淺談張掖市農業物聯網技術應用與發展
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隨著時代發展，人口增長、人民生活需求日漸提高，城市化程序加快，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，將現代資訊科技、物聯網感測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啟智慧農業的關鍵環節。
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1 農業物聯網概念
物聯網是利用各種感測裝置，實時採集各種需要的資料資訊，並通過區域網、專網、網際網路傳輸到資料處理節點分析處理，得出自動化過程所需的決策條件，進而對裝置進行控制的網路。其目的是實現物與物、物與人、物與網路的聯絡，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，利用各種感測器，收集田間種植、設施園藝、畜禽養殖業、農產品物流等關鍵資訊要素，通過無線感測器網路、電信網路和網際網路實現農業資訊的多尺度傳輸，最終將獲得的大量農業資訊進行融合、處理和智慧化應用，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
一般認為農業物聯網可劃分為三個層次：資訊感知層、資訊傳輸層和資訊應用層[2]。
資訊感知層由感測器節點組成，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感測器技術，採集農作物生長環境資料，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、健康和行為等資訊。資訊傳輸層中，感測器通過有線或無線方式獲取各類資料，並以多種通訊協議向區域網、廣域網釋出。
資訊應用層對資料進行融合，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資訊感知、資訊傳輸和資訊處理等三部分關鍵技術[3]。
3.1 資訊感知技術
感測器技術是農業物聯網的核心，也是智慧農業的核心，農業感測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、空氣等農業因子資訊；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、溫溼度等環境指標資訊；水產養殖業的酸鹼度、氨氮比、溶解氧、電導率、渾濁度等資料。
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、讀卡器和中央資訊系統組成。電子標籤分為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訊號的覆蓋範圍時，無源標籤通過感應電流獲得的能量傳輸儲存在晶片中的產品資訊，有源標籤主動傳送一定的頻率訊號來傳輸其產品資訊。當讀卡器讀取和解碼資訊時，資訊被髮送到中央資訊系統進行資料處理。射頻識別（RFID）標籤技術已成為物聯網中目標識別的主要技術，可以通過與網際網路、通訊等技術相結合，實現全球跟蹤和資訊共享。
3.1.2 感測器技術 感測器可以實時採集作物生長環境資料和設施干預後的動態資料。農業物聯網應用中常用的感測器有聲、光、電感測器、溫度感測器、溼度感測器、壓敏（流體）感測器、二氧化碳感測器、 pH 感測器、微波感測器等。它們可以分別採集作物生長環境和微觀狀態的實時資料[4]。
3.1.3 微控制器控制技術 微控制器是農業物聯網自動化的關鍵技術，通過嵌入式程式設計控制感測器的工作狀態、資料採集頻率，並對原始資料做整理、篩選、彙總和傳輸。目前常用的微控制器晶片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 種，可以通過相應的程式設計語言，控制微控制器工作行為，實現對感測器的控制和對原始資料的處理。其中，51 微控制器主要用於感測器訊號採集控制；AVR 開發板主要用於狀態檢測和裝置控制，比如利用 Arduino 開發板和土壤溫度感測器實現自動灌溉；ARM 開發板主要用於資料彙總、儲存和簡單的分析處理，比如可以利用樹莓派 (Raspberry Pi)專案實現一個精簡的 linux 伺服器，收集、儲存、分析整個物聯網系統的執行資料，並定期上傳到中心資料庫做進一步的資料分析等。
3.2 資訊傳輸技術
物聯網中的資料採集和傳輸主要分為三種模式：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，並廣泛應用在網路工程方面 目前，現代計算機技術和工業技術中採用 RS- 232 和 RS- 485 介面進行資料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 無線感測技術 ZigBee 技術是基於IEEE802.15.4 標準的一種低速、短距、低功耗的區域網無線通訊技術，是目前農業物聯網建設中常用的無線感測技術。ZigBee 協議從下到上分為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網路層（NWK）、應用層（APL）等。ZigBee 網路是一種使用動態網狀路由的自組織通訊網路，被廣泛應用在無線感測器結點網路的組建中，如大田灌溉、農業資源監測、智慧溫室、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路和行動通訊中。目前，基於 WiFi 協議的物聯網感測裝置也比較成熟，但功耗相比 ZigBee 感測裝置較高，影響了 WiFi 技術在物聯網方面的應用推廣。隨著 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 裝置的功耗進一步降低，並且可以與 IP 網路應用無縫對接[5]。可以預見，基於 6LoWPAN 協議的 WiFi 技術將會以組網靈活、易維護、易拓展和裝置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 蜂窩移動通訊技術 移動通訊技術通過專用SIM卡儲存和傳送資料，實現物聯網資料收發和與遠端伺服器通訊的功能。目前，移動、電信、聯通等通訊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。隨著 5G 技術的出現，移動通訊資料傳輸速度會進一步提高，資料傳輸成本會逐步下降，SIM卡解決方案將會成為農業物聯網資料遠端傳輸比較好的選擇。
