物联网技术在精准农业中的应用研究

郭晓磊

基于卫星图像收集信息、现场采集土壤样本、判断样品所在区域的土壤特性等方法在实际应用中具有局限性，例如由地域组成部分引起的离散性，导致数据收集后的指导意义有限。在面对大体量的数据时，以何种方式作出有效处理是重难点内容。在此背景下，探寻更为科学的方法极具必要性。其中，物联网技术的应用属于重要突破口，有助于提高数据处理水平，可从数据中剖析价值，对数据的处理具有自动化特征。因此，此次关于精准农业的分析围绕物联网技术的应用展开。

1 物联网

1.1 物联网含义

物联网是新一代信息技术中不可或缺的部分，依托红外线感应器、全球信息定位系统等，高效采集信息，在网络的互联互通作用下，实现物与人、物与物的精准对接，建立兼具管理、识别、定位、监控多项功能于一体的网络。在物联网的建设中，应用到射频识别技术、M2M、云计算、传感网等关键技术。数据源于物联网和移动互联网，数据的参考价值丰富，大数据通过分析用户的行为产生具有参考价值的结果。在大数据的应用中，云计算属于重要前提，是大数据计算得以顺利进行的基本保障。互联网是沟通的“桥梁”，能够增强事物与事物间、人与事物间的联系。云计算是物联网中极具代表性的中心神经功能[1]。

从通信对象和过程的角度来看，物联网由3层组成。一是整体感知层，关键硬件设施为感知设备，可用于获取信息，为后续的分析与调控奠定基础;二是传输层，综合应用互联网和无线网，建立高效、稳定的数据传输通道;三是智能处理层，围绕数据作出相应的智能化处理。物联网的具体架构，如图1所示。

1.2 物联网技术在精准农业中的应用优势

精准农业是现代农业发展的关键风向标，向传统农业融入智能物联网技术，围绕土壤、环境等进行全方位检测，从多项指标切入，分析农产品的生长环境，针对农业生产现场的实际状况进行精准调控，突出农业的智能化、自动化特征，减少人工劳动力，提高农业生产效率和效益。

精准农业是一套高效的综合管理系统，其兼容自动化技术、智能技术等前沿技术，采集到与作物生长有关的参数后，动态调节农业生产方式。在基于物联网技术的精准农业生产活动中，实现实时定位、信息管理、优化方案等多项功能，以较少的资源促进农业生产活动，由此获得经济效益和环境效益。

2 物联网技术在精准农业中的应用意义

在农业可持续过程中，传统的农业模式缺乏可行性，存在产品质量低、资源浪费严重、产品种类单一等局限性。精准农业的发展为以往的农业开辟出一条更具可行性的路径，相比于传统农业模式，应用物联网等前沿技术，可实现对资源的集约化利用。精準农业模式作为一项系统性工程，是推动现代农业向低耗、高质、高效发展的必由之路。但在精准农业的发展中仍存在数据采集效率低、数据分析不全面等问题。

基于物联网技术的精准农业模式提供了重要的发展思路，构建的无线网络具备抗干扰能力强、传输效率高、信息高效共享等特征。因此，应以农田信息采集和管理的具体要求为导向，建立相适配的无线网络，保证信息的高效传输。在精准农业模式中应用物联网技术，能够为用户提供决策信息，为日常工作的合理化开展保驾护航[2]。

现阶段，我国精准农业发展模式实践过程中存在信息标准不统一、人才队伍建设不足等问题。虽然推进部分示范工程项目，但发展进程迟缓，尚处于试验和演示阶段，难以实现产业化蜕变。在物联网技术日益成熟的背景下，打造以物联网技术为核心的精准农业模式，推动了精准农业朝着产业化方向迈进，该模式致力于突出产品特色，持续夯实精准农业的发展基础，为大规模推广创设良好的条件。

精准农业是现代农业的重要发展方向，其实践方式可应用物联网技术，该技术能基于农业生产状况高效整合资源，以合理的资源配置方式促进农业活动高效开展，在提高农业生产力的同时达到减少资源投入、彰显生态环境效益等多重效果[3]。

