物联网及其在智能农业中的作用

王永强，孙树莉，高 佳

（1.天津市农业广播电视学校，天津 300384；2.天津市农村社会事业发展服务中心，天津 300384）

物联网（Internet of Things，IoT）的提出与发展掀起了一个几乎可以跨越所有学科和工程技术门类的新浪潮（被称为第三次浪潮），并在不同学科之间互相交叉与整合，从而形成了一个全球性的技术革命，从根本上改变了科学决策方法、生产效率、消费理念、人与人之间的关系、人与物之间的关系以及生活方式。所谓物联网，就是通过互联网将包括人类、动物、植物、商品、机器、仪器设备、温度、压力等物体或物理量通过音、像、味觉、嗅觉等传感器进行数字化处理，利用电脑、智能手机和各种智能信号采集系统接入互联网络，通过互联网络中不计其数的计算机进行数据处理、传输、存取、交流与决策。物联网的概念最早是由凯文·艾什顿（Kevin Ashton）于1999年创造，但直到2005年国际电信联盟（ITU）才正式确定了物联网的概念及其内涵。如今，物联网已在网络商务、智能家居（Smart Home）[1]、智能交通、智能医疗、智能物流、智能电网、智能家电、疾病防控、健康关怀、各种机器人网络控制等领域取得了成功。

1 农业物联网主要架构

1.1 物联网感知层

农业物联网主要适用于在农业生产的整个过程中，包括从不同农产品生产地—生产环境—生产过程—收获—加工—储藏—运输—市场—消费的全过程中应用已有的和需要开发的信息采集系统，包括视频、音频、图像、化学、光学、物理学、生物学分析和检测仪器、仪表、传感器等所测定的信号，经过高通量信号采集系统进行分析与存储，通过专家系统对所采集的信息进行智能化判断，将调控指令发送给自动控制系统，实现对现场设施的自动化控制。物联网最关键的环节在于将这些数据接入互联网，实现网络控制、智能化控制和远程控制。与其他IoT相比，农业物联网更复杂、更广泛，涉及人类生活、食品安全、生存环境、生态监控、气候变化等方面，还包括以农业为基础的所有工业生产和市场运营等方面。在科学技术层面上，农业物联网传感层更加复杂，涉及更多学科领域，对生物技术和传感器等领域的科技进步与创新的依赖性更大。

1.2 物联网网络层

物联网网络层主要涉及WLAN、LAN、CDMA、5G或6G通讯技术。物联网网络层能够及时、准确地将数据从生产者传输到销售者再到消费者，所有环节的感知层所收集到的相关数据通过互联网传输至任何有需要的地方，如传输至管理层、生产者和消费者手中。

1.3 物联网应用层

物联网应用层面向终端用户，可针对不同用户的不同需求建立相应的操作平台。这个操作平台可根据用户需求进行改进、创新、发展和完善。在网络销售平台上，销售者可以向生产者反馈销售情况、市场、消费者需求信息，从而使生产者能够针对市场需求和自身条件调整产品类型，改进生产方式，及时作出决策。利用物联网应用层所提供的大数据对物联网感知层获取的信息进行分析处理，从而对农业生产的产品种类、生产过程、病虫害防治、农产品加工、储藏、运输、食品安全等根据国家和消费者需求进行决策、管理和控制；利用农业生产、农产品流通等过程中的大数据，提升农业生产能力，实现对生产过程控制、质量控制、技能培训、生产效率、资源利用率的有效管理；还可利用区块链对农产品加工、储藏、市场流通、销售、产品溯源等环节进行管理与控制，从而实现农业生产真正意义上的数字化、精准化和智能化[2]。

