淺談張掖市農業物聯網技術應用與發展
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隨着時代發展，人口增長、人民生活需求日漸提高，城市化進程加快，耕地資源日益減少，傳統農業發展模式逐漸跟不上社會發展的需要，迫使傳統的粗放農業向現代農業、精細農業轉變，不斷提高單位面積的產出和質量。這就需要有新的技術元素融入到現代農業發展中，將現代信息技術、物聯網傳感技術與農業生產相結合，構建新型智慧農業，是現代農業發展的必然途徑，而農業物聯網就是開啓智慧農業的關鍵環節。
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1 農業物聯網概念
物聯網是利用各種傳感設備，實時採集各種需要的數據信息，並通過局域網、專網、互聯網傳輸到數據處理節點分析處理，得出自動化過程所需的決策條件，進而對設備進行控制的網絡。其目的是實現物與物、物與人、物與網絡的聯繫，便於識別、管理和控制。
農業物聯網是將最新的物聯網技術應用到現代農業生產、儲運、銷售、管理方面，利用各種傳感器，收集田間種植、設施園藝、畜禽養殖業、農產品物流等關鍵信息要素，通過無線傳感器網絡、電信網絡和互聯網實現農業信息的多尺度傳輸，最終將獲得的大量農業信息進行融合、處理和智能化應用，在操作終端上實現農業生產前、中、後的過程監控、科學管理和即時服務，最終實現農業生產集約、高產、優質、高效、生態、安全的目標。
2 農業物聯網的體系架構
一般認爲農業物聯網可劃分爲三個層次：信息感知層、信息傳輸層和信息應用層[2]。
信息感知層由傳感器節點組成，通過熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、溼敏元件、壓敏元件和色敏元件等傳感器技術，採集農作物生長環境數據，如土壤水分、生長環境溫度、CO2 濃度、作物葉面光譜以及動物個體產能、健康和行爲等信息。信息傳輸層中，傳感器通過有線或無線方式獲取各類數據，並以多種通信協議向局域網、廣域網發佈。
信息應用層對數據進行融合，處理後製定科學的管理決策，對農業生產過程進行控制。
3 農業物聯網的關鍵技術
農業物聯網技術大致可分信息感知、信息傳輸和信息處理等三部分關鍵技術[3]。
3.1 信息感知技術
傳感器技術是農業物聯網的核心，也是智慧農業的核心，農業傳感器主要通過射頻技術、GPS 技術、遙感技術和特殊材料可變物理特性，採集種植業的溫度、光、水、肥料、空氣等農業因子信息；畜禽養殖業的二氧化碳、氨、二氧化硫等有害氣體濃度和空氣中粉塵、水滴、氣溶膠濃度、溫溼度等環境指標信息；水產養殖業的酸鹼度、氨氮比、溶解氧、電導率、渾濁度等數據。
3.1.1 射頻識別（RFID）技術 射頻技術是一種非接觸式的自動識別技術。射頻識別系統由電子標籤、讀卡器和中央信息系統組成。電子標籤分爲電池供電的有源標籤和電池供電的無源標籤。射頻識別系統的工作原理：當標籤進入讀卡器發出射頻信號的覆蓋範圍時，無源標籤通過感應電流獲得的能量傳輸存儲在芯片中的產品信息，有源標籤主動發送一定的頻率信號來傳輸其產品信息。當讀卡器讀取和解碼信息時，信息被髮送到中央信息系統進行數據處理。射頻識別（RFID）標籤技術已成爲物聯網中目標識別的主要技術，可以通過與互聯網、通信等技術相結合，實現全球跟蹤和信息共享。
3.1.2 傳感器技術 傳感器可以實時採集作物生長環境數據和設施干預後的動態數據。農業物聯網應用中常用的傳感器有聲、光、電傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器、壓敏（流體）傳感器、二氧化碳傳感器、 pH 傳感器、微波傳感器等。它們可以分別採集作物生長環境和微觀狀態的實時數據[4]。