3 物联网技术在智能农业大棚中的应用

3.1 构建精准农业物联网监测平台

在农业大棚生产活动中，应基于物联网技术建立无线网络监控平台，将嵌入式系统作为主控系统，配套Linux操作系统和ARM9S3C2410处理器，面向设备做全方位的管理。内部网络采用ZigBee无线通信技术，联合应用高精度传感器，高效采集有关于温湿度、pH值等相关数据;外部网络采用GPRS通信网络。嵌入式系统以无线的方式连接内、外信息传输通道。

农业大棚的物联网系统配套设备包含温度传感器、湿度传感器、光传感器、pH值传感器等，可用于检测温度、湿度、光照强度、pH等各项与农作物生长密切相关的指标，实测数据可借助仪表实时呈现，作为参变量参与到自动控制中，保证生长环境的科学性。此外，还用到远程控制技术，办公室工作人员可以远程查看农业大棚的实际种植环境，缩短时空距离，提高控制的便捷性。在无线网络的支持下，可获得供温室调控参考的关键数据，以便采取有效的调节措施，达到提质、增效。

3.2 精准农业的数字化管理系统

依托智能农业大棚物联网信息系统，有效提高农业生产的标准化水平，实现生产至运输的全流程管控。数字化管理技术的配套硬件设施包含温度传感器、化学传感器等，具备高效监控数据的能力;辅以RFID电子标签，实现可识别的实时数据存储和管理，以更加标准化的方式实现对农业生产的有效管理。

数字化农业管理系统联合物联网监控管理系统、网络地理信息系统，具有数据共享、动态数据服务等功能，可充分提高数据处理水平，确保数据具有可利用价值。生态农业数字化管理系统具备以下功能：遥感影像的处理与分析，例如高分辨率的遥感影像及其他以图像方式提供的数据;地物的空间模型，涉及到对象、地形等;属性信息管理，即着重针对动、静态数据的有效管理;应用程序，涉及到服务器和客户端程序;空间分析，主要指缓冲区、测量、等值线及地统计分析等;其他附属功能，包含统计分析等。构建的系统具备农产品信息查询、专家决策与分析等功能，其综合应用到信息、技术和网络，集多项优势于一体，有效提高了精准农业数字化控制管理水平。

3.3 物联网感应的智能农业灌溉系统

通过传感器感应土壤水分，根据实测数据对灌溉系统做有效调整，在不影响农作物生长的前提下，达到自动节水节能的效果。在精准农业模式中，可以考虑建设具备低投入、高产出的农业节水灌溉平台，避免浪费灌溉用水。经过监测后，确定土壤墒情信息，据此判断土壤特性，灵活控制灌溉时机和水量，解决人力资源耗费量大、监控不全面等问题。从系统布设的角度来看，传统的有线测控系统存在成本高、拓展难度大等弊端，难以为农田耕作提供有效支持。针对该状况，设计基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，建立低功耗无线传感网络节点，增强系统的灵活性，可实时监测土壤墒情，以自动化的方式控制灌溉，减少不必要的资源浪费。

智能农业灌溉系统采用混合网，ZigBee监测网络可用于监测数据的高效采集。监测网络设置为星型结构，其中的网关节点具有两项功能。一是负责网络的自动建立和维护，并全方位收集数据;二是向监控中心传递信息，形成高效的信息流通路径。系统还具备自动组网的功能，若存在新增无线传感器节点，网络将及时感知该情况，完整地向无线网关传送节点信息。智能农业灌溉系统的核心组成包含监控中心、无线传感节点、无线网关、无线路由节点，在建立ZigBee自组网后，基于GPRS实现对监控中心和无线网关的有效连接，以便信息的高效传递。

各传感节点分别配套温湿度传感器，其关键作用在于自动采集墒情信息，将实测信息与湿度上下限作对比分析，判断是否具有灌溉必要，并确定具体的灌溉时长。各节点的电能来源为太阳能电池供电，若电压偏低，节点将发出报警信号，进入睡眠状态充电。无线网关属于系统重要组成部分，负责ZigBee无线网络与GPRS网络的连接，主要功能为管理无线传感器节点。

温湿度传感器可用于采集现场的温湿度信息，此类仪器布设在监测区域内，能将采集的数据高效传输给无线路由节点，进而结合路由算法确定适宜的路由，生成与之相对应的路由列表，全面涵盖自身信息和邻居网关信息。在网关的联络作用下，利用远程监控中心获取到数据，供管理人员分析、判断，把握现场情况，进而采取有针对性的远程监控管理措施。