3.3 資訊處理技術
資訊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，大量的感測器不斷地定期收集新的資訊，實時融合和處理收集到的歷史資訊和新資訊是有效利用資訊的關鍵。物聯網資訊處理技術分為節點內資訊處理、匯聚資料融合處理、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)、雲端計算、大資料分析、專家系統 ES(expert system)、決策支援系統 DSS(decision support system)和智慧控制系統 ICT(intelligent control technology)等。
4 張掖市農業物聯網應用現狀及存在的問題
張掖市農業資訊化建設起步較晚，但在省市農業部門的支援下逐步建成比較完善的省、市、縣、村四級資訊服務體系，在農村資訊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慧溫室試驗示範點，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著一些突出的問題。
4.1 缺乏專門用於農業生產的感測器
目前，各類感測器產品層出不窮，感測器價格已經大幅降低，但適用於農業生產的感測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，對感測器工作電壓、壽命都有很大影響。
4.2 缺乏農業資料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，農業資料分析處理水平還較低。
4.3 基層缺乏裝置維護人員
基層缺乏資訊化人才隊伍，市縣級物聯網專案實施過程中，往往是採用專案外包的方式進行建設，農業技術人員參與度不夠，而物聯網裝置的使用技術門檻又較高，感測器維護、資料採集處理、手機 App 使用相對複雜，專案實施完成後，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
農業資訊化建設專案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資訊科技的認識，資訊化專案設計貪大、求全，不切合實際，專案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
一是做好現有的資訊平臺建設工作，以 html5 標準對 web 前端進行改造，方便手機 App 對網站資訊採集；二是加強農業資訊化應用開發方面的工作，圍繞現有資訊化平臺，開展智慧手機農業 App 的推廣應用工作，加強手機 App 對智慧溫室管控能力的開發；三是市縣農業部門加強專案概算在 3 萬～5 萬元的物聯網專案支援，鼓勵基層農業技術人員參與物聯網專案的應用與推廣；四是培養基層農業資訊化建設隊伍的過程中，加強數位電路、類比電路、微控制器應用方面的培訓教育；五是農民培訓工作中加強智慧溫室裝置更新維護方面的知識培訓。
6 結語
隨著農業現代化不斷髮展，農業資訊化建設重點將逐步由農村資訊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，是資訊科技直接作用於農業生產的技術支撐和手段，是現代農業和資訊化發展的必然趨勢。持續做好農業物聯網基礎實驗研究，對實現農業自動化、農業大資料、網際網路+農業，有重要意義。
本文連結：https://www.bhhhg.com/zh-tw/huayu/huayushenghuo/87013.html
1 農業物聯網概念
物聯網是利用各種感測裝置，實時採集各種需要的資料資訊，並通過區域網、專網、網際網路傳輸到資料處理節點分析處理，得出自動化過程所需的決策條件，進而對裝置進行控制的網路。其目的是實現物與物、物與人、物與網路的聯絡，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，利用各種感測器，收集田間種植、設施園藝、畜禽養殖業、農產品物流等關鍵資訊要素，通過無線感測器網路、電信網路和網際網路實現農業資訊的多尺度傳輸，最終將獲得的大量農業資訊進行融合、處理和智慧化應用，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
一般認為農業物聯網可劃分為三個層次：資訊感知層、資訊傳輸層和資訊應用層[2]。
資訊感知層由感測器節點組成，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感測器技術，採集農作物生長環境資料，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、健康和行為等資訊。資訊傳輸層中，感測器通過有線或無線方式獲取各類資料，並以多種通訊協議向區域網、廣域網釋出。
資訊應用層對資料進行融合，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資訊感知、資訊傳輸和資訊處理等三部分關鍵技術[3]。
3.1 資訊感知技術
感測器技術是農業物聯網的核心，也是智慧農業的核心，農業感測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、空氣等農業因子資訊；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、溫溼度等環境指標資訊；水產養殖業的酸鹼度、氨氮比、溶解氧、電導率、渾濁度等資料。
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、讀卡器和中央資訊系統組成。電子標籤分為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訊號的覆蓋範圍時，無源標籤通過感應電流獲得的能量傳輸儲存在晶片中的產品資訊，有源標籤主動傳送一定的頻率訊號來傳輸其產品資訊。當讀卡器讀取和解碼資訊時，資訊被髮送到中央資訊系統進行資料處理。射頻識別（RFID）標籤技術已成為物聯網中目標識別的主要技術，可以通過與網際網路、通訊等技術相結合，實現全球跟蹤和資訊共享。
3.1.2 感測器技術 感測器可以實時採集作物生長環境資料和設施干預後的動態資料。農業物聯網應用中常用的感測器有聲、光、電感測器、溫度感測器、溼度感測器、壓敏（流體）感測器、二氧化碳感測器、 pH 感測器、微波感測器等。它們可以分別採集作物生長環境和微觀狀態的實時資料[4]。
