物联网在智慧农业中的应用

汪悦 徐畅 于浩杰 黄佳玲 李玥闻

摘 要：随着物联网和大数据时代的来临，建立共创、共享、共赢的“互联网+现 代农业”产业链生态圈已经成为现代农业的发展趋势。智慧农业就是将物联网技 术运用到传统农业中，运用传感器、控制器和软件，通过手机或者电脑对农业生 产过程进行监测和控制，通过建立基于大数据平台的专家系统使传统农业更具有 “智慧”，有利于农业生产的增产、增效、增收，省水、省肥、省电等目的。除 了精准感知、控制外，从广泛意义上来讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品 溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务以及合作社管理等领域。

关键词：智慧农业；物联网

国内外一些相关硬件设备仍不能满足作物生产实践的应用需求，我们急需开发我国自主知识产权的集传感器、光谱监测模型、诊断决策模型于一体的智能化、数字化作物生长监测与诊断仪。

国内外一些相关设备不能满足作物生产实践的应用需求，也没能真正实现生长信息监测。美国生产CROPSCAN地物光谱仪用于获取作物冠层反射光谱，美国俄克拉荷马州立大学研制“Green Seeker”的光谱仪，但它们都不具备诊断和推荐施肥功能，而且成本高，使用不方便。在国内，国家农业信息化工程技术研究中心研制了归一化植被指数仪，用于冬小麦叶面积和叶绿素密度的反演，但该仪器也尚未形成直接诊断功能；中国农业大学研制了温室作物实时诊断仪，该仪器适宜于单叶的间接测量，对大田作物的监测未见报道。目前，国内外报道了温室环境的无线传感器监测网络，但还鲜有基于物联网的大田作物生长信息远程监测技术的研究与应用。已有研究多将无线传输技术简单的用于农业环境监控，而未真正实现作物生长信息监测。

市场上关于化肥使用量精确处理的产品存在缺陷。传统作物生长诊断是通过化学方法来判断是否缺氮并建议施肥，较费时费工，难以得到及时普遍的应用；“看苗施肥”、叶色卡等定性的外观快速诊断方法在生产中颇受欢迎，但诊断指标难以定量，不利于精确估算氮肥用量。国内外现有技术可定量感知水稻、小麦等作物的氮素含量，精确诊断稻麦作物的生长状况，有效指导追肥用量的确定，但定量感知模型的普适性和精度还较低；已有诊断指标对不同品种和生长环境缺乏普适性和动态性；有关管理调控模型的研究还不够深入系统。

项目计划寻找突破作物生产智能监控物联网体系若干关键技术：如构建作物生长光谱监测模型；研发多光谱作物生长传感器；研制作物-大气-土壤无线传感器设备；开发基于经济最优面向广域农田应用的作物、大气、土壤信息一体化无线传感网络；开发基于实时传感信息的作物生长精确诊断与动态调控设备等。

a、作物生长实时感知模型

作物生长智能化动态监测传感器为我方原创性技术成果，通过优化提取对监测作物生长信息具有综合优势的特征波段及适宜带宽；构建新型普适性的作物生长敏感光谱参数，建立基于敏感光谱参数的作物生长参数（叶面积指数、生物量）、生理参数（氮含量/积累量）估算模型。

b、作物-大气-土壤信息无线感知节点

采用光学滤波技术提高光辐射信息输入信噪比，依据作物冠层特征及田间作业环境实际要求，设计适宜的探测镜头结构参数，解决视场与测距间的矛盾，应用智能化传感技术耦合作物生长指标估算模型，开发作物生长智能传感器。在板级系统上集成开发作物-大气-土壤信息无线感知节点，能够实时获取作物生长信息（氮含量、氮积累量、叶面积指数、生物量）、农田大气信息（温湿度、CO2浓度、光照度）、农田土壤信息（土壤水分、土壤温度、土壤重金属含量）。

c、农田大规模无线传感网络节点智能化部署

研究土壤肥力（NPK含量、有机质含量及电导率）、作物养分、叶面积指数等农田信息空间分布差异及其相互作用关系；基于多信息融合技术建立农田特征差异评价模型；以经济效益最大化为目标，即小区内部差异小、相似度高，区块之间差异度大，以最少的节点部署，达到最优的经济产出为最终目标，提出农田动态优化分区策略，实施农田差异分区的优化决策；应用智能遗传算法构建无线传感器节点优化部署模型，并进行农田差异分区和大规模无线传感器节点智能部署的模拟。

d、基于數据流预测的低功耗无线网络感知数据自适应传输机制

研究农田无线传感器网络节点物理位置、数据传输距离、数据传输频度、路由路径等对传感器节点能耗及无线网络生存周期的影响，建立传感器节点能耗管理模型；依据农田作物-大气-土壤信息时空变化特征，建立节点数据传输预测模型；研究节点能耗管理模型与节点数据传输预测模型的交互关系，提出基于数据流预测的低功耗无线传感网络数据自适应传输策略；构建面向广域农田无线传感器网络低功耗传输模型，并进行传感器节点数据流预测和数据自适应传输模拟。

e、作物-大气-土壤信息远程传输网关系统

研发具有“即插即用”的智能化传感器网关系统设备，实现传感网络与信息传输网络之间数据流交换；开发传感设备接口智能适配及信息接收、解析和处理技术，实现传感网络与远程传输网络之间的透明互联。

f、耦合农业专家知识的作物生长智能精确管理系统

综合利用试验资料，借助系统分析方法和动态建模技术，基于农学理论，深入研究作物光谱特征与生长指标和产量形成的机理性关系，挖掘作物生长信息的诊断指标，构建基于实时感知信息与适宜生长指标融合的作物生长精确诊断与调控模型，优化集成基于实时生长信息动态感知和诊断调控的智慧管理技术，构建基于无线传感器网络的作物生长动态感知与智能管理系统，实现客户可以随时随地通过手机电脑等便携物品实时监测。