基于物联网的智能农业系统研究

石新平

（湖北工业大学电气学院 湖北·武汉 430068）

0 引言

物联网以移动互联网为基础，采用rfid、传感器和无线通讯等技术，能够实现对各个领域的数据传输覆盖。继现代计算机和移动互联网之后，物联网也开始逐渐地成为我国现代信息技术产业的一项新兴产业和当前世界经济和科学技术发展新兴的一项重要战略制高点，这有利于推动和促进我国经济的增长与发展。当前，我国的物联网已经逐渐被应用到了农业、电力、物流、安防、交通、医疗和环保等多种场景，其运营模式也愈加成熟。

1 研究的背景与意义

我国的人口已经占到了全世界总人口的22%，而我国的耕地面积仅仅为全世界耕地面积的7%。农业生产作为第一大支柱产业，就是实现国民经济目标的根本。当前我国农业仍然存在着需要从传统农业向现代化的农业方式进行转变的问题。

1.1 传统农业面临的问题

由于我国传统的农业生产技术手段落后，主要依赖于人力、牲畜的劳动力与各类手工工具和一些较为简易的机械。在现实中最大的问题便是：第一，农业生产存在污染与浪费。第二，农业产出少、农民收入低。第三，农产品的品种少。依靠着这些落后的生产工具及生产技术来维持着简单的再生产。由于目前我国的现代农业生产率较低，农业年均生产量提高缓慢，使得我国现代农业也无法在经济上取得很好地进步，这也就阻碍了我国现代农业科学与技术的进一步发展。就是说，传统农业的自身经济增长已陷入了一个恶性循环。传统农业在向现代化农业方式转变和发展的过程中，它们所面临的一个挑战便是如何才能够保证其农产品供给总量、调整其农业产品市场经济结构、改进其农产品高端服务、生产效益低下、资源严重缺乏且利用率较低、环境污染等方面的问题。因此，关于现代智能化农业科学与技术的探索，就显得十分必要和重要。

1.2 精确农业发展现状

精确农业(precision agriculture)这就是引入我国农业发展的一种创新性潮流技术，是依托互联网和移动信息技术所提供支撑的，根据空间，定位、定时、定量来建立起一整套适合于各种现代化的农事作物操控技术与其他相关的系统。其中基础设计主要包含如下内容，根据田块内所有农作物正在生长的土壤特点及其所处的自然环境性状，调节所有生产农作物资金的投入，即一方面检测所有生产农作物田块内部的土壤特点及其生产能力的改变，另一方面制订合理地农作物的发展规划，对其进行了定位。“系统诊断、优化原材料配方、技术组装、科学管理”，调动了我国当前土壤的生产能力，以最少的或者说是可以通过节约资金和更多人力投入来达到同等的经济收入或者更高的水平，并且最大限度的保护环境，高效率地综合利用各种农业资源，取得良好的社会经济效益与良好的社会环境效益。精确型农业由十大系统共同组合构成，即农田定位系统、农田信息搜索收集系统、农业科技人才专家系统、农田遥感监控系统、农田遥感监控系统、环境监控系统、系统整合、网络化管理系统及人才培养等系统。其中最为核心的一个宗旨就是要建立一个现代化的农田土壤地理信息系统（gis），我们也可以这么说，把现代化信息技术和现代化农业生产完美的融为一体的新型现代化农业。而且精确型农业也并没有太多强调高产，主要还是强调高质量的经济效益。它将我国现代农业发展进一步带入了新的数字化与信息时代，这就是21世纪我国推进现代农业发展的重大目标。精确农业的主要技术包括：精确土地检测工艺、精确种子工艺、精确均衡施肥工艺、精确播种、精准灌溉、作物动态监控管理技术、精确采摘技术、精确收割技术。与我国传统的农业相比，精确式农业主要具备以下几个特征：

（1）合理施用化肥，减少环境污染。

（2）减少与节约水资源。

（3）节本增效，省工费又简单，优质高产。

1.3 农业是国民经济繁荣发展的支柱

我国特色社会主义市场经济的迅猛发展和人民生活水平的改善都离不开对现代农业劳动生产率的持续创新。物联网产业的形成和发展很好地推动和提升了我国现代农业的生产和服务效能，促进了对现代农业的信息技术精准化管理，推进了对现代农业信息技术的合理高效利用。物联网被广泛地应用于现代农业科学和技术领域，将在以下几个方面推进中国现代农业的发展：

（1）农业生产企业通过先进的传感器网络（物联网）技术可以迅速、实时、精确地获取各种农田生态环境的数据。

（2）传感器网络所需要采集到的信息上传给后台的数据处理中心，分析完成后就已经可以对其实现精准、大范围、自动化的管理和控制，物联网正在推动着我国现代农业的发展，把其智能化、自动化、精准化、规模化，推向了更高层次的发展。成为我国现代化大型农业的重要基础和支持。

2 基于物联网技术的智能农业应用系统

2.1 物联网的概念

物联网就是根据合同中所规定的协议，将任何一件物品经由红外传感器、射频识别、激光扫描器和全球定位系统等各种传感器设备连接到互联网上，并在这一点的基础上自动进行数据和信息的通讯交换，最终达到实现对定位、识别、追溯和监控的全方位智能化网络。

