天候监控，并通过宽带网络互联实现大棚群的大范围监测与管理。其主要包括感知层、传输层、应用层三个层面，其中感知层的主要作用是实时获取前端感知信息，实时监测大棚内的环境信息；传输层主要将监测数据传输至数据处理中心；应用层则对接受到的信息进行处理、存储，并生成各种报告，根据设定阀值提出告警提示等。具体结构方面，整个智慧大棚系统的结构包括大棚环境感知子系统、实时监控子系统、宽带传输网络子系统、数据处理中心子系统等，其中大棚感知系统主要通过传感器实现棚内温湿度、一氧化碳、二氧化碳、光照强度等参数的监测，并对土壤的温湿度、p H值等进行监控。视频实时监控系统主要通过无线高清视频监控技术来实现，每个智慧大棚均是一个系统子单元，通过无线宽带网络将监测数据传输至数据处理中心，数据处理中心再对数据进行处理、显示、反馈控制等。

2.系统设计实现

1）无线传感网络子系统

本研究提出的智慧大棚系统中，环境感知模块的监测对象包括棚内的大气环境及土壤环境，主要通过一种自组织无线传感网络来实现，其基于Zig Bee协议，具有传输功耗低、传输速率低、成本低的优势，主要包括感知节点、协调器节点，感知节点上所感知到的数据经过多条传输途径汇至协调器节点，再向上层系统传输，最终实现大棚环境的实时监测。在大棚内随机设置多个各种类型的传感器，可以实现湿度、温度、光照度、气体浓度、土壤p H值的监测；此外，该系统中还增加了若干个与感知节点功能类似的智能水泵控制节点，不过其传感器模块由两路工业级继电器开关控制模块取代，在可感知棚内环境数据及土壤数据的变化后，通过水泵的启停实时调整土壤的温湿度。

2）无线宽带网络传输子系统

本研究中无线宽带网络技术应用Mesh网络，其包括Wifi技术、自组网技术，可迅速实现无线覆盖，实现高性能、高速度的无线自组织网络，具有较好的抗干扰性及穿透能力，且传输距离更具优势，可以满足较高的环境要求，可实现无线视频图像监控、IP视频会议、视频电话等多种功能。无线宽带网络传输子系统包括无线Mesh设备、蓄电池、太阳能供电系统三个部分，传感网采集到信息后汇集到协调器节点，协调器与Mesh网络节点通信，每个节点接收到数据及图像信息后将其直接传输至数据中心；而数据中心再通过Mesh网络向各控制节点发送控制及配置指令。值得一提的是Mesh网络无需大规模的建设基站，也无需精细的规划及位置选择，故网络覆盖灵活性强，适用于偏远地区的、大范围的农业大棚集群管理。

3）视频监控子系统

智慧大棚的视频监控模块包括无线智能摄像头、视频数据分析处理及终端信息系统等三个部分，其中无线智能摄像头可360度水平连续旋转、90度垂直旋转，具有防雷、防浪涌等室外防护能力，在不同的室外工作温度环境中支持分级管理，可更好的适应大棚内外的工作环境。在传统的视频监控系统中，一个管理人员需要监视多路视频，由于其工作负担大、需要管理的范围广，很容易出现疏漏，甚至会错过最佳的事故处理时机；并且传统的视频监控系统存在大量未经处理的视频原始数据，很多都是无用的片段，不仅占用了大量的存储空间，而且事后查询历史视频也较困难。而智能视频监控不仅大大提高了视频监控的时效性及可靠性，而且减少了人工监控管理的工作量，改善了工作效率及效果。

4）数据处理子系统

数据处理模块是整个智慧大棚系统的信息处理中心，其包括数据库服务器、视频应用服务器、信息交换设备等硬件部分，以及各种应用系统组成的软件部分。具体组成包括系统配置管理模块、感知数据存贮及处理模块、监控视频存储及处理模块、报表处理模块、信息远程服务模块等。系统可针对不同的用户设置对应的管理权限，通过系统配置及管理模块设置大棚感知信息处理指令，调整视频监控及无线宽带网络参数，保证系统正常的存储感知数据、接收数据，还可进行数据的实时存贮及随机检索调用；此外，数据处理系统还要根据数据分析结果向各子系统发送控制信息，包括水泵的启停、温湿度的调控、病虫害防治的告警信息等，针对各种感知信息生成处理图表、打印报表。数据处理系统具备移动终端访问功能，用户可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动智能设备随时、随地的获取大棚监测数据信息，大大提高了管理控制的灵活性。

3.系统应用效果

本研究提出的基于物联网技术的智慧农业大棚系统经过测试，可利用物联网中的无线传感网络、无线宽带网络、视频监控技术等实现对棚内大气环境、土壤环境的实时监测，便于种植管理人员及时掌握大棚的种植环境，大大提高了农业种植的科学化程度。并且该系统扩展性良好，根据种植环境监测需要可扩充感知节点及控制节点，并可丰富检测指标的种类，从而最大程度上实现设施农业大棚的智能化、集群化管理。

四、结语

总之，随着信息技术、网络技术的不断发展，在“互联网+农业”这一先进理念的指导下，智慧农业的发展进程也在不断加快，物联网技术更是实现农业大数据发展、促进农业生产向着集约化、科学化、标准化、信息化发展的重要途径。可以说物联网技术是农业生产领域的革命性技术，也是智慧农业发展的必经之路，其在Wifi技术、传感网技术的支持下，帮助农民解决了诸多生产中遇到的实际问题，有效提高了农业生产的效率及效益。当然，物联网技术仍然存在着一些尚未克服的技术难题与应用难题，但是相信随着时代的发展，这些问题必将迎刃而解，以促进我国智慧农业的快速发展，从而实现农业产业的可持续发展。

注：文/韩子鑫、齐瑞锋、杨文挺/吉林省农业机械研究院，原文标题《智慧农业发展中物联网技术在设施农业中的应用》。部分图片来源于网络，内容仅供学习参考，如有侵犯版权请告知，我们将第一时间友好处理。

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中农富通长三角农业规划