关于物联网技术在农业生产中的应用报告

孟一凡 裴一玮 姜梦茹 尹志坚 徐嘉晨

摘 要：在西北大学组织的三下乡活动中，本调研组主题为“科技扶农”，重点考察了江苏省太仓市东林村的农业物联网技术在实际生产中的应用，动手安装了运用于农机上的 IOT 设备。在实践中调查了基于无人机，拖拉机，植保机器等机械上的一体化农业物联网运用，调查了东林农场对农业物联网技术实际运用水平，并对农业物联网在外地的应用推广做出了一些设想与规划。

关键词：物联网;农业信息化;东林农场调研

在工业物联网概念火热的背景下，农业物联网却依旧处在一片空白之中。为了推进技术导向型农业发展，省农业农村厅特别提出将农业物联网建设作为技术推广中的重点。太仓市农业示范基地的农业物联网运用走在了革新前沿。本次调研主要对太仓市农业示范基地的农业物联网技术进行评估，并指出部分物联网技术运用中不成熟与不充分的部分，且在目前技术条件下给出一定的改进可能与改良方向。

1.太仓市东林村农业示范基地的调查现

1.1太仓市东林村农业示范基地

太仓市东林农场专业合作社位于太仓市开发区北侧，农场经营面积 2100 亩。全年经营收入约 900 万元，可盈利约 300 万元，成为村级经济增长亮点之一。为了充分将现代信息技术成果运用到现代农业中，实现对农业环境的智能控制，进一步科学推进农业面源污染综合治理，西北大学信息科学与技术学院的“西大江苏科技扶农调研团”团队于 7 月 14 日来到太仓市，进行以农业物联网技术应用为主题的调研的活动。

1.2无人化、智能化农业生产的前提

仅仅在将各台农业机械进行 IOT 设备加装调试后还不能进行智能化作业，需要额外进行以下操作：

将各个设备通过信息主控中枢系统激活，与电脑端或者移动端进行绑定认证，之后统筹各个设备间的运行，系统自动开始分别监管链接入管理系统中的农机设备。

在农机作业的农田中，需要事先规划好区块，为系统标志出相应的边界以及行进路线。当初期投入测绘后，在农田形态不变（不改变农田大小，边界），田地平整的理想条件下，可开展无人化作业。

1.3主要智能化设备加装说明

拖拉机机组配套 sensor 选取合理位置安装后，即可令拖拉机通过地面基站或者数据处理中心相互链接。之后则可在电脑端或移动端汇总拖拉机作业进度，拖拉机所在位置，拖拉机无人作业状态等信息，监测拖拉机后部拖曳的作业机具工作状态与效率.

插秧机加装管理终端后，可以统筹同组插秧机的作业效率，进过计算比对，得到小组作业的最大功效比与农业机械的平均故障率，汇总反馈数据。

非作業状态植保机喷洒臂处于密闭模式，展开后，将流速传感器外接到喷射管即可监控植保机的农药浓度，液态肥料用量，流量控制等数据是否处于正常状态。通过监测用药的数量，达到提高植保机的效率，缓解过度使用农药以及土地过污染化的情况。

根据《江苏省发展改革委江苏省农业农村厅关于调整太仓市 2016 年农业面源污染综合治理试点项目部分建设内容的批复》，无人机精准植保便是是重点项目之一。区块规划后无人机可在田内进行自律植保，并能在风力 <=5 级的情况下载重 15KG 进行植保作业。一天总作业面积可达 600 亩。

1.4无人机的作业演示

在连续几天的调研被局限在室内后，最终在天气放晴，风力等级适合的一个下午，使用无人机对农田进行了植保作业。首先对无人机进行正常检测后，链接北斗定位，无人机升空。第一块标准田使用人工操作，测试了各项情况正常后操作手便设定了定速自律作业。

目前使用的无人机是蓄电池供电，单组 6 块蓄电池可以供给无人机 10-20min 的作业实践，工程师为无人机配备了 6 组蓄电池，用便携柴油发动机为蓄电池组供电，保障无人机的持续续航。

在供电充足的条件下，无人机仅在 15 分钟内便完成 60 亩的植保作业。随后更换了蓄电池组，继续按照设定路线作业。

1.5东林村实现自动化，无人化，智能化后取得的成果

东林农场在引进农业物联网技术后，取得了如下效果：

东林农场试点使用农业物联网技术后，全年经营收入约 900 万元，可盈利约 300 万元，成为村级经济增长亮点之一， 农场收入年环比增长 12 个百分点。

配合高标准农田建设，对 2100 亩农田完成了点位标签，规划区块的任务。推进了农业规模化经营，能完成从育秧到植保到收割贮藏的全程无人化操作。

对农业面源污染综合治理的管控有了显著增强，发展了绿色循环农业。通过 IOT 设备对耕作，植保等环节的综合调控，做到了作物产量增长、土壤质量改良、化肥农药用量大幅减少、秸秆饲料化。基本完成了建设现代农业框架，达到了循环农业的生态目标。

2.关于农业信息化技术的调研

2.1 团队实践操作设备

在调研相关设备的过程中，适逢工程师团队对各台农机的 IOT 设备进行加装升级，在得到许可后，我组成员在工程师的指导下对部分农机进行了亲手加装 IOT 设备。具体工作内容如下

植保机展开喷洒臂后，需要将流速传感器外接到喷射管，并对走线进行设计，令流速传感器与驾驶室的总控监视器以及总传感器相连。

为插秧机设计线路走线，能在秧盘自由运动的情况下部署线路，并寻找到合适的位置布局 camera，做到能够令 camera 完整监测插秧机身后的工作状态。在秧盘上加装重力传感器，判断秧盘位移量以及运动速率。

