物联网技术在农业中的应用及其未来发展

刘坤林 牛 童

（四川工商学院计算机学院，成都 610000）

前言

物联网简而言之就是通过各种传感器采集数据并且和互联网进行连接，实现“物物互联”，而近几年我国对物联网的政策支持幅度也不断加大，物联网作为发展迅猛的新型交叉学科，也被各行各业中多个领域广泛应用，说到未来物联网的发展，其实际的应用场景是非常广泛的，不仅在物流运输、工业制造、医疗保健、智能家居等等方面。物联网作为一种无处不在的网络，能够让Internet与世界上的所有事物相连，从而让所有事物都能够访问Internet。经过相关技术的搭接，让其能够对各个领域完成控制。当前我国在物联网技术也迎接来了新的发展目标，世界经济结构更加多元，各行各业的现代化建设也迎接了新的契机，而农业作为关系着国家命根子的基底产业，有必要就物联网技术及其在农业上的应用及未来前景进行深入分析。

1 农业物联网发展现状分析

在农业物联网中，所应用物联网技术是以各种传感器的集合为根基的。其中最常见的传感器有温湿度传感器、CO2浓度传感器、土壤水分传感器、NH3传感器、光照传感器、pH传感器，可见传感器在物联网体系中处于核心地位，各国也在各种传感器的基础上开发出了许多感知技术——例如荷兰开发出可闻出果蔬成熟度的器械，以色列的科研工作者开发出了可以测量食物和外部条件的污染状况的小型芯片等等。根据国家新发布的数字农村发展规划政策的核心思想来看，农业的革命毫无疑问已经到来，其中明确地提到了建立网络智能和农业生产集合的新规划，智能设备+网络+农业生产的系统跟传统农业有着本质上的不同，甚至可以说是对传统农业的一种颠覆，但是明显在智能农业中，我国无疑是较为落后于世界众多国家的，发展新型的数字农业在全球已经是一种基本共识，它能够加快推动农业现代化发展进程，还有农业生产的专业化和组织化，更好地帮助农副产品的销售和降低生产的养殖种植成本，推动农村发展质量的变革，而智慧农业在实际运用中需要大量的资金，而各省市县对于物联网技术的资金帮扶是不够的，光靠口头解决吃饭问题很明显不现实。我国农业发展存在着许多技术短板，例如粮食安全技术短板、农产品贮运保鲜技术短板、农产品贮运保鲜技术短板、农产品贮运保鲜技术短板等等，物联网智能之路可以很好地改善这些问题。

2 物联网技术在智慧农业中的应用

2.1 在智慧农业中关键技术的应用

1.射频识别技术，它是物联网信息采集方式的主要源头，具体来说就是将RFID标签贴在物品上，就可以对这个物品进行追踪和识别，RFID技术具有很强的适用性不需要物理接触就可以完成通信识别、高效性:它的读写速度很快，甚至高频RFID识别器可以同时识别和读取多个标签、简易性:它的结构简单，内容普及。

2.传输技术，物联网的传输技术就是传感器网络技术，而传感器技术负责了物联网所需信息的采集工作，传感器技术顾名思义就是能测量感受各种信息的机器，比如温度、湿度、压力等等，所以传感器的种类也各种各样，品类高达上万种，被应用的领域也是十分繁多。

3.传感器网络技术就是把众多传感器节点进行组织的网络结构，它实现了三种主要功能:数据的传输、采集和处理，通过各类传感器进行实时监测数据并且通过有线/无线通信网络进行传输到服务器中分析，再反馈给用户的终端，正真做到了让人们随时随地掌控想要管理的地方，让环境、植物、甚至物品直接获知你的需求，这也是实现融合物理世界和网络世界的重要目标之一。

2.2 物联网技术的农业中的具体应用

2.2.1 基于物联网技术的精准现代农业监测系统

物联网技术是一种全新的信息处理和获取方式，目前基于物联网构建环境监测系统的研究成为热点。本章节例举一种物联网在农业中的监测系统方案作为参考。该方案传感层采用无线传感网络的方式，由大量部署在农田信息采集区域的自组织传感节点(包含普通节点和传感节点)组成。普通传感节点进行环境参数的采集后通过Zigbee无线传输至簇首节点，簇首节点进行简单的数据融合，打包，通过Zigbee无线传输将农情信息传送到汇聚节点。

网络层由网关节点、GPRs，3G网和Internet组成，将环境参数传送至监测端。网关节点包含汇聚节点和网关部分，汇聚节点部分接收传感层发送的信息，将其进行数据融合等处理后传送至网关部分，由网关部分通过GPRS／3G模块将信息传至In—ternet，然后远程监测端就可以通过Internet读取农田环境信息了。此外，网关部分也可以通过各种通信方式直接和本地监测端通信。应用层由远程监测端组成，当监测端设备接人Internet时，生产者和技术研究人员就可以在任何时候、任何地点监测所采集的农情信息，对作物生长情况进行实时跟踪和分析，以及根据环境变化采取相应措施，实现精准农业的要求。基于物联网技术的精准农业环境监测系统的硬件设计节点是组成基于物联网技术的精准农业环境监测系统的基本单位，包括传感节点和网关节点。传感节点是监测系统传感层的基本组成单元，网关节点则是网络层的硬件基础，它们的硬件设计对整个系统的功能、性能都至关重要。本章节分别对传感节点和网关节点进行了硬件设计。