3.4 物联网技术在精准农业中的典型应用

以瓜果蔬菜的种植为例，其对生长环境的要求高，温度、湿度等环境参数均要得到有效控制。搭建温室大棚是优化作物生长环境的重要方法，可突破季节对作物生长的制约作用。控制传统大棚环境采用的是人工作业方法，分别在各大棚内放置温度计、湿度计等数据采集设备，由专员查阅各仪器的显示数据，若某项参数不满足要求，则及时采取调控措施，例如温度偏高时需启用通风机。该人工作业的方法存在工作量大、时效性较差等问题，在小规模的大棚种植中可行，但对于大规模大棚种植而言，完全凭借人工进行检测、调控缺乏可行性，易由于调控不及时而导致大棚环境偏离预期要求。

GHM智能温室系统具备监测大棚环境参数的功能，实测结果超出预先设定的阈值时随即触发报警机制，管理人员根据现场情况远程调控设施，如灌溉机、卷帘机等，将环境参数调节至合理的区间内，为作物营造适宜的环境。GHM智能温室系统集多项功能于一体。

第一， 软件界面的人机交互特性突出，实时显示大棚的环境参数，管理人员可直观掌握大棚的实际情况。

第二， 软件可及时发现异常环境并报警，工作人员可根据需求及时查询报警记录，用相关信息指导工作。

第三， 计算机检测到异常环境后自动调控。以温度偏高为例，其会自动开启通风，并根据现场温度灵活调控通风量，将大棚内的温度控制在合理的区间内。

第四， 除了自动控制外，还提供手动控制功能，操作具有便捷性，仅点击鼠标即可控制分布在种植现场的电动设备。

第五， 系统提供远程控制功能，即便大棚种植现场无工作人员也可远程关闭卷帘，管理人员可通过视频直观掌握大棚基地的实际状况。

在信息化的农业发展趋势下，科学应用物联网技术已成为必然发展趋势。物联网技术对精准农业生产活动的开展具有推动作用，能为实现农业集约、高产、优质等目标提供可靠的技术支持，同时为农村经济转型创设优质条件。

4 物联网技术在精准农业中的应用展望

现代农业具有自动控制、自动管理等特征。随着信息技术和电子技术的迅猛发展，农业事业掀起温室控制与管理的技术热潮，在前沿技术的协助下，起到提质、增产的效果，在创造经济效益的同时具有良好的生态环境效益和社会效益。在未来精准农业发展中，将具有愈發明显的优秀特质。

第一， 人机交互特性突出，适配的软件界面能直观呈现信息，便于管理人员查询与控制。

第二， 分布式管理，根据功能需求对控制系统进行分区，化繁为简，线路铺设简洁明了，控制精度较高，日常运行时的故障率较低。在分区调控管理的方式下，可以结合实际状况对各区采取有效的控制措施，保证每个种植区域均有良好的种植条件。

第三， 远程控制机制稳定可靠，控制精度高，效果良好，管理人员可远程查看农业生产现场的状况并予以有效控制。

第四， 系统集多类子系统于一体，包含通风系统、加热系统、空气循环系统、高压喷雾降温系统、屋顶喷淋系统、灌溉施肥系统等，各系统均有特定的功能，例如调控温度、湿度、通风量等，能够满足不同环境中各项参数的动态调控要求。

第五， 在未来的精准农业发展中，物联网技术的应用水平将逐步提高，自主研发设计的产品将愈发丰富，坚信在能人志士的“耕耘”下，将取得更加突出的成果，届时温室大棚控制的各类系统，将凭借功能完善、性能稳定可靠、经济便捷等优势具备较强的市场竞争力，进而促进我国现代化农业发展。

5 结束语

在精准农业生产中应用物联网技术是必然的行业趋势，结合传感器、控制器等硬件设施，自动调控温度、湿度等农业生产参数，利于生产作业的高效开展，可实现提质增产等目标，保护生态资源。在未来的精准农业事业中，相关技术人员仍需持续探索，提高物联网技术的应用水平，保障精准农业模式良好运行，为现代社会经济发展助力。

参考文献：

[1]张军国，赖小龙，杨睿茜，等.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究[J].湖南农业科学，2011（8）：173-176.

[2]聂洪淼，焦运涛，赵明宇.物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计[J].自动化技术与应用，2012（10）：89-91，97.

[3]李立华.物联网技术在现代农业中的应用研究[J].通讯世界，2016（4）：232.