2 智能化农业

2.1 智能农业感知层

通过智能化（Smart Agriculture）、精准化（Precision Agriculture）、数字化农业（Digitalization Agriculture）生产保证食品供应已成为社会发展和科技进步急需解决的基本问题[3]。数字化城市必须由数字化农业来保证，而数字化农业则需要将各种需求信息与农业生产的各个环节相互关联到一起，这个可以把生产、储藏、运输、市场流通和消费者联系在一起的网络就是物联网络。在物联网系统中，生产者可将消费者多样化需求的海量信息进行综合分析并不断优化，及时作出生产决策。这个过程是基于云物联网（Cloud IoT）实现端点对端点来解决，可完整地收集传统农业信息和新型感知技术所获得的数据，包括气象资料、高分辨率卫星资料（Very High Resolution satellite VHR）、无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）、各种传感器，特别是生物传感器（biosensor），以及各种现代分析仪，包括高通量信息采集处理系统等，将所测定的信息经过处理分析后通过边界设备传送到网络层，通过网络层人工智能技术（Artificial Intelligence Techniques）、区块链技术（Blockchain Technologiesas）对这些资料进行加工、建模，最后提供给智能应用层（Intelligent Application Layer），按照“web”和移动智能界面（如智能手机、笔记本电脑）的要求将这些信息以可视化（Visualization）的形式提供给应用者。

多种传感器平台的应用和集成系统包括：用来建立所有时空采集信息之间的相关性、动力学、函数等的智能模块和软件组件；发现、校验并确认IoT平台可作为智能决策、支持系统以及各农场或生产者的传输系统；为各种农产品建立完善区块链（Blockchain）、农产品溯源以及智能农业生产的系统。

2.2 智能农业服务层

通过农业物联网系统使所有的服务环节符合各种用户、各种服务功能的需求，同时还要保证各个模块和本地云（the local cloud）的自身特性以及自身运转需求。该应用系统的服务对象包括消费者、生产者、管理者，具有储存、整理、输出大数据的功能。为实现不同功能物联网的开放性、可扩展性（scalability）、应对数据安全性的挑战，IoT的构建框架必须具备开放源代码系统（Open source system），需要一个IoT设备的登记服务构架（Framework），允许异构系统架构（Heterogeneous Systems）或部件之间的互相连接，保证系统安全运行和数据安全性。应用这些参数调节网络的可扩展性、安全性、保密性和系统的自适应性（self-adaptability），为智能机器人的使用和控制提供发展空间。

在畜牧业IoT研究方面，一个相似的系统已经在内蒙古自治区和山东省通过将传感器嵌入动物耳朵，对动物进行测试和研究，进而更好地对动物饲养进行智能化管理。到2014年，我国物联网产业规模已超过6 000亿元人民币。

针对农业供需和发展日益全球化的趋势，罗马尼亚推出了智能农业项目（Smart Agro），被称为国家精准农业计划（National Precision Agriculture Project）。该计划主要通过数字化实现智能农业，即通过将全球定位系统、云计算和IoT用于农业生产，实现农业智能化。该项目的目的在于发展一个带有自重构（Self-reconfigurability）和自诊断功能的遥测系统（Telemetry System），使其应用于IoT/M2M通讯，实现在一定面积内的全局移动信号覆盖。该遥测系统可应用于所有类型的农业领域，包括葡萄种植、水果生产、蔬菜生产、禾谷类作物栽培等。通过对这些作物的标准化监控，可将上万个相关站点的葡萄、苹果、梨、土豆、小麦、玉米等置于视野内，如葡萄的3种主要病害可分别通过专家智能管理系统软件进行有针对性的野外管理。该遥测系统可分别通过传感器对降雨量、土壤湿度和土壤水分蒸发、蒸腾损失总量等参数进行测量、处理与储存，作为自动灌溉系统的控制参数。该系统还可以提供其他重要数据，如日常接受到的热量、植物累计生长量、升温/降温时数以及对这些参数的日常统计、月/季统计。