3.1.3 單片機控制技術 單片機是農業物聯網自動化的關鍵技術，通過嵌入式編程控制傳感器的工作狀態、數據採集頻率，並對原始數據做整理、篩選、彙總和傳輸。目前常用的單片機芯片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 種，可以通過相應的程序設計語言，控制單片機工作行爲，實現對傳感器的控制和對原始數據的處理。其中，51 單片機主要用於傳感器信號採集控制；AVR 開發板主要用於狀態檢測和設備控制，比如利用 Arduino 開發板和土壤溫度傳感器實現自動灌溉；ARM 開發板主要用於數據彙總、存儲和簡單的分析處理，比如可以利用樹莓派 (Raspberry Pi)項目實現一個精簡的 linux 伺服器，收集、存儲、分析整個物聯網系統的運行數據，並定期上傳到中心數據庫做進一步的數據分析等。
3.2 信息傳輸技術
物聯網中的數據採集和傳輸主要分爲三種模式：線路傳輸、無線短距離傳輸和無線長距離傳輸。
3.2.1 線路傳輸技術已經非常成熟，並廣泛應用在網絡工程方面 目前，現代計算機技術和工業技術中採用 RS- 232 和 RS- 485 接口進行數據傳輸的有線傳輸方式可以直接應用到農業物聯網建設中，一般採用雙絞線、同軸電纜或網線，光纖傳輸也可以使用，但成本太高。
3.2.2ZigBee 無線傳感技術 ZigBee 技術是基於IEEE802.15.4 標準的一種低速、短距、低功耗的局域網無線通信技術，是目前農業物聯網建設中常用的無線傳感技術。ZigBee 協議從下到上分爲物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。ZigBee 網絡是一種使用動態網狀路由的自組織通信網絡，被廣泛應用在無線傳感器結點網絡的組建中，如大田灌溉、農業資源監測、智能溫室、水產養殖和農產品質量追溯等。
3.2.3 WiFi 無線傳輸技術 WiFi 技術具有傳輸速率高、傳輸距離長、覆蓋範圍廣的特點，被廣泛應用於計算機網絡和移動通信中。目前，基於 WiFi 協議的物聯網傳感設備也比較成熟，但功耗相比 ZigBee 傳感設備較高，影響了 WiFi 技術在物聯網方面的應用推廣。隨着 IPv4 資源耗竭和 IPv6 的應用與推廣，針對物聯網設計的 6LoWPAN 自組網通訊協議，使新一代 WiFi 設備的功耗進一步降低，並且可以與 IP 網絡應用無縫對接[5]。可以預見，基於 6LoWPAN 協議的 WiFi 技術將會以組網靈活、易維護、易拓展和設備功耗低等優勢在農業物聯網中得到更廣泛應用和發展。
3.2.4 蜂窩移動通信技術 移動通信技術通過專用SIM卡存儲和發送數據，實現物聯網數據收發和與遠程服務器通信的功能。目前，移動、電信、聯通等通信運營商均推出了專用 4G 流量卡，4G 數字通訊技術在農業物聯網領域已經廣泛應用。隨着 5G 技術的出現，移動通訊數據傳輸速度會進一步提高，數據傳輸成本會逐步下降，SIM卡解決方案將會成爲農業物聯網數據遠程傳輸比較好的選擇。
3.3 信息處理技術
信息處理技術是實現智慧農業的必要手段，也是智慧農業自動控制的基礎[4]。在物聯網中，大量的傳感器不斷地定期收集新的信息，實時融合和處理收集到的歷史信息和新信息是有效利用信息的關鍵。物聯網信息處理技術分爲節點內信息處理、匯聚數據融合處理、語義分析挖掘、物聯網應用服務四個層次，主要涉及 GIS(geographic information system)、雲計算、大數據分析、專家系統 ES(expert system)、決策支持系統 DSS(decision support system)和智能控制系統 ICT(intelligent control technology)等。
4 張掖市農業物聯網應用現狀及存在的問題
張掖市農業信息化建設起步較晚，但在省市農業部門的支持下逐步建成比較完善的省、市、縣、村四級信息服務體系，在農村信息服務工作方面取得良好的效果。近年來，在國家政策的帶動下，甘肅省農業農村廳及省、市農業高校在張掖市開展了一系列農業物聯網試驗示範，市縣農業部門也建立了一些智能溫室試驗示範點，引進了一些先進的技術和經驗，可以初步實現日光溫室內各項指標的採集、傳送、處理，但在農戶實際應用中還存在着一些突出的問題。
