物聯網技術在農業中的應用及其未來發展

劉坤林 牛 童

（四川工商學院計算機學院，成都 610000）

前言

物聯網簡而言之就是通過各種傳感器采集數據并且和互聯網進行連接，實現“物物互聯”，而近幾年我國對物聯網的政策支持幅度也不斷加大，物聯網作為發展迅猛的新型交叉學科，也被各行各業中多個領域廣泛應用，說到未來物聯網的發展，其實際的應用場景是非常廣泛的，不僅在物流運輸、工業制造、醫療保健、智能家居等等方面。物聯網作為一種無處不在的網絡，能夠讓Internet與世界上的所有事物相連，從而讓所有事物都能夠訪問Internet。經過相關技術的搭接，讓其能夠對各個領域完成控制。當前我國在物聯網技術也迎接來了新的發展目標，世界經濟結構更加多元，各行各業的現代化建設也迎接了新的契機，而農業作為關系著國家命根子的基底產業，有必要就物聯網技術及其在農業上的應用及未來前景進行深入分析。

1 農業物聯網發展現狀分析

在農業物聯網中，所應用物聯網技術是以各種傳感器的集合為根基的。其中最常見的傳感器有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤水分傳感器、NH3傳感器、光照傳感器、pH傳感器，可見傳感器在物聯網體系中處于核心地位，各國也在各種傳感器的基礎上開發出了許多感知技術——例如荷蘭開發出可聞出果蔬成熟度的器械，以色列的科研工作者開發出了可以測量食物和外部條件的污染狀況的小型芯片等等。根據國家新發布的數字農村發展規劃政策的核心思想來看，農業的革命毫無疑問已經到來，其中明確地提到了建立網絡智能和農業生產集合的新規劃，智能設備+網絡+農業生產的系統跟傳統農業有著本質上的不同，甚至可以說是對傳統農業的一種顛覆，但是明顯在智能農業中，我國無疑是較為落后于世界眾多國家的，發展新型的數字農業在全球已經是一種基本共識，它能夠加快推動農業現代化發展進程，還有農業生產的專業化和組織化，更好地幫助農副產品的銷售和降低生產的養殖種植成本，推動農村發展質量的變革，而智慧農業在實際運用中需要大量的資金，而各省市縣對于物聯網技術的資金幫扶是不夠的，光靠口頭解決吃飯問題很明顯不現實。我國農業發展存在著許多技術短板，例如糧食安全技術短板、農產品貯運保鮮技術短板、農產品貯運保鮮技術短板、農產品貯運保鮮技術短板等等，物聯網智能之路可以很好地改善這些問題。

2 物聯網技術在智慧農業中的應用

2.1 在智慧農業中關鍵技術的應用

1.射頻識別技術，它是物聯網信息采集方式的主要源頭，具體來說就是將RFID標簽貼在物品上，就可以對這個物品進行追蹤和識別，RFID技術具有很強的適用性不需要物理接觸就可以完成通信識別、高效性:它的讀寫速度很快，甚至高頻RFID識別器可以同時識別和讀取多個標簽、簡易性:它的結構簡單，內容普及。

2.傳輸技術，物聯網的傳輸技術就是傳感器網絡技術，而傳感器技術負責了物聯網所需信息的采集工作，傳感器技術顧名思義就是能測量感受各種信息的機器，比如溫度、濕度、壓力等等，所以傳感器的種類也各種各樣，品類高達上萬種，被應用的領域也是十分繁多。

3.傳感器網絡技術就是把眾多傳感器節點進行組織的網絡結構，它實現了三種主要功能:數據的傳輸、采集和處理，通過各類傳感器進行實時監測數據并且通過有線/無線通信網絡進行傳輸到服務器中分析，再反饋給用戶的終端，正真做到了讓人們隨時隨地掌控想要管理的地方，讓環境、植物、甚至物品直接獲知你的需求，這也是實現融合物理世界和網絡世界的重要目標之一。

2.2 物聯網技術的農業中的具體應用

2.2.1 基于物聯網技術的精準現代農業監測系統

物聯網技術是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯網構建環境監測系統的研究成為熱點。本章節例舉一種物聯網在農業中的監測系統方案作為參考。該方案傳感層采用無線傳感網絡的方式，由大量部署在農田信息采集區域的自組織傳感節點(包含普通節點和傳感節點)組成。普通傳感節點進行環境參數的采集后通過Zigbee無線傳輸至簇首節點，簇首節點進行簡單的數據融合，打包，通過Zigbee無線傳輸將農情信息傳送到匯聚節點。

網絡層由網關節點、GPRs，3G網和Internet組成，將環境參數傳送至監測端。網關節點包含匯聚節點和網關部分，匯聚節點部分接收傳感層發送的信息，將其進行數據融合等處理后傳送至網關部分，由網關部分通過GPRS／3G模塊將信息傳至In—ternet，然后遠程監測端就可以通過Internet讀取農田環境信息了。此外，網關部分也可以通過各種通信方式直接和本地監測端通信。應用層由遠程監測端組成，當監測端設備接人Internet時，生產者和技術研究人員就可以在任何時候、任何地點監測所采集的農情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤和分析，以及根據環境變化采取相應措施，實現精準農業的要求?；谖锫摼W技術的精準農業環境監測系統的硬件設計節點是組成基于物聯網技術的精準農業環境監測系統的基本單位，包括傳感節點和網關節點。傳感節點是監測系統傳感層的基本組成單元，網關節點則是網絡層的硬件基礎，它們的硬件設計對整個系統的功能、性能都至關重要。本章節分別對傳感節點和網關節點進行了硬件設計。

