农业物联网在农业科技园区中的建设及示范作用

陈青奇，陈柏杰，门万杰，雷 娜

（哈尔滨市农业科学院，黑龙江 哈尔滨 150029）

哈尔滨市农业科学院是哈尔滨市一所集“农、科、教”与“产、学、研”于一体的综合性农业院所，所建“北方都市农业示范园区”展示了哈尔滨市现代农业发展先进水平。近年来，为提升其科技园区信息化、智能化及高效科技园区管理水平，融入了农业物联网技术。农业物联网的引入和建设极大提高了农业生产和科研管理水平，展示了现代农业工程装备传统农业的巨大优势和生产潜力，也为哈尔滨市农业发展起到引领示范作用。

1 物联网简介

所谓物联网，是一个基于互联网、传统电信网和传感网等信息承载体，使所有普通物理对象能够通过信息传感设备与互联网连接起来，进行计算、处理和知识挖掘，实现智能化识别、控制、管理和决策的智能化网络[1-2]。

物联网从20世纪90年代开始兴起，当前在国际上备受关注，涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域[3-4]。自美国麻省理工学院（MIT）自动识别中心（Auto-ID Center）教授凯文·艾什顿（Kevin Ashton）于1999年首次提出物联网（Internet of Things, IOT）概念以来，美国、欧盟、日本、韩国、中国等国家和地区高度重视物联网技术的发展和应用，纷纷将其纳入产业发展规划或政策支持范围，并将其视为全球经济新的增长点[5]。物联网综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络、无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界和人类社会三元世界的连通。

农业物联网是物联网技术在农业领域的应用，通过应用各类传感器设备和感知技术，采集农业生产、农产品流通以及农作物本体的相关信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网和互联网进行信息传输，将获取的海量农业信息进行数据整理、加工、融合、处理，最后通过智能化操作终端，实现农业产前、产中、产后的过程监控、科学决策和实时服务[6]。农业物联网与云计算技术融合，配合智能决策模型和反馈控制系统，可以实现病虫害的远程诊断、监控预警，指挥决策远程水、肥、药、饵智能投放等功能[7]，有效提升农业生产智能化和精细化程度。

在中国，物联网技术在设施农业和园艺种植方面得到高效应用，在畜禽和水产养殖方面快速发展，在农业电子商务与农产品质量监管方面得到普及推广应用，在大田生产监测管理方面还处于试点起步阶段，在农业智能化信息服务方面仍处于探索阶段。

2 农业物联网在科技园区中的建设

目前的控制系统通常采用有线的方式与前端设备交换数据。采用有线的方式布线困难、造价高，特别是农业生产环境现场复杂、湿度大、侵蚀强，使得系统工作不可靠，维护成本高。针对农业示范基地监测对象多、管理范围大的特点，探索出了一种基于物联网技术的自动数据采集与控制系统，针对具体环境特点，设计系统的通信架构，开发专用的数据传输协议，不仅解决了布线的可靠性、建设和维护成本问题，系统还兼有较强的灵活性和可扩展性。

2.1 系统整体架构

建立面向精准农业的“基于物联网技术的农业环境智能监测系统及示范应用系统”。该系统可以将无线传感器节点分布在被监测区域内，节点定时采样环境数据，如环境温湿度、土壤温湿度、土壤成分、土壤pH、水温、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度、氨气浓度、果实大小等信息，并通过传感器网络将采样数据传输至中央平台，中央平台实现对采样数据的查询、分析与挖掘等处理。当出现异常情况时，能够及时向用户预警，通过监测的历史数据为管理者和生产者提供决策的依据。

2.2 监控系统的逻辑拓扑结构

建立的农业示范基地需要对温室大棚、鱼塘、果园、畜牧养殖场、水田、旱田等的多个指标和状态进行监测，针对监测对象的特点，建立了多条无线传输链路，采用分区进行控制。

2.3 系统采用的主要技术

2.3.1 两级分层的无线网络通信技术

信号传输是无线传感网络控制系统的关键技术之一，传统方案中普遍采用总线方式进行通信。由于农业示范基地应用环境中存在通信范围大、环境恶劣，有线互联存在线路腐蚀老化、接触不良、施工和检修困难等弊端，采用无线通信可有效避免线路失效引起的问题，节省布线和施工成本，并具有极强的可靠性和灵活性。本系统针对智能农业应用的环境特点，设计了两级分层的无线通信网络。

2.3.2 高性能多级冗余数据采集和控制技术

传统的PLC系统虽然能够满足多数工业现场控制的需要，但存在数据吞吐量和信息存储能力有限、接口不够丰富、对接口板卡通讯故障容忍性差等问题。随着处理技术的发展，传统的PLC系统难以满足未来控制系统调控信息化、网络化的需求。本项目自主开发了ARM9架构的多级冗余嵌入式数据采集控制系统，提高了智能农业示范基地控制系统信息处理能力，增强了控制的可靠性。