2.3 农业物联网架构

本文根据研究现状，构建了智能农业物联网平台框架（Smart Agro Architecture）。

一般来说，智能农业物联网平台框架（图1）包括：设备层（Device layer）、网络层（Network layer）、智能农业（Smart Agriculture）应用层。智能农业设备层一般需要遥感系统和一系列本地云作为基本构件，针对不同需要加设其他检测设备、传感设备和其他智能信号采集、加工、处理、储存等仪器设备。Smart Agro由一系列本地云组成，分别对应特定的农业作业单元（农场、牧场、林场或农产品加工生产线等）。每一个本地云又由下列子系统组成：（1）邮包（Parcel），邮包是代表本地云的一个元件单位，它大致对应一个农场，但有时也代表一组邮包，这依赖于实际应用情况而定。每个邮包又由一系列层组成：①监视设备和平台层（platform layer），本层含有收集野外、田间或农产品加工单元的原始数据（raw data）所必需的软件、硬件，并进行短期存储，各种传感器、专业遥测站等都可能应用。②边界网络连接层（Edge layer），这个边界层也被称为基于传感数据归并和加工基础上的决策单元（decisional unit），用于人工智能技术（AI techniques）决策的提交，这也是精准农业（Precision agriculture）极为重要的组成部分。（2）通讯层（Communication layer），也就是邮包和网关之间的通讯进行地点，主要应用低功率（low-power）和远程技术（long-range technologies）以适应通过电池（组）供电传输数据，例如LoRaWAN模块。（3）网关（Gateway），网关是智能农业云平台（Smart Agro cloud platform）的入口，是一个逻辑实体，位于本地云的中间位置。（4）本地存储，是将数据储存在数据库管理系统中（Database Management System，DBMS），同时将数据传输到Smart Agro中枢云（Central cloud），是与Smart Agro云通讯属于同一种基于MQTT代理（Mosquitto broker，MQTT broker）的发布/订阅机制（publish/subscribe mechanism），从而实现云平台内部通讯。该组件的目的在于保证数据的持久性并减少场景延迟。（5）在线任务或加工处理，经MQTT代理之后，数据传输引擎将取出并格式化（Format，或归一化）来自不同传感器的数据，将其转化为结构化的数据，通过决策支持组件将对之前加工、处理、分析过的结果作出决策。在本地云中，设备、资源管理服务器将在一定范围内被用来实施、发送、通知，并在信号设备发送失败或发生故障时用来报警。

图1 智能农业物联网平台框架

与工业物联网相比，农业物联网特别是大田作物栽培和田间管理系统，其能源保障是一个关键性问题，利用太阳能或风能是一个合适的选择。本文参考现有研究，构建了以太阳能电池为动力系统的田间物联网框架（图2），图中（A）为农业传感器节点和太阳能电池，（B）为汇聚节点和执行器节点（Sink and actuator nodes），（C）为网关节点和云计算[4]。

图2 以太阳能电池为动力系统的田间物联网（field-based Internet of Things）框架

3 中外农业的比较分析

3.1 从农产品生产成本分析我国农业的比较优势

李大林和王西庆[5]对中外农业生产进行了比较，认为：一是中国主要粮食作物生产成本总体偏高，在国际上基本没有价格与贸易竞争优势。二是油料作物具有一定的成本优势，但食用成品油缺乏竞争优势。虽然我国菜籽油成本低于国际市场价格，但由于菜籽油中含有高芥酸、高硫代葡萄糖苷，在国际贸易竞争中也没有优势。三是棉花生产资源配置缺乏效率，取消贸易保护使中国棉花处于更加不利的地位，已经逐渐从世界棉花主要出口国变成棉花主要进口国。四是蔬菜生产具有较大的成本优势。我国农村劳动力资源丰富，蔬菜种类繁多，不同地区、不同习俗、不同饮食文化背景的人群需求不同，人工投入较多，属于劳动密集型产品，而且蔬菜的储藏运输受地理限制因素影响，导致这种优势具有一定的持续性。五是瓜果类生产具有较强的贸易竞争优势。我国瓜果类产品的栽培和生产依赖于气候条件、土壤类型、地理位置、栽培技术、瓜果品种等多样化条件，使瓜果类产品总体上具有较强的竞争优势。六是畜产品具有较高的成本优势。七是水产品具有较高的成本优势。八是糖料作物生产具有明显的竞争优势，但需要提高制糖工艺水平。由于我国食糖加工业生产技术落后、生产效率低、品种结构和产量不合理、市场运营不规范等因素，制约了糖料作物生产优势的发挥。九是由于云、贵、川地区，特别是云南省得天独厚的气候优势，使得花卉类生产和贸易具有较强优势。十是其他如茶叶、中草药等具有较大的优势和发展空间，但依然需要面对日本和韩国的竞争。

