农业物联网技术运用于农业园区的典型案例分析与展望

赵军，高翔

（1.石家庄益康农科技发展有限公司，河北 石家庄 050000；2.河北省农林科学院，河北 石家庄 050035）

1 农业物联网

农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务全产业链中的具体应用，对改造传统农业、加快现代化农业的发展具有重要的意义[1]。农业物联网是综合利用各类感知设备实时采集动植物本体、农业生产过程以及农产品物流等相关信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网和互联网传输，将获取的海量信息进行融合、处理，最后实现农业产前、产中、产后的全过程监控、科学决策和实时服务[2]。物联网技术充分面向现代化农业生产需求[3～8]，对环境及作物生长信息精准监测，确保生产过程精确管理，肥料、农药、灌溉、诊断病虫害等方面实施智能化管控，农产品质量安全全过程检测跟踪，从而实现农业的高效安全生产。近年来，我国农业物联网技术得到长足发展，在大田及设施农业方面均有深入研究及应用。夏于等[9]设计了基于物联网的小麦苗情远程诊断管理系统，对小麦生长生产过程和主要气象灾害进行精确监测、快速准确诊断，并以文字、视频、图片和数据表格等多种方式输出综合分析结果和生产管理调优方案；吴秋明等[10]设计了为棉花灌溉决策与管理提供支持的基于物联网的棉花智能化微灌系统，并在新疆库尔勒棉花智能化膜下滴灌示范区的实际应用中取得了良好效果；易宁等[11]基于物联网技术设计了水稻大田智能预警监控系统，用于水稻生产的智能管理；张帆等[12]针对江西丘陵地区作物种植分布广、布线和供电困难等特点，利用智能气象站和高精度土壤温湿度传感器等设备建立了基于物联网技术的土壤墒情监测系统，为农田精准灌溉和节水、农业抗旱减灾提供技术支持和决策参考；刘燕德等[13，14]针对果园环境智能监测需求，设计了基于果园环境信息监测的无线传感器网络节点和数字化果园视频系统；黎贞发等[15]开发了日光温室冬春季低温气象灾害监测预警及智能化加温物联网技术体系，提高了设施农业园区的管理效率、管理水平及应对低温灾害的能力；欧亚军[16]设计了基于物联网的智能温室大棚控制系统，用户可使用浏览器或智能手机等终端对温室大棚进行远程实时监测和管理，提高了设施农业生产的精细化管理水平；王秀等[17]设计了基于物联网技术的温室二氧化碳施肥无线控制系统，包括无线采集节点、无线控制节点、中心节点、二氧化碳发生装置和主机系统等；孙剑等[18]开发了基于PLC控制、机器视觉和物联网技术的盆花自动分级系统，实现了对温室盆花分级的机械化、自动化和智能化操作。

农业物联网主要由感知层、网络层、应用层组成（图1）。感知层是农业物联网的底层，也是基础层，通过各种传感器及视频技术的组合[19]，获取作物生长实时的环境监测数据和获取指令后控制各种功能性仪器；网络层主要负责整个系统的数据传输，建立在局域网、移动网络、互联网之上，将接收到感知层的各类数据通过网络传输至信息处理中心，由应用层进行处理，同时将应用层发出的命令信息送达感知层，进行各种功能性仪器的控制；应用层位于系统的顶层，主要实现传感器数据查询、数据分析、数据挖掘以及基于感知数据的应用和决策。

图1 农业物联网组成Fig.1 Composition of agricultural internet of things

2 农业物联网技术应用于农业园区的典型实例分析

基于中国农业科学院北京畜牧兽医研究所国家牧草创新基地物联网项目、顺平桃产业基地质量追溯体系物联网项目2个具有代表性的农业物联网项目，阐述农业物联网项目建设中的层面设计与实际应用。

2.1 国家牧草创新基地物联网项目

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所国家牧草创新基地位于中国农业科学院廊坊试验基地内，占地33.33 hm2，主要从事牧草育种栽培等科学研究。国家牧草创新基地物联网系统主要是利用物联网技术对园区环境、设施棚舍环境、牧草生长状况及羊只生长发育的监测。监测点布局集中、地势平整、便于施工，以低成本的有线网络传输信号为宜（图2）。