2.3.3 基于多元组合工艺的监控软件架构技术

传统的组态软件实质为二次开发平台，开发简单，但灵活性差，算法单一。随着监控系统的发展，不仅需要数据采集和监控，还需要结合整体工艺流程进行工艺优化，传统的组态软件难以实现对全流程工艺调整和优化，与无线通信协议兼容性不好，软件费用成本高，难以满足智能农业控制的需求。

针对目前组态软件存在的问题，自主开发了一套面向农业环境智能监测的软件控制模块库。组合已有的工艺流程模块，能够快速完成农业生产、研究监控软件的开发。针对特定的应用，通过参数化已有的多元流程模块，可灵活地完成农业监控自动化工艺的控制功能。组合产生的软件具有实时监控、远程控制和数据管理等功能，能够实现复杂的控制策略，并具有高度的可扩展性。该软件具有成本低、灵活性高、移植性好的特点。软件采用三层C/S架构，通过客户端和服务器分离的策略，支持多客户端同时操作，可以灵活地满足不同用户的需求，提升了农业的数字化和信息化水平。在数据层，采用数据双向同步机制，保证了无线数据的实时性和可靠性，通过对数据的多节点冗余备份，提高了水厂数据的存储可靠性（该部分工作已经申请发明专利1项，获得软件著作权1项）。

2.3.4 基于公共密钥架构和分布式门限签名的网络安全方案

不同于一般的民用无线系统，智能农业示范基地的控制系统必须要保证无线网络通信的安全性。本项目提出了一种基于公共密钥架构和分布式门限加密的网络安全算法，解决了系统无线网络的安全问题。

3 农业物联网在科技园区中的示范作用

随着科技的发展及现代农业水平的不断提高，多学科集中装配包装农业，使得农业科技含量越来越高，科技园区的示范不能停留在没有物联网的时代，相反，物联网技术更使得农业科技园区具有可操控性，从而提高效率和管理水平。

3.1 提高生产效率

科技园区智能模块决策用于植物种植、家畜饲养等，极大提高了生产管理水平，避免了生产技术失误。精准喂养，精准灌溉，精准农药、化肥使用，减少了能源浪费，降低了生产成本。物联网的信息传输实现了人的在场解放，并减少生产管理人员数量，减少了人员开支。

3.2 提高产品质量，保护生态环境

农业物联网使得农业生产和管理精确可控：动植物在良好的环境和生长状态下生长，肥料、农药、饲料添加剂符合农业生产规范，而且农产品整个生产过程可以溯源，从而为农产品质量安全检测增加了一层保障和可信度，还在提高品质的同时，增加了推广宣传砝码。

农业物联网技术改变了过去基于传统经验的农业生产管理方式，通过精确、科学的数字化控制手段进行农业生产和管理，可以有效控制灌水和化肥用量，避免引起土壤板结、盐渍化，地下水污染。农业物联网的使用，可以创造农业小气候，提高动植物抗病能力，减少农药使用量和使用次数，从而减轻农药对环境的污染。依据农业物联网强大数据存储平台，建立智能专家库，总结园区小气候变化规律，调查病虫害发作规律，可有效地进行动植物管理，减少生产中燃煤污染及农药使用，从而建立生态农业园区，保护生态环境。

3.3 促进科技创新

农业物联网平台的构建，便于科研人员节省时间，不再将大量时间应用在传统栽培技术环节，而是全身心投入到动植物育种技术、分子生物学技术、栽培创新、园林园艺规划设计、观光园区创新发展上。由于物联网智能决策，有助于减少科研的失误和误差，便于多出、早出成果。物联网节省人力、物力、财力，便于将有限的科研经费应用到无止境的科技创新工作中。

3.4 便于科技园区人员管理

科技园区主要包括动植物种养、科学研究、旅游观光、现代农业示范，分工比较杂、细，若要管理精准到位，首先要求每个人有很强的责任感，因为动植物管护需要精细的饲养和栽培技术，其次，科技创新、园区观光和现代农业示范建设在高水平种养基础上才能更好地推动创新，因而，农业物联网平台的搭建，能让管理者有了抓手，能够实时监控和监督检查科技人员对种养是否管理到位，如果种养失误，则可以通过物联网存储系统找到失误原因，责任到人，进行奖罚评聘，从而提高科技园区人员管理水平，实现管理上的可追溯性。

[1] International Telecommunication Union.The Internet of Things[R].Geneva:ITU,2005.

[2] 工业和信息化部电信研究院.物联网白皮书[R].北京:工业和信息化部电信研究院,2011.

[3] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009,23(12):1-7.

[4] 刘强,崔莉,陈海明,等.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6):1-4,10.

[5] 张宇,张可辉,严小青.农业物联网架构应用及社会经济效益[J].农机化研究,2014(10):1-5.

[6] 陈晓华.农业信息化概论[M].北京:中国农业出版社,2012.

[7] 吕连生.农业物联网发展大趋势与安徽省对策研究[J].科技创新与生产力,2013(2):4-8.