4.1 缺乏專門用於農業生產的傳感器
目前，各類傳感器產品層出不窮，傳感器價格已經大幅降低，但適用於農業生產的傳感器在穩定性方面還有待加強，農業生產環境的高溫、高溼特點，對傳感器工作電壓、壽命都有很大影響。
4.2 缺乏農業數據分析處理方面的成熟應用系統
農業綜合管理系統大多還處於試驗研究階段，大部分功能還不實用，並且開發成本較高，真正能夠應用推廣的產品還很少，農業數據分析處理水平還較低。
4.3 基層缺乏設備維護人員
基層缺乏信息化人才隊伍，市縣級物聯網項目實施過程中，往往是採用項目外包的方式進行建設，農業技術人員參與度不夠，而物聯網設備的使用技術門檻又較高，傳感器維護、數據採集處理、手機 App 使用相對複雜，項目實施完成後，無法進行再一次的安裝部署，不利於推廣應用。
4.4 農業物聯網方面的投入不足
農業信息化建設項目主要是省級以上農業部門下達，且數量較少，市縣一級由於缺乏對信息技術的認識，信息化項目設計貪大、求全，不切合實際，項目概算往往過高難以承受，最終無法實施。
5 對基層農業物聯網建設的建議
一是做好現有的信息平臺建設工作，以 html5 標準對 web 前端進行改造，方便手機 App 對網站信息採集；二是加強農業信息化應用開發方面的工作，圍繞現有信息化平臺，開展智能手機農業 App 的推廣應用工作，加強手機 App 對智能溫室管控能力的開發；三是市縣農業部門加強項目概算在 3 萬～5 萬元的物聯網項目支持，鼓勵基層農業技術人員參與物聯網項目的應用與推廣；四是培養基層農業信息化建設隊伍的過程中，加強數字電路、模擬電路、單片機應用方面的培訓教育；五是農民培訓工作中加強智能溫室設備更新維護方面的知識培訓。
6 結語
隨着農業現代化不斷髮展，農業信息化建設重點將逐步由農村信息服務轉向農業生產服務。農業物聯網是未來智慧農業的基礎，是信息技術直接作用於農業生產的技術支撐和手段，是現代農業和信息化發展的必然趨勢。持續做好農業物聯網基礎實驗研究，對實現農業自動化、農業大數據、互聯網+農業，有重要意義。
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1 農業物聯網概念
物聯網是利用各種傳感設備，實時採集各種需要的數據信息，並通過局域網、專網、互聯網傳輸到數據處理節點分析處理，得出自動化過程所需的決策條件，進而對設備進行控制的網絡。其目的是實現物與物、物與人、物與網絡的聯繫，便於識別、管理和控制。
農業物聯網是將最新的物聯網技術應用到現代農業生產、儲運、銷售、管理方面，利用各種傳感器，收集田間種植、設施園藝、畜禽養殖業、農產品物流等關鍵信息要素，通過無線傳感器網絡、電信網絡和互聯網實現農業信息的多尺度傳輸，最終將獲得的大量農業信息進行融合、處理和智能化應用，在操作終端上實現農業生產前、中、後的過程監控、科學管理和即時服務，最終實現農業生產集約、高產、優質、高效、生態、安全的目標。
2 農業物聯網的體系架構
一般認爲農業物聯網可劃分爲三個層次：信息感知層、信息傳輸層和信息應用層[2]。
信息感知層由傳感器節點組成，通過熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、溼敏元件、壓敏元件和色敏元件等傳感器技術，採集農作物生長環境數據，如土壤水分、生長環境溫度、CO2 濃度、作物葉面光譜以及動物個體產能、健康和行爲等信息。信息傳輸層中，傳感器通過有線或無線方式獲取各類數據，並以多種通信協議向局域網、廣域網發佈。
信息應用層對數據進行融合，處理後製定科學的管理決策，對農業生產過程進行控制。
3 農業物聯網的關鍵技術
農業物聯網技術大致可分信息感知、信息傳輸和信息處理等三部分關鍵技術[3]。
3.1 信息感知技術
