基于网络技术的智慧农业平台的研究

郑玉娟 张亚东

[摘 要]物联网作为以互联网为基础的信息载体，通过各种传感器采集声、光、热、力、电等物理信息，利用各类网络技术将物与物、物与人连接在一起，实现人、机、物的互联互通。随着物联网的大规模普及，其在农业方面的应用越来越广泛，网络工程在智慧农业等信息技術平台的建设中也越来越重要。智慧农业平台利用物联网技术对农业生产过程的环境、生产资料、人力等进行全面监管、巡检，做到全程数字化可追溯，并从历史的监测数据中分析建立智能经验库，实现农业信息平台的数字化、智能化。

[关键词]物联网;网络工程;智慧农业

[中图分类号]TP311.52 [文献标识码]A

1 智慧农业概述

近年来，5G、大数据、物联网等已逐渐走进人们的生活，各个领域都有其应用的场景，农业作为传统行业也在经历着数字化、智能化的转型与升级，其中智慧农业平台的解决方案是目前研究的一个重点方向。

目前对于智慧农业没有明确公开的定义，对于它相对完整的阐述来自于中国农业科学研究院信息研究所周国民在《浅议智慧农业》中的描述，他指出智慧农业是通过计算机、物联网等信息技术的综合应用，使得农业生产向精准农业和智慧农业方向发展为产业升级、降本增效的可持续绿色农业。智慧农业不是针对农业管理者的工作需求，单纯引入一些简单的信息化辅助手段，而是需要结合实际建立一整套的规范和标准，是物联网等技术在农业生产管理中的深入运用，是农业数字化、智能化的高级阶段，智慧农业有助于提高农业在生产管理方面的效率，提升竞争力，促进农业的可持续发展。研究学者和专家的主要研究方向是通过智能化、标准化的信息技术手段对农业实现集约化的管理，为农业生产者、农产品消费者提供安全、可靠、高效的管理和产品，使传统农业生产管理逐步向智慧化的阶段转型和升级。

智慧农业是物联网等技术在农业领域的深层次应用，主要有监测巡检系统、安全追溯系统以及智能决策系统。监测巡检系统每个监测站点配置无线传感节点，每个无线传感节点可监测土壤水分、土壤成分含量、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度等环境信息。监测巡检系统对种植作物进行日常采集，并根据种植作物现阶段的营养需求发出预警信息，对于日常采集和预警等信息都可通过无线传感汇聚节点快速传递给智能决策系统，决策系统根据设置的阈值可自动控制灌溉、升降温、液体肥料施肥、喷药等动作，并将数据实时传递给一线农业生产者。安全追溯系统在农作物生产、加工、流通和消费等多个环节实现一物一码，扫码可追溯种植管理、生产、加工、流通、仓储到销售的全过程信息。对于安全防篡改有较高的要求，在生产中的要求就是准确有效以及防止伪造信息，对于每个无线传感节点的监测信息都采用加密编码的方式。智能决策系统根据农作物的种植地环境，因地制宜，动态调整参数，动态调整网络节点组网实现弹性自组网，控制区域设备，提高产量，另一方面线上线下的市场经济数据可用作下个生产周期的数据参考，避免大规模的同质化生产引起产量过剩。

2 网络技术架构

网络工程作为智慧农业基础设施在整个平台中起着关键作用，它的质量直接影响着各类传感器信息传输的准确性和高效性，追溯系统的安全性和可靠性，决策指令传达的及时有效性。网络层作为智慧农业的基础设施也需要分层实现，基于物联网的网络层级将智慧农业系统划分为感知层、传输层和应用层三个层级。感知层的基础元件是各类传感器，网络为各类传感器互联提供无线传感网络;传输层主要是连接传感器和互联网，并借由成熟的互联网传输层设备传输数据包，中间涉及多种网络转换设备;应用层将各个农业场景的数据进行分类处理和分析，为各个应用场景提供服务。

2.1 智慧农业前端感知层

前端感知层是智慧农业平台数据来源的关键环节，其目的是将现实农业中大面积生产种植的各种物理参数通过各种途径，自动转换为网络平台中可实时处理的信息化数据。感知层利用各种传感器、手机/PAD、条码/RFID、拍照、摄像头、GPS、终端、传感网络等技术对农业生产中的各类信息数据进行标记与采集，进而转化为可处理的数字化信息。首先通过各类传感器如光照、氨气含量、二氧化碳含量、空气湿温度、土壤湿温度、根茎直径、体温等传感器进行数据的智能采集，然后通过太阳能供电或市区用电连通网关、互联网、企业网等传输至智慧农业平台的管理系统。