3.1.3 微控制器控制技術 微控制器是農業物聯網自動化的關鍵技術，通過嵌入式程式設計控制感測器的工作狀態、資料採集頻率，並對原始資料做整理、篩選、彙總和傳輸。目前常用的微控制器晶片主要有 C51 型、 AVR 型和 ARM型 3 種，可以通過相應的程式設計語言，控制微控制器工作行為，實現對感測器的控制和對原始資料的處理。其中，51 微控制器主要用於感測器訊號採集控制；AVR 開發板主要用於狀態檢測和裝置控制，比如利用 Arduino 開發板和土壤溫度感測器實現自動灌溉；ARM 開發板主要用於資料彙總、儲存和簡單的分析處理，比如可以利用樹莓派 (Raspberry Pi)專案實現一個精簡的 linux 伺服器，收集、儲存、分析整個物聯網系統的執行資料，並定期上傳到中心資料庫做進一步的資料分析等。
3.2 資訊傳輸技術
物聯網中的資料採集和傳輸主要分為三種模式：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，並廣泛應用在網路工程方面 目前，現代計算機技術和工業技術中採用 RS- 232 和 RS- 485 介面進行資料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 無線感測技術 ZigBee 技術是基於IEEE802.15.4 標準的一種低速、短距、低功耗的區域網無線通訊技術，是目前農業物聯網建設中常用的無線感測技術。ZigBee 協議從下到上分為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網路層（NWK）、應用層（APL）等。ZigBee 網路是一種使用動態網狀路由的自組織通訊網路，被廣泛應用在無線感測器結點網路的組建中，如大田灌溉、農業資源監測、智慧溫室、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路和行動通訊中。目前，基於 WiFi 協議的物聯網感測裝置也比較成熟，但功耗相比 ZigBee 感測裝置較高，影響了 WiFi 技術在物聯網方面的應用推廣。隨著 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 裝置的功耗進一步降低，並且可以與 IP 網路應用無縫對接[5]。可以預見，基於 6LoWPAN 協議的 WiFi 技術將會以組網靈活、易維護、易拓展和裝置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 蜂窩移動通訊技術 移動通訊技術通過專用SIM卡儲存和傳送資料，實現物聯網資料收發和與遠端伺服器通訊的功能。目前，移動、電信、聯通等通訊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。隨著 5G 技術的出現，移動通訊資料傳輸速度會進一步提高，資料傳輸成本會逐步下降，SIM卡解決方案將會成為農業物聯網資料遠端傳輸比較好的選擇。
3.3 資訊處理技術
資訊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，大量的感測器不斷地定期收集新的資訊，實時融合和處理收集到的歷史資訊和新資訊是有效利用資訊的關鍵。物聯網資訊處理技術分為節點內資訊處理、匯聚資料融合處理、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)、雲端計算、大資料分析、專家系統 ES(expert system)、決策支援系統 DSS(decision support system)和智慧控制系統 ICT(intelligent control technology)等。
4 張掖市農業物聯網應用現狀及存在的問題
張掖市農業資訊化建設起步較晚，但在省市農業部門的支援下逐步建成比較完善的省、市、縣、村四級資訊服務體系，在農村資訊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慧溫室試驗示範點，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著一些突出的問題。
4.1 缺乏專門用於農業生產的感測器
目前，各類感測器產品層出不窮，感測器價格已經大幅降低，但適用於農業生產的感測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，對感測器工作電壓、壽命都有很大影響。
4.2 缺乏農業資料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，農業資料分析處理水平還較低。
4.3 基層缺乏裝置維護人員
基層缺乏資訊化人才隊伍，市縣級物聯網專案實施過程中，往往是採用專案外包的方式進行建設，農業技術人員參與度不夠，而物聯網裝置的使用技術門檻又較高，感測器維護、資料採集處理、手機 App 使用相對複雜，專案實施完成後，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
農業資訊化建設專案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資訊科技的認識，資訊化專案設計貪大、求全，不切合實際，專案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
一是做好現有的資訊平臺建設工作，以 html5 標準對 web 前端進行改造，方便手機 App 對網站資訊採集；二是加強農業資訊化應用開發方面的工作，圍繞現有資訊化平臺，開展智慧手機農業 App 的推廣應用工作，加強手機 App 對智慧溫室管控能力的開發；三是市縣農業部門加強專案概算在 3 萬～5 萬元的物聯網專案支援，鼓勵基層農業技術人員參與物聯網專案的應用與推廣；四是培養基層農業資訊化建設隊伍的過程中，加強數位電路、類比電路、微控制器應用方面的培訓教育；五是農民培訓工作中加強智慧溫室裝置更新維護方面的知識培訓。
6 結語
隨著農業現代化不斷髮展，農業資訊化建設重點將逐步由農村資訊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，是資訊科技直接作用於農業生產的技術支撐和手段，是現代農業和資訊化發展的必然趨勢。持續做好農業物聯網基礎實驗研究，對實現農業自動化、農業大資料、網際網路+農業，有重要意義。
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