为拖拉机加装 sensor，并在工程师指导下点亮中央监控系统，将数据终端激活。并于相关系统内注册账号，为各台拖拉机编号（部分拖拉机牌照不清晰，需要对拖拉机进行重新编号，为接下来的统筹拖拉机机耕组行动做规划基础）。

为收割机加装深度感应器，与北斗系统相链接。收割机将收割臂放下后（例如30cm），深度感应器开始工作，判断收割机开始工作。将作业路线上传至中控系统处，用以判断有人/无人状态下收割机的运行规律。

2.2设备安装中存在的问题

为植保机安装流速传感器时，发现其口径与喷射管不一致，需要使用螺母进行外圈固定，并使用橡胶垫片密封。第一次测试，发现流速传感器接口不能承受相应的水压，传感器丢失了监测数据。第二次实驗中加装了特殊型号的螺母，发现能够完成水压测试，但依旧存在渗水现象。第三次实验使用防水胶布为螺纹处做了密封处理，经过测试后发现承压性能良好，无漏水情况出现。

所有目前的农机皆无预设接口为检测系统供电，电源只能深入机械内部，使用蓄电池为系统供电，每一台安装皆需要将引擎盖打开，裸露出蓄电池组才能外接电源，操作不便且有一定危险性。拖拉机上安装的 camera 系统没有专门的位置放置，每台农机都需要单独寻找合适位置放置。

3.关于物联网技术在农业信息化应用中的思考

3.1调研中时发现的一些问题与相应的改进建议

现有农机都未预留外附设备的专用空间。camera 等仪器、传感器只能根据工程师的安装调试经验酌情选择地区安装，且要使用钉枪等设备辅助安装。在后期设备加装时应编写相关的日志报告，定期返回农机厂商，要求出厂前预留或改装农机外部，为传感器统一留出安装凹槽。

安装的 IOT 设备需要从蓄电池中引电，为加装监控传感设备添加了不必要的额外的工时。需求将拖拉机驾驶室内加装 USB 接口，方便将监控设备以及中控系统集成进驾驶室中。

3.2对东林村农业物联网推广化应用的一些思考

东林村农场作为苏南地方示范性先进农业基地拥有良好的区位条件与较为高昂的设备投资支持，但过高的投资不利于成本回收，昂贵的实验性质科技产品在设备更新迭代时需要付出更高成本。东林农场对农业物联网的运用是建立在高投资，高标准基建，昂贵装备以及高耗能基础上的。准确的说，东林农场的农业物联网体系正在从农业信息化建设向农业物联网化建设发展，属于较为初级的农业物联网运用。

物联网发展追求产业化，集约化，规模化。旨在达到与农业信息化建设高额投资的设备相似运用效果的同时，将物联网建设成本尽量降低，为此将阐述几项降低物联网建设成本的技术方向。

农机内部采用了大量实体线路来连接各个传感器以及监视器系统，且运用了蓝牙来控制各个元器件传输数据。考虑到后期对农机的升级改造情况，需要加装更多的传感器，应使用 ZigBee 技术来解决单台农机间各传感器传输数据的问题。传感器间相互传输的数据具有较为稳定的时域规律，且数据量小，适合使用 ZigBee 技术来进行数据交流。又 ZigBee 拥有自组网特性，在实现单农机小系统内的数据交流的同时还可以链接同组拖拉机，实现相邻田地里农机的协作作业，增加协同效率。

东林农村为了配合数据终端与农机间的远程数据交互，建设了不少于三处的地面基站，资金投入较大，在对外推广农业物联网运用模式时可复制的可能性较小。绝大多数农场区域并不能为工作的农机小组提供如东林农场一样密度的地面基站，为此，给出使用 LoRa 来解决远距离数据传输的问题。

LoRa 技术能做到低功耗远距离长时间传输数据，在农场这类开阔地区，一般传输距离可以达到15KM，而且 LoRa 拥有着优秀的信道容量，可以较为轻松地处理多组发送而来的农机监控信息，为电信基础设施建设不完善的地区提供灵活、低廉的选择。利用 LoRa 技术，可以较为便捷地获得监测数据，令信息主控中枢系统统筹各组农机运作，并选择端口对农机作业进行调整。

农业无人机绝大多数都是由航模厂商或航拍器厂商生产的多旋翼无人机改装而来，价格较为昂贵，且多使用高价的雷达来进行点位识别，导致农业无人机在定位上产生了严重的性能溢出。

目前农业无人机需求正在愈发增长：以江苏省为例，2019 年底全省农业无人机保有量达 4200 台，预计 2020 年全年增量 4000 台。对专业农业无人机的需求已经是迫在眉睫。调研东林农场的农业无人机使用情况后，发现若 使用RFID代替雷达，在农业运用中将更具有实用性。

无源射频识别的距离在 10m 左右，识别精度达到米级别，舍弃了超过需求的精度后，降低了使用成本，且利用 RFID tag 可帮助无人机快速识别出点位。基本达到了雷达的点位识别要求，并能大幅减少无人机精密设备的能源消耗，延长了无人机长程自律作业时间。

综合利用上述几项技术，在推广农业物联网技术时，可以在保证生产效果相同的同时有效减少投资成本，达到农业物联网低成本实现规模化的目标。

参考文献

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[4] 牛沐萱.在农业4.0时代如何做农业[J].农经，2018（09）：56-58.

作者简介：孟一凡（2001.01-） 男，汉族， 江苏连云港人， 2019级信息科学与技术学院物联网工程专业在读本科生， 研究方向：物联网在农业领域的实际运用、手势识别;

*通讯作者：徐嘉晨（1993.05-）男，汉族，湖北黄陂人，硕士研究生，助教，主要从事大学生思想政治教育研究。