智慧农业工程中的物联网、算法分析及设计技术＊

周杰，刘宝，徐梦颖，杨瑞，卢毅

智慧农业工程中的物联网、算法分析及设计技术＊

周杰，刘宝，徐梦颖，杨瑞，卢毅

（石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

物联网是一种通过智能传感器无线连接设备的网络。根据实际部署的场景，智能传感器配备了各种传感和监测参数。物联网技术在农业、汽车工业、交通运输、医院等领域有着广泛的应用。在农业生产的过程中使用物联网算法分析及设计技术，有助于提高农业生产力，并改善农产品质量。基于物联网的精准农业技术可以对农产品全生命周期进行实时监测。目前基于物联网的收获预测的技术已逐步完善，但物联网及算法分析及设计方面的高层次人才相对较少。重点研究了物联网技术在精准农业领域的应用，以提高农业生产效率，进一步培养农业工程专业物联网及算法分析及设计方面的高层次人才，并提高农产品质量。

农业物联网；水肥一体化；电子邮件；即时通信

1 互联网的定义

互联网是互连计算机网络的全球系统，计算机网络使用因特网协议链接全球数十亿个设备。如今，全球超过46%的人口使用互联网。互联网对文化和商业产生了革命性的影响，包括电子邮件、即时消息、互联网协议语音电话、双向互动视频电话、社交网络和在线购物站点、即时通信等。而且，因特网连接已成为许多业务应用程序的规范，如今已成为许多企业工业和消费产品中不可或缺的组成部分。然而，因特网的使用仍然主要集中在通过应用程序和界面进行人机交互。

2 物联网与无线传感器网络

近几年来，物联网逐渐成为农业工程领域的热门话题。物联网是一种新兴的网络模式，它是一种基于标准通信协议的可唯一寻址的物物互联全球网络。在这个网络中，所有的物理对象都可以使用唯一的编码标记来通过互联网进行相互通信。在物联网节点中，传感器和执行器将直接连接到互联网，从而使大量的新服务和软件应用成为可能。物联网是因特网的下一阶段，物理设备也能够相互连接。

随着物联网的出现，工业自动化领域发生了革命性的变化。迄今为止，全世界已经部署了大约50亿个智能物联网节点。物联网通过集成物理设备并使其通信来实现不同功能的互联。智能家居、智能汽车、智能医疗、智慧城市都属于物联网范畴。几乎任何设备都可以经过智能化改造连接到物联网，例如智能手表、智能眼镜、智能电表和智能制造设备等。在物联网中，每个设备都是唯一可识别的，配备了传感器并实时连接到互联网。在未来，物联网将深刻影响消费者和企业行为。物联网的功能还扩展到了对指定对象的监测和识别。物联网可以使用传感器和执行器对农产品和土壤环境等进行远程识别、监测和控制。

为了实现无线传感器网络与现实世界的融合，并实现物联网与互联网的连接，研究人员在低功耗无线个人终端上做了大量研究工作。在传输过程中，监测数据经过多跳路由后，可由多个节点进行处理，传输到达网关节点，传感器节点是无线传感器网络的主要组成部分之一。传感器节点的硬件一般包括电源和电源管理模块、传感器、微控制器和无线收发器四部分。电源模块提供系统所需的可靠电源。传感器是无线传感器网络节点的纽带，它可以获取环境和设备状态。传感器负责将光、振动、化学等信号采集并转换成电信号，再传输到微控制器。微控制器从传感器接收数据并相应地处理数据，无线收发器传输数据，从而达到通信的物理实现。

3 智慧农业中的物联网

农业的历史可以追溯到几千年前。由于无线传感器网络技术的快速发展，基于物联网的精准农业技术在过去几年中开始成为农业领域的新趋势。物联网能够监测有关收获的作物数据与环境。作物统计指标数据可从物联网决策支持系统中获取。通过加强农业预测支持数据系统建设，未来农业的产量将可以进行实时预测。通过对物联网设备进行控制，并更准确地收集设备上的数据，未来能够设计更有效的农业决策支持系统。利用物联网和传感器技术，能够通过定期检测来预测作物的生长。