2.2 智慧农业中端传输层

中端传输层是将来自前端农业信息感知层的数据，通过各种网络技术进行数据传输及汇总，将农业生产种植各个环节大量的数据信息整合到一起进行数据分析与处理。智慧农业的传输层好比农业物联网的中枢神经，是智慧农业平台进行数据传递与处理的通信枢纽，该层主要涉及的技术分为有线网络和无线网络。

2.3 智慧农业后端应用层

智慧农业应用层主要是将通过网络协议传输的信息数据进行归类与应用，借助应用层的域名系统、文件传输协议、远程终端协议、以太网、电子邮件、动态主机配置协议、简单网络管理协议等上层应用网络对农业物联网的市场需求实现分类管理（监控中心、报表中心、交流中心、流程中心、溯源中心、任务管理中心），实现智慧农业平台的绿色智能化发展。

3 子系统的网络实现

智慧农业平台的子系统模块主要包括监测巡检系统、安全追溯系统、智能决策系统。监测巡检系统采用主流的WI-FI和ZigBee技术，ZigBee自适应性强，稳定性好，功耗低，网络容量大，具有经济可靠和容易部署的特点，非常适用于环境多变的农业生产环境;Wi-Fi技术主要是用于数据信息共享的局域网中，其组成简单，设备通用，易于扩展和共享。追溯防伪系统的安全网络需要加密通信，可采用虚拟专用网中常用的IPSec技术实现，加密的数据包和未加密的数据包从各个IP网络看几乎是透明的，在数据包通过公网传输时，不用担心被监视、篡改和伪造。智能决策系统在生产过程中需要及时传递信息，使用ZigBee可以满足要求，其从睡眠状态转换为工作准备状态只需15毫秒，节点连接入网只需30毫秒。

3.1 监测巡检系统

监测巡检系统主要利用感知层获取数据，通过以下几种方式来实现：（1）参考移动互联网技术的手机或者PAD进行数据采集具有携带方便、操作简单，是无需大量投资的一种大众普及方式。（2）参考物联网RFID技术的条码/RFID扫描来录入数据是一种从生产场地、原料库、运输车、加工厂到成品库的自动扫描、批量扫描、隔空扫描。（3）参考遥感解析土壤、水成分，利用拍照录入文件资料，利用摄像头采集视频数据、利用GPS采集经纬度信息实时跟踪检测，进行病害实拍，完成检测报告，监测育苗、温室、大田、加工以及流通运输等各个环节的数据。以上各个环节可采用主流的ZigBee和Wi-Fi技术来接入网络。

3.2 安全追溯系统

通过将农产品各个环节（播种、育苗、成熟、加工、销售等）的数据及时传至云端便可利用手机或电脑等终端设备登录指定的网址查看相关信息。这种安全追溯系统充分利用物联网的三个层级实现基础实时数据及数据库系统的构建，利用OneNet将现场的设备数据实时上传，将应用层的数据实时下载，建立物联网的基础云平台和专属网络，最终通过应用平台和客户端来追溯农业生产及后期加工销售的各个环节，从而保证绿色农业的智慧生产、智慧管理、智慧服务。

3.3 智能决策系统

智能决策系统需要通过应用层的数据分析来实时反映并调整农作物的生产环境，及时有效地改善种植地的相关物理参数，这个过程需要保证决策信息的及时传递，而充分利用无线传感网络ZigBee可以满足要求。通过ZigBee低功耗、无线组网的通信技术和现有网络的有效结合可以很好地保证智慧农业平台智能决策的高效性和准确性。

4 总结

文章通过对智慧农业网络架构的研究，基于物联网的特点，论证了各个协议的特点，对智慧农业系统的网络实现进行了深入研究与分析，基于此构建的智慧农业平台在基础设施方面为实现农业信息平台的数字化、智能化提供了有效、安全、可持续的保障。

[参考文献]

[1] 周国民.浅议智慧农业[J].农业网络信息，2009（10）.

[2] 廖小平.淺析智慧农业的内涵与发展[J].经济研究导刊，2018（16）.

[3] 顿文涛，赵玉成，袁帅，等.基于物联网的智慧农业发展与应用[J].农业网络信息，2014（12）.