3.2 从国际贸易分析我国农业的比较优势

从近几年出口的商品种类分析，我国具有明显竞争优势的农产品种类依次为畜产品、水产品、蔬菜、肉类、水产品加工制造品等。从出口的商品价格优势来看，大宗农产品如粮食、食用植物油价格比国际市场高，而园艺品、畜产品明显具有成本优势。

3.3 中外农业产业化模式比较与分析

农业产业化经营的组织模式是指在农业产业一体化组织系统内，各参与主体之间相互联结和影响所构成的一种一体化组织形态。农业产业的科学发展可以促进资源的合理分配，降低交易风险，促进农民增收。但由于我国农业产业化的发展历史较短，发展不平衡，尚存在不少问题，如农户与龙头企业之间的关系比较紧张，组织化程度不高，财务管理制度不够完善，企业之间往往存在恶性竞争等问题，由此造成农产品积压或农产品紧缺，严重挫伤农民的积极性。而在一些发达国家，农业产业组织化程度比较高，其组织模式也比较成熟稳定。国外发达国家农业产业化组织模式主要有3种：公司模式、合作社模式及合同生产模式。发达国家农业产业化组织模式已经历了一个由低级到高级、由分散到联合的发展过程。为促进农业产业化的健康发展，我国政府和研究人员研究提出了大量的改革方案，也取得了很大成效，但要真正实现农业产业化可持续发展并非易事，因为我国农业生产的现实情况远比发达国家复杂，特别是面对复杂多变的国际竞争、国内竞争以及复杂的民族、人文、地理、风俗、社会、经济、自然环境等差异，寻求适合我国农业产业化可持续发展的道路困难重重，甚至不同专家和不同观点之间也争论不休。随着农业物联网以及数字农业的发展，为上述问题的解决提供了全新方案。利用农业物联网技术可将复杂的农业生产、农产品加工和监控过程通过传感器、感知层、摄录设备等高通量检测技术和信息采集系统，将所采集的海量数据呈现给用户和消费者，逐渐形成一个农业物联网系统，将涉及的每一个农业领域、每一个农业生产者和消费者囊括在内。在这个农业物联网中，消费者可以订购自己所需要的农产品；生产者可以根据销售市场所形成的大数据，计划和调整自己生产的农产品与数量；政府可以根据国家的整体发展规划通过市场和金融手段进行决策和监控。随着工业物联网、家用电器物联网、运输和大众健康物联网技术的不断成熟，通过物联网进行智能仪器、仪表、机器人、机械设施、智能手机等进行远程控制，预计会很快进入农业生产、采收、加工、储藏、冷链、安全监控等过程和环节中。换言之，农业物联网显然可以为我国智能农业和产业化发展带来千载难逢的跨越式发展机会。

4 农业物联网构建、发展和完善是智能农业的必由之路

目前，我国农业正处于从传统农业向现代农业转型的重要阶段，面临着农业用地减少、农田水土流失、土壤生产力下降、大量使用化肥导致土壤板结、水体富营养化、生态环境污染、极端化天气的发生与发展等问题。针对这些问题，我国科技人员积极开展生态农业、绿色农业、智能农业等方面的研究，并在物联网的提出和呈现出一定的发展前景之初即开始了智慧农业与农业物联网的研究与构建工作。经过近10年的努力，农业物联网已经取得了较大进展，充分展示了农业物联网技术在智能农业中的重要作用，初步证明了农业物联网可以将分散而复杂的农户、农业生产者、个体户及大、中、小、微农业企业通过感知层进入网络层，通过服务层将全国甚至全球的生产者、消费者、相关科技工作者的海量信息联接在一起，为农业科技创新、新技术示范与推广等提供巨大的便捷性。随着农业物联网技术的发展，传统的精细农业理念被赋予了更深刻的内涵，改造传统农业，发展现代农业，迫切需要将物联网技术应用于大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖、农产品物流、食品质量、安全监控与溯源等领域，实现对农业生产要素如土壤、环境、水资源、投入品的实时监测，对动植物生产过程的精细化管理，对农副产品生产加工的全过程监控，对食品安全的追溯管理，对大型农业机械作业服务的优化调度，以实现农业生产“高产、优质、高效、生态、安全”的发展要求。农业物联网技术的应用将为现代农业的发展创造前所未有的机遇。

