物联网算法分析设计与精准农业大数据技术＊

2019-11-29周杰刘宝徐梦颖杨瑞卢毅

科技与创新 2019年22期

周杰，刘宝，徐梦颖，杨瑞，卢毅

周杰，刘宝，徐梦颖，杨瑞，卢毅

（石河子大学信息科学与技术学院，新疆石河子 832003）

实施和测试新的精准农业大数据技术，用于监测、种植和收获，将有助于物联网技术的采用。未来通过有针对性的精准农业物联网研究开发，将能够在生产和加工的各个阶段控制农产品的污染，创造可持续和健康的农产品生产和运输环境。重点研究了物联网算法分析设计与精准农业大数据技术的应用，以及两种技术结合产生的效益。将农业物联网与农业大数据技术应用于农业工程，对增加农产品产量、培养相关高层次人才、改善农产品质量具有重要意义。

农业物联网；无线传感器网络技术；精准农业大数据技术；水肥一体化

1 国内外研究现状

中国是农业大国，粮食产量居全球首位，但随着单位面积产量的增加，水资源短缺和过量施肥现象也日益严重。如何通过以物联网技术为代表的信息技术完成农情监测，对不断上升的灾害频率做到可防可控，是当前的研究热点之一。

随着全球变暖效应的逐步加强，极端天气对农业的影响也在逐年上升，各种自然灾害的发生频率在加快，将在一定程度上影响农产品的产量。为了应对这种变化，需要加强农业基础设施，特别是加强以传感器为代表的监测设施建设。除了极端天气的影响，中国农田的旱情、涝情及虫害频发，如何借助现代的农业信息化技术，准确预测相关灾情，并提供相应的解决方案，也是当前农业信息化的研究重点。

2 物联网技术与无线传感器网络技术

物联网技术是20世纪的一种新兴技术，它在工程领域有着广泛的应用。互联网在使人类用户之间连接和通信方面发挥了至关重要的作用，而物联网使车辆、建筑物、电子设备、传感器、执行器等物理设备能够通过技术和数据流进行通信和协调决策。物联网是一种基于嵌入式技术的物理对象网络，具有相互通信和感知、监控内部状态或外部环境的能力。它通过智能传感器节点相互连接，不需要人为干预即能完成感知和通信的任务。物联网已经在农业、汽车工业、交通、医院等各个领域得到了广泛的应用，并被认为是未来互联网的一部分。近年来，物联网技术在许多领域得到了发展，目前物联网的发展主要集中在集成物联网、云计算和如何设计有效的执行器上。

无线传感器网络由于价格低廉、部署范围广、电池供电、功耗低等优点，得到了广泛的应用。

无线传感器网络由大量的传感器节点组成，包括传感、处理、传输、执行器、定位系统和功率单元。这些节点通常密集地部署在需要监测信息的地方。在某些情况下，例如通过飞机撒布传感器时，传感器节点的位置不需要设计或预先确定。传感器节点相互协调，进行数据融合后，可以收集到关于物理环境或参数的高质量信息。这些分散的传感器节点中的每一个都能够收集环境或作物数据，并将数据路由到其他传感器或回传到外部基站。

3 物联网与精准农业大数据技术

农业大数据技术的核心之一即通过物联网技术收集作物及周围环境的温度、湿度、光照、土壤墒情等信息，并对这些信息进行加工处理，根据信息处理结果对作物进行相应的管理。在设施农业中，利用传感器进行作物环境调节的例子很常见。例如，当传感器感知到作物缺乏水分时，可以通过定量滴灌的方式为作物补充适当的水分；当感知到作物缺乏肥料时，也可以通过滴灌方式补充水溶性肥料；当作物所处环境温度不适当时，可通过大棚通风来降低温度或通过电加热提升大棚内温度。在采用物联网技术改善作物生长环境时，需要综合考虑系统的投入和产出效果，使对作物生长环境的控制达到最佳的同时，付出较少的设备投入。综上所述，大数据和物联网技术已成为当前农业发展的重要技术之一，具有显著的优势。