傳感器技術是農業物聯網的核心，也是智慧農業的核心，農業傳感器主要通過射頻技術、GPS 技術、遙感技術和特殊材料可變物理特性，採集種植業的溫度、光、水、肥料、空氣等農業因子信息；畜禽養殖業的二氧化碳、氨、二氧化硫等有害氣體濃度和空氣中粉塵、水滴、氣溶膠濃度、溫溼度等環境指標信息；水產養殖業的酸鹼度、氨氮比、溶解氧、電導率、渾濁度等數據。
3.1.1 射頻識別（RFID）技術 射頻技術是一種非接觸式的自動識別技術。射頻識別系統由電子標籤、讀卡器和中央信息系統組成。電子標籤分爲電池供電的有源標籤和電池供電的無源標籤。射頻識別系統的工作原理：當標籤進入讀卡器發出射頻信號的覆蓋範圍時，無源標籤通過感應電流獲得的能量傳輸存儲在芯片中的產品信息，有源標籤主動發送一定的頻率信號來傳輸其產品信息。當讀卡器讀取和解碼信息時，信息被髮送到中央信息系統進行數據處理。射頻識別（RFID）標籤技術已成爲物聯網中目標識別的主要技術，可以通過與互聯網、通信等技術相結合，實現全球跟蹤和信息共享。
3.1.2 傳感器技術 傳感器可以實時採集作物生長環境數據和設施干預後的動態數據。農業物聯網應用中常用的傳感器有聲、光、電傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器、壓敏（流體）傳感器、二氧化碳傳感器、 pH 傳感器、微波傳感器等。它們可以分別採集作物生長環境和微觀狀態的實時數據[4]。
3.1.3 單片機控制技術 單片機是農業物聯網自動化的關鍵技術，通過嵌入式編程控制傳感器的工作狀態、數據採集頻率，並對原始數據做整理、篩選、彙總和傳輸。目前常用的單片機芯片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 種，可以通過相應的程序設計語言，控制單片機工作行爲，實現對傳感器的控制和對原始數據的處理。其中，51 單片機主要用於傳感器信號採集控制；AVR 開發板主要用於狀態檢測和設備控制，比如利用 Arduino 開發板和土壤溫度傳感器實現自動灌溉；ARM 開發板主要用於數據彙總、存儲和簡單的分析處理，比如可以利用樹莓派 (Raspberry Pi)項目實現一個精簡的 linux 伺服器，收集、存儲、分析整個物聯網系統的運行數據，並定期上傳到中心數據庫做進一步的數據分析等。
3.2 信息傳輸技術
物聯網中的數據採集和傳輸主要分爲三種模式：線路傳輸、無線短距離傳輸和無線長距離傳輸。
3.2.1 線路傳輸技術已經非常成熟，並廣泛應用在網絡工程方面 目前，現代計算機技術和工業技術中採用 RS- 232 和 RS- 485 接口進行數據傳輸的有線傳輸方式可以直接應用到農業物聯網建設中，一般採用雙絞線、同軸電纜或網線，光纖傳輸也可以使用，但成本太高。
3.2.2ZigBee 無線傳感技術 ZigBee 技術是基於IEEE802.15.4 標準的一種低速、短距、低功耗的局域網無線通信技術，是目前農業物聯網建設中常用的無線傳感技術。ZigBee 協議從下到上分爲物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。ZigBee 網絡是一種使用動態網狀路由的自組織通信網絡，被廣泛應用在無線傳感器結點網絡的組建中，如大田灌溉、農業資源監測、智能溫室、水產養殖和農產品質量追溯等。
3.2.3 WiFi 無線傳輸技術 WiFi 技術具有傳輸速率高、傳輸距離長、覆蓋範圍廣的特點，被廣泛應用於計算機網絡和移動通信中。目前，基於 WiFi 協議的物聯網傳感設備也比較成熟，但功耗相比 ZigBee 傳感設備較高，影響了 WiFi 技術在物聯網方面的應用推廣。隨着 IPv4 資源耗竭和 IPv6 的應用與推廣，針對物聯網設計的 6LoWPAN 自組網通訊協議，使新一代 WiFi 設備的功耗進一步降低，並且可以與 IP 網絡應用無縫對接[5]。可以預見，基於 6LoWPAN 協議的 WiFi 技術將會以組網靈活、易維護、易拓展和設備功耗低等優勢在農業物聯網中得到更廣泛應用和發展。