面对复杂的农业土壤环境、气候环境、作物栽培、良种选育与推广、大众多样性且不断变化的营养需求，面临人们不同的健康状况、年龄层次、口味嗜好、供求市场等众多因素交织在一起的挑战，要实现科学决策除了需要海量的数据以外，遇到的几乎都是非线性的复杂体系，只有通过分布在世界各地的计算机或智能通讯设备所形成的通讯网络——互联网络，才能快速、准确、及时地解决存在的问题。通过物联网，人们可以不断积累和完善数据，不断优化解决方案，促进经济、市场、贸易、生产、消费的全球化信息交流，甚至把整个世界变成一个“地球村”。目前，物联网已经成为一种数学方法、思维方式和非线性复杂体系的解决通道，被广泛应用于解决医药学、生命科学、经济学、环境科学、生态学等领域的非线性复杂问题，并取得了巨大成功。

5 我国农业物联网创新和发展取得的重要进展

5.1 食品质量与安全监控物联网大平台已初步建成

我国早在2012年即开始致力于推进农业物联网的创新研究与建设，国家科技部将“农业物联网与食品质量安全控制体系研究”列入国家“十二五”和“863”项目予以资助。该项目在开放、可扩展、标准统一的食品安全物联网体系架构和应用服务支撑平台方面取得了重要突破，实现了“异构网络数据互联互通”，在黄河三角洲、陕西省咸阳市杨凌区等多个地区的农产品生产与加工、质量与安全管理等方面进行集成和应用，建立了农业物联网从政府推动到市场驱动的商业模式，构建了食品信息溯源物联网大平台。

5.2 物联网与区块链相结合实现农产品精确溯源

农产品特别是食品质量与安全问题始终是大众关注的焦点。传统的农产品溯源体系往往缺少公信力，面临监管困境和扩展性问题。随着物联网、区块链技术的创新与发展，其分布式、去中心化、安全性、透明性、可追溯、不可篡改性等特性使其在食品和农产品安全溯源方面具有独特的优势。李天明等[6]综述了物联网和区块链技术，探讨了当前国内外学者将区块链技术和物联网框架融合应用到农产品溯源中的应用技术，阐述了利用物联网技术和区块链技术相结合进行农产品溯源所具有的安全性、可靠性、透明性等优势，讨论了应用该技术溯源所面临的可扩展性、效率以及资源利用等面临的挑战。

农产品特别是食品质量与安全监控并不能仅仅依赖于一般意义上的物联网络结合区块链技术就能够彻底解决问题，目前虽然物联网和区块链在软件和平台建设上已经日趋成熟，但在感知层层面上还面临诸多科学和技术问题需要突破，如食品质量与安全检测系统需要进行现场抽样检测、实验室快速检测，最好是在线检测。显然传统的仪器分析设备与检测方法不适合物联网感知层的构建，需要大力开发相应的传感器和高通量设备、快速检测技术以及与之相配套的信息采集系统和数据处理系统。

5.3 供水与灌溉物联网平台建设

农村供水问题异常复杂，农田灌溉水资源浪费严重，水土流失严重，呈现点多、线长、面广，传统监控手段难以实现实时监控等问题。此外，农业用水过程中大水漫灌的现象依然存在，用水矛盾时有发生，供水系统跑、冒、滴、漏现象严重，供水保障率差等问题突出。针对这些问题，张恒飞等[7]提出了基于物联网技术建设全链条覆盖的监控体系，针对其特点提出了自动化运行控制策略。在获取海量监测数据的基础上，利用滑动平均算法，结合残差平均误差中位数和标准差，实现水资源大流量漏损检测预警。针对上述问题，王猷智和周杰[8]提出了构建滴灌物联网的水分灌溉利用系统。