2.2.2 传感节点设计

传感节点通过传感器部分采集农情信息，经由处理单元进行简单转换、处理，由无线收发模块传给上级节点。结合其功能特点．传感节点的结构框如图1所示。传感节点的微处理器单元和无线传输单元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee协议，集成了80C51内核处理器的芯片和zigBee无线收发模块，是一种比较成熟的无线传感器节点解决方案。

图1 结构图

本系统中湿度、温度测量采用TDR一3A型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度测量于一体，具有密封、防水、精度高的特征，是测量土壤温湿度的理想仪器。光强测量采用推出的第二代光强数字转换芯片TSL2561，它可直接通过12C总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。光纤pH值传感器用于测量土壤pH值，基于pH值的变化将导致光纤传感探头中光频谱特性变化这一原理，经放大电路秭A／D转换器能得到数字输出，然而这种方法的缺点是在土壤干燥时误差较大。

此外，外部时钟电路用于控制整个系统的运行频率；串行通信接口作为程序调试和下载接口；复位电路用来恢复系统死机或程序跑飞等意外情况；电源模块负责整个节点的能量供应。

2.2.3 网关节点设计

网关节点兼具汇聚节点和网关的功能，一方面收集无线传感器网络发来的农情信息，另一方面将这些信息经过初步的处理，通过无线收发模块(如GPRS模块、3G模块等)以及3G网和GPRS网与互联网进行数据的交换，通过互联网，网关可以发送农情信息到远程监测中心并且接收远程监测中心发来的命令。具体结构框如图2所示。

图2 网关结构图

因网关节点的数据处理工作任务繁重，对资源需求较高，而且要求成熟的网络协议支持，故采用三星公司的ARM9处理器$3C2410。该处理器采用0．18仙m制造_I艺的32位微控制器，拥有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache，MMU，支持TFr的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路 带PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC—BUS接口，IIS—BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，sD主机和MMC接口，2路SPI，最高可运行在203 MHz。

网关节点通过CC2430接收传感节点采集到的农情信息，并发送控制信息。通过GPRS网络并入互联网，实现与远程监测中心的通信。本系统中GPRS模块采用SIM5218，它支持下行速率达7.2Mbps和上行速率为5。76 Mbps的数据传输服务，同时还具有丰富的接口包括UART、USB2．0、GPIO、12C、GPIO、GPS、摄像头传感器和内嵌SIM卡等。如需传输图像，音频等信息，则采用3G模块传输，选用芯讯通无线科技(上海)有限公司研发的3G无线传输芯片：TD—SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485总线接口用于必要时与本地监测端的通信。JrI'AG调试接口和串行调试接口主要负责程序的烧写、调试，FLASH用于掉电下的程序数据存储，SRAM主要用于在线的仿真，电源单元负责整个过程的能量供应。

3 物联网技术在智慧农业未来发展

我国现在正处于由传统农业向现代农业的转型期，物联网技术在农业方面的应用也涉及诸多领域，包括视频监控、大棚管理、农产品溯源、节水灌溉等等，目前发达国家已经基本配备了完善的设施农业，比如现代化温室、植物工厂等等，而我国传统农业依旧靠人力和经验操作，生产过程中的问题基本无法得到解答，物联网农业可以通过传感器和仪器进行参数化控制和自动化控制，帮助农民提高生产效率和农作物质量，科学有效地改善低效率的传统农业模式，我国虽然物联网产业发展迅猛，但硬件、技术和实际应用较差，我国的传感器和产业水平相对于发达国家的差距还是很大，而且传感器作为物联网的重要组成部分，更新换代很快，中国市场需求量又十分巨大，导致智能进口外国产品，实际应用建设物联网农业的成本也是十分巨大的，所以对于未来的农业物联网有必要加大对传感器和其他硬件产业的科技投入，鼓励自主创新，加强传输方面的稳定性和网络安全问题,解决中国自然环境对物联网农业应用的客观阻碍，尽可能减少建设成本和能源损耗，人才问题也是尤为重要的，加大力度培养技术人才，为领域的发展提供充足的人才保障，当然想要解决这些问题我国未来还有很长一段路要走，科技才是第一生产力，产业的未来发展离不开科技的创新。因此在未来的发展中要注重技术的创新，加大对科技人才的投入，只有这样，才能真正的能够看到物联网技术在农业中的实际应用效

［］［］果，在小范围进行试用，逐步推广，在实际运用中发现可能存在的技术问题并且反馈解决，扬长避短，才能更好的促进物联网在智慧农业的发展应用。

结语

总而言之，物联网技术作为物与物间互联通信的网络，其作用是能够实现万物互联，并且在日常工作和生活中都能够深度融合，随着物联网技术的发展，为我国农业现代化的发展提供了重要的科技支持。物联网技术应用于农业行业，不仅颠覆了传统农业生产的模式，而且推动了我国农业现代化生产的进程。随着5G技术的加持，物联网技术逐渐朝着集约化的方向在发展，其所拥有的各方面性能都将助力农业发展，具有重大的发展潜力。