3.2.4 蜂窩移動通信技術 移動通信技術通過專用SIM卡存儲和發送數據，實現物聯網數據收發和與遠程服務器通信的功能。目前，移動、電信、聯通等通信運營商均推出了專用 4G 流量卡，4G 數字通訊技術在農業物聯網領域已經廣泛應用。隨着 5G 技術的出現，移動通訊數據傳輸速度會進一步提高，數據傳輸成本會逐步下降，SIM卡解決方案將會成爲農業物聯網數據遠程傳輸比較好的選擇。
3.3 信息處理技術
信息處理技術是實現智慧農業的必要手段，也是智慧農業自動控制的基礎[4]。在物聯網中，大量的傳感器不斷地定期收集新的信息，實時融合和處理收集到的歷史信息和新信息是有效利用信息的關鍵。物聯網信息處理技術分爲節點內信息處理、匯聚數據融合處理、語義分析挖掘、物聯網應用服務四個層次，主要涉及 GIS(geographic information system)、雲計算、大數據分析、專家系統 ES(expert system)、決策支持系統 DSS(decision support system)和智能控制系統 ICT(intelligent control technology)等。
4 張掖市農業物聯網應用現狀及存在的問題
張掖市農業信息化建設起步較晚，但在省市農業部門的支持下逐步建成比較完善的省、市、縣、村四級信息服務體系，在農村信息服務工作方面取得良好的效果。近年來，在國家政策的帶動下，甘肅省農業農村廳及省、市農業高校在張掖市開展了一系列農業物聯網試驗示範，市縣農業部門也建立了一些智能溫室試驗示範點，引進了一些先進的技術和經驗，可以初步實現日光溫室內各項指標的採集、傳送、處理，但在農戶實際應用中還存在着一些突出的問題。
4.1 缺乏專門用於農業生產的傳感器
目前，各類傳感器產品層出不窮，傳感器價格已經大幅降低，但適用於農業生產的傳感器在穩定性方面還有待加強，農業生產環境的高溫、高溼特點，對傳感器工作電壓、壽命都有很大影響。
4.2 缺乏農業數據分析處理方面的成熟應用系統
農業綜合管理系統大多還處於試驗研究階段，大部分功能還不實用，並且開發成本較高，真正能夠應用推廣的產品還很少，農業數據分析處理水平還較低。
4.3 基層缺乏設備維護人員
基層缺乏信息化人才隊伍，市縣級物聯網項目實施過程中，往往是採用項目外包的方式進行建設，農業技術人員參與度不夠，而物聯網設備的使用技術門檻又較高，傳感器維護、數據採集處理、手機 App 使用相對複雜，項目實施完成後，無法進行再一次的安裝部署，不利於推廣應用。
4.4 農業物聯網方面的投入不足
農業信息化建設項目主要是省級以上農業部門下達，且數量較少，市縣一級由於缺乏對信息技術的認識，信息化項目設計貪大、求全，不切合實際，項目概算往往過高難以承受，最終無法實施。
5 對基層農業物聯網建設的建議
一是做好現有的信息平臺建設工作，以 html5 標準對 web 前端進行改造，方便手機 App 對網站信息採集；二是加強農業信息化應用開發方面的工作，圍繞現有信息化平臺，開展智能手機農業 App 的推廣應用工作，加強手機 App 對智能溫室管控能力的開發；三是市縣農業部門加強項目概算在 3 萬～5 萬元的物聯網項目支持，鼓勵基層農業技術人員參與物聯網項目的應用與推廣；四是培養基層農業信息化建設隊伍的過程中，加強數字電路、模擬電路、單片機應用方面的培訓教育；五是農民培訓工作中加強智能溫室設備更新維護方面的知識培訓。
6 結語
隨着農業現代化不斷髮展，農業信息化建設重點將逐步由農村信息服務轉向農業生產服務。農業物聯網是未來智慧農業的基礎，是信息技術直接作用於農業生產的技術支撐和手段，是現代農業和信息化發展的必然趨勢。持續做好農業物聯網基礎實驗研究，對實現農業自動化、農業大數據、互聯網+農業，有重要意義。
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