5.4 物联网管理系统构建

李智全等[9]针对海南省热带农业的生产特点，构建了农业物联网管理系统，目的是实现物联网设备的集成与管理，对农业环境、检测数据、视频资料、专家库数据进行科学管理。其设计框架为：从农业生产、病虫害防治、决策方面集成开发物联网软硬件设备，实现对作物栽培环境的温度、光照、湿度等环境信息的即时传感、采集、处理、存储与传输，实现实时数据汇总和网络查询。基于GIS地图，集中展示农业环境监测、生产参数监控、数据采集提供等多维统计分析，为农业高质量发展提供海量数据支撑。该系统包括视频监控、气象数据、墒情监测、预警管理、统计分析、专家系统、管理系统等。该系统基于J2EE研发，前台采用Jquery及JavaScript技术，后台采用Spring+SpringMvc+MyBatis框架，由数据层、服务层、通讯层、设备层组成。数据层由分类数据库构成，其信息资源可以实现整合与共享；服务层也就是该平台的技术支撑层，包含统计分析、报表、数据仓库组件等服务引擎，服务层可提供不同用户接口，可以实现信息查询、交互通讯等功能；通讯层支持多种数据传输方式和交互数据通道；设备层的软件能够挂接多种终端设备，实现各种格式数据的交互与转换。该系统已在多个示范基地进行示范推广应用，面积达到1 000 hm2以上。

5.5 农业害虫测报物联网构建

农业植物保护和病虫害测报是农业生产的一个重要环节，物联网的构建与发展可使农业病虫害测报更加准确、及时、高效。包晓敏和汪静波[10]介绍了物联网技术在农业害虫测报方面的研究现状、进展、关键问题与展望。应用于农业害虫测报的物联网技术涵盖了传感器技术、信息采集与处理技术、通讯技术、自动化控制技术、大数据挖掘技术、Web开发等诸多技术，通过这些技术的集成与应用，可真正实现农业害虫测报的自动化、精准化、即时化检测与处置。农业物联网技术依赖于农业信息的感知和信息采集以及智能化处理技术，物联网感知层可以把各种农业生产要素包括环境、生产工具、农作物耕种、栽培、施肥、植物保护、收获、采后加工以及生产者和管理者紧密联系在一起，实现农业病虫害监控与处置的高效管理。目前，我国在虫情测报物联网平台构建方面已经取得了较大进展，针对农业害虫测报的特定场景和特殊要求，农业害虫测报物联网分为4层结构，即感知层、传输层、服务层、应用层，包括数据采集终端、无线通信网络、云平台、可视化软件等。农业害虫测报物联网的重要特点在于感知层的数据采集系统负责采集与农业害虫有关的原始数据，通过无线通信网络—传输层将数据上传至云服务平台层，负责数据处理与存储；应用层的用户可通过互联网网页、手机APP等实现对农业害虫测报结果的查询；农业管理系统可根据害虫测报系统提供的数据进行决策与处置。农业害虫测报物联网的核心是其感知层对害虫的识别与计数，因此与害虫识别和计数相关的传感器、音、像及其识别和计数系统是感知层的关键。值得注意的是昆虫往往通过信息素，特别是性信息素控制其繁衍和群体聚集，造成虫灾。针对害虫信息素的研究已有很多，但针对害虫信息素进行测定的传感器的相关研究则直到近年来才取得较大进展，通过研发出农业害虫信息素的电化学型传感器，实现对农业害虫的快速测定。通过对农业害虫的在线传感和虫情的即时预报，使物联网感知层的构建更加高效。