物联网技术体系正在为农业建设作出贡献。信息化系统包括传感器和追踪从作物运输轨迹的物联网节点。在大多数实用案例中，基于物联网的精准农业技术通常处理特定区域的作物管理问题。例如，在指定区域对土壤、作物和气候进行环境监测，用于整个地块或特定地块的决策支持系统，精准调整肥料和农药的使用，精准调整耕作、灌溉范围和播种率等。借助物联网传回的数据进行分析，通过所选作物播种前的分析模型和客观数据，可以对农业收入进行预测。

基于物联网的精准农业系统通常由各种设备组成，这些设备通常使用无线技术与上行链路互连，上行链路通常与农场数据处理中心的服务器连接。由于无线传感器网络节点的成本和部署难度等制约因素，目前主流采用的无线传感器网络能够支持的系统中的节点数在20～50个。未来NB-IoT技术能够支持的节点数量更多。在现代农场中，物联网的规模变得更大，物联网将需要各种监测信息，例如来自仪表和传感器的数据（土壤湿度、气压、环境等），农场大门和建筑物入口开关、灌溉阀门、泵送设备、操作现场视频、温室、牲畜围栏和储存设施的监控以及声音或其他警报的状态等。在农业领域，物联网的常用领域包括食品供应链以及耕种农业。物联网技术还可以实现土壤测量、气象监测、监测系统、光照自动化以及灌溉系统。通过在农业领域的合理利用，物联网技术可以在更少资源和人力的条件下促进农作物产量增长。

尽管物联网受到越来越多的关注，但它在智慧农业和食品领域仍处于起步阶段。在未来，物联网技术需进一步改进，以确保在农业领域中具有广泛的可用性，例如监测不同的气候条件下作物和土壤情况。在未来，物联网将帮助农业工程领域从以机械驱动的行业转变为以数据驱动的行业，并借助及时而准确的数据进行农场运营决策。未来的精准农场将从传统的以供应为导向转变为以价值和数据为导向。在未来的精准农场中，物联网无需人工或现场干预即可完成设备操作。农场和食物供应链可以成为自适应系统，由设备自主进行决策甚至学习。

4 物联网与精准农业施肥技术

当前，农业物联网面临大挑战之一是如何获取足够高质量的数据以做出正确的决策。

精准农业需要一系列的技术来捕捉数据，将数据在时间和空间上关联起来，对其进行统计表征、保存和合并，最后进行分析，以供决策之用。精准农业使用了全球定位系统、地理信息系统和遥感等多种技术。在精准农业中，部分数据来自卫星和飞机拍摄的航空照片，以及安装在农业机械上的传感器和照相机。随着无人机技术的进步，无人机遥感图像也成为精准农业的重要数据源之一。

精准农业中最重要的一步是生成具有土壤特性的肥力分布图，以便精准施肥。生成肥力分布图的具体措施包括网格土壤采样、产量监测和作物调查。采样通常是通过电子传感器进行的，比如采用土壤探测器和卫星远程光学扫描仪。通过遥感与全球定位系统坐标相结合可以生成精确的农田地图和模型，以电子数据库的形式收集地图和模型数据可以生成地理信息系统，然后可以对数据进行统计分析，并进一步绘制农用地力性质变化图。

5 总结

近年来，农业从业者开始使用物联网系统来改进作物管理。精准农业的目的是通过监测气候、天气、水质和作物状况的数据来提高农业生产力。基于物联网的精准农业系统专注于提供监测、评估和控制农业生产全过程，包括从牧群管理到大田作物生产的广泛领域。本文分析了智慧农业中的物联网技术，让相关技术人员对领域技术具有更加深刻的认识，以便后期进行物联网算法分析及设计高层次人才培养，并进一步完成技术推广。

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周杰（1982—），男，湖南湘乡人，博士，研究方向为电子信息工程。

卢毅（1981—），男，陕西西安人，博士，研究方向为农业工程。

国家自然科学基金项目（编号：61662063）；促进与美大地区科研合作与高层次人才培养项目“基于精准优化控制的滴灌施肥技术研究”；石河子大学混合式教学改革专项（编号：BL2017032）；石河子大学研究生教育教学改革项目（编号：2019Y-JGFF03）

2095－6835（2019）22－0050－02

TN929.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.014

〔编辑：张思楠〕