图2 园区物联网布局示意图Fig.2 Layout diagram of internet of things in the park

2.1.1 感知层 感知层方面采用5种监测单元，第1种固定监测单元配有旋转平台的枪式摄像机及一组空气温湿度传感器，用于养羊棚舍的监测，同时该测量单元的数据采集主机与棚舍的风机、空调、遮阳帘电机连接，根据指令控制各仪器的开关；第2种固定监测单元配有球形摄像机及5组土壤温湿度传感器，用来监测牧草生长状况及土壤深度为20、40、60、80、100 cm的温度和含水量。第3种移动监控单元（图3）配有球形摄像机及1组土壤温湿度传感器，可方便移动，用于监测不同品种牧草种植小区的生长状况及土壤深度为10 cm的温度和含水量。测量仪器采用有线供电。第3种监测单元为自动气象站，配有空气温度、空气湿度、光照强度、风速、风向、降雨量、蒸发量、土壤温度、土壤含水量传感器，用于监测园区的环境气象数据；第5种监测单元是散养羊体重增长监测，通过射频识别系统及自动称重系统把每只羊的每天体重记录并传到云平台。

2.1.2 网络层 养羊棚舍距离中控室较近，可采用网线连接有线传输信号。牧草品种试验区、羊散养区、自动气象站通过地埋光纤与中控室连接有线传输信号；散养区自动称重系统通过4G网络无线传输信号。

2.1.3 应用层 中控室安装了4个显示屏、1台中央平台、2台刻录机、1台服务器，显示屏分别显示养羊棚舍、牧草固定监测区域、牧草移动监测区域、羊三样区域的图像和环境数据。中央平台用于信号的转换并传输到显示屏上；刻录机用于图像的保存；服务器用于安装益康农数据平台，存储、查询、计算分析数据以及管理决策等，配有手机APP客户终端。

2.1.4 项目实施 通过物联网信息获取装备实时获取圈舍环境信息，结合通风、控光、调温装备实现圈舍最佳适应环境智能化调控，并结合可视化监控技术实现饲养物生长过程的远程可视化监测与在线诊断，对提高科学养殖种植、提高效率、节省劳力、保障品质有重大意义。

2.2 顺平桃产业基地质量追溯体系物联网项目

保定市顺平县望蕊山庄（以下通称山庄）以200 hm2桃树种植区域为示范基地，实施特色农业精品示范基地物联网建设项目。该项目分为品种观赏区（山庄内）、新品种选育区（山庄周围500 m）及桃树种植区（周边200 hm2）3个区域。根据项目实施环境为山丘地貌，信号传输多采用网桥或GPRS无线传输（图4）。

2.2.1 感知层 每个监控点配有1台球形摄像机、1组空气温湿度传感器、1个PAR传感器、1组土壤温湿度传感器，用来监测桃的生长状况及空气温度、湿度、光照、土壤温度和水分含量。观赏区和品种选育区采用有线供电，种植区采用100 W太阳能板和60 A锂电池供电。

2.2.2 网络层 山庄内品种观赏区为网线有线信号传输，山庄周围的新品种选育区为网桥无线信号传输（图5），周边240 hm2种植区选用4G网络无线信号传输（图6）。

图5 无线网桥Fig.5 Wireless bridge

图6 4G无线监点Fig.6 4G wireless monitoring point

2.2.3 应用层 中控室设有多媒体会议室、项目展示厅（图7）、室外LED宣传屏等，均可显示每个监测点的信息内容；登录益康农数据云平台或手机APP（图8），可以进行数据查询与分析以及管理决策等。

图7 项目展示厅Fig.7 Project showroom

图8 数据云平台Fig.8 Data cloud platform

2.2.4 项目实施 项目投入试用，系统实现了土壤、环境和桃树及果实生长信息远距离实时获取、监测和管理，具有操作简单、方便直观、功耗低、网络容量大等特点，对园区墒情监测、水肥管理、病虫害预防及产品质量跟踪体系建立[20]发挥了积极作用。

以上项目在建设与实施过程中，感知层使用了射频识别技术、传感器技术和智能控制技术等，网络层使用了有线、无线信号传输，应用层使用了多媒体终端、云平台、手机APP等功能，这些都是农业物联网常规的应用技术。可以针对不同用户不同需求以及使用环境，将技术有机组合就能实现目标功能。

3 农业物联网前景展望

农业物联网作为一门新兴的交叉学科，其技术优势将会广泛应用于大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖、农产品物流及食品安全追溯等方面。物联网的发展给我国农业带来了前所未有的发展机遇，同样也使农业生产走向技术化、专业化和现代化。虽然农业物联网的信息感知产品在稳定性、可靠性、低功耗等方面需要进一步的提升和改进，但随着物联网产业标准化体系的逐步建立与完善，关键技术与瓶颈的突破，应用与推广规模将不断扩大，并会随着用户的体验与需求向系统集成、智能化服务方向发展。