2.2.2 傳感節點設計

傳感節點通過傳感器部分采集農情信息，經由處理單元進行簡單轉換、處理，由無線收發模塊傳給上級節點。結合其功能特點．傳感節點的結構框如圖1所示。傳感節點的微處理器單元和無線傳輸單元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee協議，集成了80C51內核處理器的芯片和zigBee無線收發模塊，是一種比較成熟的無線傳感器節點解決方案。

圖1 結構圖

本系統中濕度、溫度測量采用TDR一3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測量土壤溫濕度的理想儀器。光強測量采用推出的第二代光強數字轉換芯片TSL2561，它可直接通過12C總線協議由微控制器訪問，微控制器則通過對其內部的16個寄存器的讀寫來實現對TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測量土壤pH值，基于pH值的變化將導致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經放大電路秭A／D轉換器能得到數字輸出，然而這種方法的缺點是在土壤干燥時誤差較大。

此外，外部時鐘電路用于控制整個系統的運行頻率；串行通信接口作為程序調試和下載接口；復位電路用來恢復系統死機或程序跑飛等意外情況；電源模塊負責整個節點的能量供應。

2.2.3 網關節點設計

網關節點兼具匯聚節點和網關的功能，一方面收集無線傳感器網絡發來的農情信息，另一方面將這些信息經過初步的處理，通過無線收發模塊(如GPRS模塊、3G模塊等)以及3G網和GPRS網與互聯網進行數據的交換，通過互聯網，網關可以發送農情信息到遠程監測中心并且接收遠程監測中心發來的命令。具體結構框如圖2所示。

圖2 網關結構圖

因網關節點的數據處理工作任務繁重，對資源需求較高，而且要求成熟的網絡協議支持，故采用三星公司的ARM9處理器$3C2410。該處理器采用0．18仙m制造_I藝的32位微控制器，擁有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，MMU，支持TFr的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路 帶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個USB主機，1個USB設備，sD主機和MMC接口，2路SPI，最高可運行在203 MHz。

網關節點通過CC2430接收傳感節點采集到的農情信息，并發送控制信息。通過GPRS網絡并入互聯網，實現與遠程監測中心的通信。本系統中GPRS模塊采用SIM5218，它支持下行速率達7.2Mbps和上行速率為5。76 Mbps的數據傳輸服務，同時還具有豐富的接口包括UART、USB2．0、GPIO、12C、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無線科技(上海)有限公司研發的3G無線傳輸芯片：TD—SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485總線接口用于必要時與本地監測端的通信。JrI'AG調試接口和串行調試接口主要負責程序的燒寫、調試，FLASH用于掉電下的程序數據存儲，SRAM主要用于在線的仿真，電源單元負責整個過程的能量供應。

3 物聯網技術在智慧農業未來發展

我國現在正處于由傳統農業向現代農業的轉型期，物聯網技術在農業方面的應用也涉及諸多領域，包括視頻監控、大棚管理、農產品溯源、節水灌溉等等，目前發達國家已經基本配備了完善的設施農業，比如現代化溫室、植物工廠等等，而我國傳統農業依舊靠人力和經驗操作，生產過程中的問題基本無法得到解答，物聯網農業可以通過傳感器和儀器進行參數化控制和自動化控制，幫助農民提高生產效率和農作物質量，科學有效地改善低效率的傳統農業模式，我國雖然物聯網產業發展迅猛，但硬件、技術和實際應用較差，我國的傳感器和產業水平相對于發達國家的差距還是很大，而且傳感器作為物聯網的重要組成部分，更新換代很快，中國市場需求量又十分巨大，導致智能進口外國產品，實際應用建設物聯網農業的成本也是十分巨大的，所以對于未來的農業物聯網有必要加大對傳感器和其他硬件產業的科技投入，鼓勵自主創新，加強傳輸方面的穩定性和網絡安全問題,解決中國自然環境對物聯網農業應用的客觀阻礙，盡可能減少建設成本和能源損耗，人才問題也是尤為重要的，加大力度培養技術人才，為領域的發展提供充足的人才保障，當然想要解決這些問題我國未來還有很長一段路要走，科技才是第一生產力，產業的未來發展離不開科技的創新。因此在未來的發展中要注重技術的創新，加大對科技人才的投入，只有這樣，才能真正的能夠看到物聯網技術在農業中的實際應用效

［］［］果，在小范圍進行試用，逐步推廣，在實際運用中發現可能存在的技術問題并且反饋解決，揚長避短，才能更好的促進物聯網在智慧農業的發展應用。

結語

總而言之，物聯網技術作為物與物間互聯通信的網絡，其作用是能夠實現萬物互聯，并且在日常工作和生活中都能夠深度融合，隨著物聯網技術的發展，為我國農業現代化的發展提供了重要的科技支持。物聯網技術應用于農業行業，不僅顛覆了傳統農業生產的模式，而且推動了我國農業現代化生產的進程。隨著5G技術的加持，物聯網技術逐漸朝著集約化的方向在發展，其所擁有的各方面性能都將助力農業發展，具有重大的發展潛力。