2.2 智能农业应用系统中农业智能培育和环境监测系统

农业智能化培育与环境监视管理系统主要由zigbee网络、网关及控制装置和控制中心四个方面构成。其中，zigbee网络主要由一个监测地区内的多根簇网络构成，其中每个节点在网络上采集光强和相应的温湿度等农业条件下的情况数据信息后，经zigbee网络直接发送到相应的互联网关。由于各类农业的行情信息都很有可能会对农作物产生不同程度的影响，因此在设计时需根据其具体情况添置各类传感器，农作物生长速度和其发育状态受周围环境条件的温度和空气中湿度变化影响，因此在设计时需要添置一个空气中的温湿度传感器。网关设备具有自适应的切换网络功能，可以将zigbee网络与传输网络直接联系在一起，并把所有的数据都传送给控制中心。控制中心接收到数据后，会对其进行处理并将其存入到数据库，同时对汇总和分析所获取的数据进行信息处理，再根据技术人员的决策和系统执行相应的反馈来完善控制指令，使得问题能够在及时准确地被发现和有效地解决，实现了对农业生产的管理和指导。农业生产者可以通过互联网实时地监测和获取农业状态的信息，对农作物生长状态进行实时追溯。技术研发者和工程师们要结合当地农作物的自身生长状态，制定合理的种植和培育策略，然后将一台采用集成或者嵌入式的tcp/ip协议种植和培育装置的网络与互联网相连接，远程地执行并制定计算机提供给他们所指示的种植和培养策略，远程节点在接收到数据后会对其进行诸如光照强度、灌溉期限、除草剂含量和浓度的自动调节等一系列相应的反馈。

2.3 智能农业应用系统中农产品的运输控制和管理系统

农产品运输控制和管理系统通过远程控制平台发放指令后在再车辆上安置相关GPS+GPRS单元，一旦车辆驶离管理中心，车辆上的GPS+GPRS单元就会将车辆的基本信息反馈到控制平台。除此之外，控制平台还提供通过汽车上各种农产品盒或箱体上的红色传感器，及时了解和掌握农产品运输环境中各种农产品的温度、湿度，进而保证农产品的安全性和质量；控制平台可将gsm及gprs组成即时语音通讯中心，通过计算机的控制软件与运输途中的汽车或者交通工具保持联系，这在一定程度上使我们能够及时地解决汽车在运输过程中可能发生的各种紧急情况。

3 物联网技术的智能农业应用系统部分模块的设计

3.1 物联网技术的智能农业应用系统中自适应切换的网关设计

智能农业应用系统中，网关节点也是重要的一个构成部分，该网关节点可以用来实现控制中心和子系统网络相互连接的所有设备，且网络节点能够通过参照子系统网络的相互连接方式对其进行自主切换，并可以利用数据传输的网络把它们传输到遥感器监视平台，根据监视平台上所下达的信号和指令对其进行处理。网关设计主要有软件和硬件两种设计，其中，硬件的设计主要是采用了核心板、模块化及与接口基础底板的分离设计思想，通过采用嵌入式双mcu结构的方法来改善互联网网关各个节点对电磁干扰的抵御能力。其中，底板上囊括了多个介入式传输网的功能模块，如：cdma、gprs以及可扩展的以太网等；而基于底板和核心基础的配套能够为我们建立一个资源耗电较少、体积小以及数字化处理功能强大的应用系统。这种最小型系统的核心板和联合底板的设计方法和形式，不但能够满足各个层次的应用要求，而且能根据实际情况进行增减或者调整底板的功能。

3.2 物联网技术的智能农业应用系统中125kHz免驱读卡器的自主开发

智能农业物联网的应用体验系统中，自主研制出125khz免驱式多路读卡器，其内部装置有天线，无需对其进行驱动，可以达到随处皆宜的效果。这种阅读式写卡器更为小巧灵活，能够进一步地提升阅读的速度，并且可以在任何一个编辑框中直接读入或者定制卡号。同时，该种类型的读卡器所适用的领域也比较广泛，如：手持机刷卡仪器、pos机的数据输入装置、pc机的数据读出等。这主要是由于125khz免驱的数字读卡器在其设计的过程中，采用了一种低频、免驱的读头进行改制而成，同时，还充分地例用电荷泵的工作原理，构建H桥，大幅度地增加了线圈的工作功率。另外，125khz免驱式读卡器也是可以通过LC的配对和谐振，并且读卡器可以直接通过包络检波、非门单元整形滤波或者是去除一个毛刺的信号等波形后从其中获得Manchester的一个时序信号进行输出，再通过一个较小的功耗以及较少的成本STC51 MCU译码以ps/2的字节为时序进行输出，转到usb芯片上后再进行输出。

4 小结

当前，物联网在农业中的应用越来越广泛，这在一定程度上推进了农业的信息化和智能化。本文主要通过研究智能农业中物联网应用系统并阐述其总体结构模块的设计方法，进而为提升农作物的生产、农产品的流通等智能化和信息化管理奠定了坚实的基础，实现我国农业现代化飞速发展的目标。