5.6 通过农业物联网实现对耕地土壤肥力的精准监管

土壤中富含氮、磷、钾无机元素和多种有机物质，这些营养物质决定了土壤肥力的高低，可通过检测土壤养分含量来决定作物施肥量，避免过度施肥造成土壤污染。土壤养分的检测通常采取现场取样、实验室检测的化学检测方法，对检测人员要求较高，并且耗时长、成本高。智能化农业生产需要通过各种传感器对土壤有机质、氮、磷、钾等养分含量以及生命元素进行传感测定，将所获得的数据进行采集、处理、上传、存储，实现对土壤养分以及土壤生物的实时监控与及时处置。王钰滢等[11]对农业物联网如何实现土壤肥力的精准监管提出了对策建议，但目前仍仅为通过种植现场安装的联网监控摄像头进行视频数据的收集，安装pH、氮、磷、钾离子传感器用来采集土壤数据，所能采集到的土壤数据相当有限。要真正实现通过农业物联网对土壤肥力的精准监管，虽然其主体框架可以比照工业物联网和商业物联网平台进行构建，但需研发各种定量化检测传感器，以方便对土壤有机质、无机元素、水分、微生物区系等参数进行快速和定量化检测。要实现高通量、快速、在线、实时的土壤养分检测，需要使用传感器特别是电化学型传感器替代传统的化学仪器分析检测方法。在农业生产中的各个阶段，通过感知层获取数据，利用物联网及大数据进行分析，再通过互联网实现上网和数据共享。生产者、用户、消费者都可以在不同地点、层次、场所获取相应的土壤养分数据，通过相应的手机App软件进行操控和决策。研究表明，可利用近红外光谱检测技术测定土壤中的氮元素含量，利用土壤反射光谱特性测定土壤有机质含量，经上述检测获得的土壤养分数据可通过网络共享，实现对肥料投入比例及用量的严格控制，从而减少过度施肥对环境造成的污染，如土壤面源污染、水体富营养化及其所带来的人与动物的健康风险等。

5.7 蔬菜基地物联网构建

温室和塑料大棚是我国设施蔬菜种植的主要形式，也是城镇居民蔬菜供应的主要来源。但目前大部分设施蔬菜的种植和管理依赖于传统经验，严重制约了蔬菜的科学化种植和管理，甚至造成巨大的物价波动和浪费。如能利用物联网技术，可实现设施蔬菜智能化种植、智能化管理、智能化销售，将极大地促进蔬菜生产与消费的网络化管理，实现产销一体化，促进农民增收。孙杰[12]以蔬菜种植基地为研究对象，搭建了适用于蔬菜基地控制与管理的物联网平台，该管理平台系统可针对物联网感知层所采集的环境信息以及蔬菜的生长参数进行管理。感知层所采集的信息经过数据处理和归一化后传输到网络层，生产者和管理者可通过应用层的各项参数来进行生产、监控、管理、冷链运输、储存、销售。该物联网感知层依靠RFID技术作为信息采集系统，相关传感器将生产过程中各环节所采集的数据汇集在感知层，进行信息识别、分类、参数运算。网络层通过移动通信、互联网通信技术搭建起感知层之间、感知层与应用层之间的通讯联系。应用层为物联网系统的实践层，通过物联网的实际应用层对蔬菜种植过程进行监控和管理，从而实现蔬菜种植过程中相关参数的实时采集、分析、传输及远程监测。

李寒[13]针对设施农业蔬菜大棚智能控制系统的具体需求，设计了整体物联网架构，分为信息采集层、数据传输层、设备控制层、远程监控层，层间以LoRa 无线通信技术进行数据传输。硬件部分由主控制器、传感器、信息采集系统、LoRa、Wi-Fi 模块以及GPRS 模块组成。该系统具备实时监测设施蔬菜大棚内的环境信息、数据记录查询与管理等功能。服务层可为大棚用户提供手动和自动控制2种模式，方便对设施蔬菜大棚进行管理。通过对该系统整体和各部分的主要功能、稳定性、LoRa无线通信性能、Web信息管理系统的测试表明，该系统运行稳定，可实现数据查看、远程控制以及管理等。