物联网技术将创新粮食、水果和蔬菜的储存和运输方式，并减少害虫造成的损失，降低土壤退化、缺水、生态系统恶化以及恶劣天气模式对作物的影响。借助物联网技术可以开发更好的检测技术，以检测不同土壤中的氮、磷、钾等元素含量。基站可以将传感器网络连接到现有的通信基础设施或直接将数据传到互联网上，从而彻底改变传统农业领域的数据收集方式，并进一步支持未来的全自动化农业系统。未来的全自动化农业系统需要对环境条件进行精准感知，并将原始数据快速传送到本地或远程服务器。

物联网系统还包含执行器。为了更有效地管理现代农场，网络中会设置一些基本控制功能，例如打开关闭阀和闸门，打开和关闭灯、水泵和加热器等。随着农业自动化技术的发展，越来越多的执行器被用于植物的不同生长周期。部分执行器有定位需求，因此中心支点灌溉系统和农用车通常需要被精准定位。此外，系统还需要确定部分大型牲畜和工人的位置，以确保其安全或性能。

土壤墒情传感器和执行器是精准农业物联网的重要组成部分。有效和可靠的土壤水分传感和灌溉管理技术主要依靠地下传感和通信技术的进步。一般来说，土壤墒情传感器和执行器需要人工安装和移除，且需要具有长期传感能力。此外，为了提高产量，还需要将精准农业数据分析、现场和遥感方面的技术纳入整个工作系统。开发和应用新型传感和通信技术，节约水资源并提高作物产量，是未来需要进行技术创新的一个重要领域。在土壤测量中，缺乏长期的、大规模的土壤测量是一个主要的问题。目前科学家们正在开发针对不同类型土壤的大规模农田中使用的传感器系统，该系统能够测量土壤物理、化学和生物特性。利用这些有线和无线技术以及传感解决方案，可以构建大规模的精准农业物联网，建立土壤类型和水分相关数据库。系统通过网络收集回传数据，并进行数据挖掘以进行灌溉和施肥决策。类似的系统需要研发人员掌握多个领域的专业知识，包括工程和技术、农学、环境传感和监测、土壤肥力、昆虫学、数据挖掘、机器学习和机器人技术。在技术、传感和通信方面应用最新的创新，将大大改进精准农业技术和管理方式。

在一些发达国家和地区，农业工业、政府机构和种植者对计算机和信息技术的技能和创新有着极其迫切的需求，对计算机和信息技术教育以及研究机构的投入不断增加，近年来相关研发投入呈爆炸式增长。美国劳工部劳工统计局预测，由于物联网、大数据分析、云计算和网络安全，到2024年，美国计算机和信息技术和农业工程的结合领域的就业机会将增加12%。精准农业是信息技术和农业工程的结合的主要的研究驱动力之一，也是重要的创新领域。精准农业模式下，新的商业模式、服务、市场和技术进步的出现将有助于经济增长。然而，目前农场缺乏高技术水平从业人员是采用精准农业的主要挑战之一。阻碍精准农业采用的其他因素包括成本、投资回报和缺乏精准农业大数据分析。

有数据表明，到2025年，预计将有116亿台设备接入物联网。这一数字超过了世界预计人口。这些设备的数据资源将带来11万亿美元的经济价值。精准农业领域需要创新。目前，农业工程正从以拖拉机、播种机、联合收割机、收割机为代表的时代过渡到以计算机和信息技术为代表的精准农业和数字农业时代。物联网将成为现代农场每一件设备的组成部分，农场从业者通常会使用功能强大的计算机与云端相连，从物联网传回的农业数据和信息无处不在，并通过越来越复杂的接口进行通信。在大型精准农业农场，每天将产生数十亿条数据。几乎每一个农业领域都将受到计算机技术进步的深刻影响。这些系统能够利用大量快速增长的数据和信息资源，应用先进的分析技术来提取信息和理解模式，并以高度动态的方式达成智能解决方案。

4 总结

随着物联网技术的不断发展，物联网逐渐应用到了农业的方方面面，为当代农业发展提供了重要支撑。随着信息时代和大数据时代的到来，物联网将成为未来农业发展的代表性技术之一。本文概述了物联网与大数据技术在精准农业方面的应用，并综述了两种技术相结合对农业产生的效益，期望为相关技术人员在培养农业工程高层次人才、实施相关项目改善农产品质量时提供参考。

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