5.8 设施农业物联网构建

我国在设施农业建设方面做出了巨大努力，为实现农业物联网创造了条件。农业机械和设施的自动化是农业物联网的基础，其设计、生产、销售、安装、调试与农业生产过程紧密相连，又与工业物联网具有一定的相似性，所以设施农业在农业物联网建设中得到优先发展。武丽萍和张兴波[14]对设施农业物联网平台设计了初步的总体构想，提出通过采集农业机械制造、销售、购买、安装、调试、使用及维修等完整过程的数据，对这些数据进行加工、处理，与互联网衔接构建农机物联网；通过采集生产环境以及设施农业生产全过程的数据，构成设施农业生产物联网；通过网关的可连接性，保障农业机械生产销售与设施农业生产过程之间的互联互通。农机物联网监管平台包括监控平台、数据库共享平台、决策平台、管理平台等。通过对农机物联网和设施农业物联网的构建、数据共享和应用整合，可实现农业生产、管理、仓储、运输等环节的网络化和智能化。

5.9 农业物联网电子商务

洪轲[15]调研了江苏省常州市、溧阳市农业现代化发展现状，结合其资源特色，搭建了基于物联网+现代农业电子商务的特色平台。通过该平台可将农产品生产、销售完美结合，实现休闲农业、乡村旅游、农产品网上销售、流通、溯源、运输配送等服务一体化。该平台将农产品溯源与电子商务相结合，不仅可以使消费者了解整个农业生产过程，而且可进行农产品溯源，使消费者心明眼亮、放心购买。该平台软件架构分为3层：支撑层、服务层、应用层，支撑层主要由软硬件组成，支持分布式集群部署；服务层由开发平台和公共核心构件组成，为服务的客户提供基础支撑，主要包括数据和日志访问、第三方支付等功能；应用层主要包括O2O网购系统、农产品质量与安全溯源系统、企业ERP管理系统。

5.10 物联网技术在高原特色农业中的应用

刘加练等[16]对云南省高原地区特色农业物联网技术的应用情况进行调查分析与展望，调查了花卉、蔬菜、果树、畜禽养殖等领域共73家企业、种植大户、合作社，了解农业物联网技术的应用情况。调查显示：（1）在露天蔬菜种植过程中，主要利用传感器检测土壤温度、湿度、盐分、水分；对空气中的温度、湿度、风向、风速进行检测；通过摄像装置采集农作物生长发育数据和农业灾害发生情况；通过图像识别软件进行虫情测报，实施诱捕杀虫及其成效分析；利用水肥一体化设备进行浇水和施肥控制。设施蔬菜种植主要是通过传感器和监控摄像头观察并测定温室、大棚中的土壤温度、湿度、氮、磷、钾含量、pH及空气温度、湿度、二氧化碳含量、光照强度、蔬菜生长发育等信息，并对这些数据进行管理，部分温室、大棚可进行自动控制生产，较露天种植自动化程度高、针对性强。（2）在花卉种植过程中，通过传感器和监控摄像头对温室、大棚中的土壤和空气温度、湿度、水分、营养、光照强度等参数进行实时监测，通过数据处理、分类、储存、传输、共享，用户可以根据这些参数进行手动或自动控制其灌溉系统、加热或降温设施，实现对花卉生产全过程的精确调控。（3）上述物联网技术同样可在草莓种植和中草药种植中应用。（4）物联网技术在果树种植中的应用主要为：通过终端监测仪器设备对果树的土壤和空气温度、湿度、光照强度等进行监测，采集的数据经过分类和处理后再通过网络传输到网络层，技术人员可通过服务层获取数据，进行分析和决策。（5）将生产、加工、储运、销售等环节的信息应用于果蔬质量与安全的监控，可实现果蔬生产的智能化管理。（6）物联网技术在畜禽养殖中的应用主要是通过射频和条形码技术，采集畜禽饲养环境、生长发育数据等，将这些数据传输到服务层，方便饲养管理人员实施动态监控和管理。

6 总结与展望

改革开放以来，我国农业取得了长足的进步和发展，我国用全球约7%的耕地面积养活了全球约22%的人口。随着物联网科技的不断创新、积累、推广和完善，物联网技术将全面应用于智能农业、数字农业、精准化农业，促进农业生产决策、产业化发展、市场化运行等方面更加智能、高效，对我国乡村振兴以及农民增收将起到积极的促进作用。