物联网算法分析及设计在农业工程中的应用＊

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）

物联网技术使一切变得智能化，为普通人的生活带来了改变。智能农业物联网设备的开发不仅能够提高农业生产效率，而且还具有降低生产成本和减少资源浪费的优势。农业物联网正日益改变着农业生产的面貌。物联网能够帮助农民获取实时数据以进行有效的环境监测，降低农场的人力成本并提高农作物的整体产量和质量。将物联网算法分析及设计技术应用于智能农业，并培养相应的农业工程高层次人才，对中国的农业工程来说具有重要意义。

农业物联网；水肥一体化；环境监测；智能健康设备

1 物联网技术的含义

物联网是一种连接全球数万亿台设备的全球通信网络，可以在不同系统间实现信息共享。研究人员预计到2025年，将有上百亿个基于物联网的设备在全球范围内连接。物联网被定义为具有自配置功能的动态全球网络，该网络的基础架构基于标准和可互操作的通信协议。物联网设备具有各种接口，接口可用于连接到其他有线或无线设备。物联网设备拥有的接口通常包括：传感器接口、互联网的接口、存储接口、音频/视频接口等。物联网设备的形式是多种多样的，包括可穿戴式传感器、智能手表、智能家居监控、智能交通系统、智能健康设备等。物联网中的设备具有物理属性和虚拟属性，通过使用智能接口，设备能够无缝集成到信息网络中，并在设备间传送用户及与环境关联的数据。

物联网发展过程中涉及到许多问题，比如物联网的制造、标准、协议、通信传感器和接口等。物联网被定义为唯一可识别的连接对象，能够使用射频识别技术交换信息和信号。随着物联网技术的发展，这项技术不仅在硬件方面，而且在软件层面上扩展了它的范围。

物联网涉及的技术包括无线传感器网络、云计算、大数据、嵌入式系统、安全协议和体系结构、通信协议、Web服务，嵌入式系统等。无线传感器网络由各种传感器组成，这些传感器集成在一起以收集各种数据。云计算也称为按需计算，是一种基于因特网的计算，可根据需要向计算机和其他设备提供共享的处理资源和数据。大数据技术即构建和挖掘包含各种形式的数据类型的大型数据集的过程。大数据技术还能够发现数据中的隐藏模式、未知关联、市场趋势、客户偏好和其他有用的业务信息。通信协议构成了物联网通信系统的骨干，实现了连接和与应用程序的耦合。通信协议有助于通过数据交换格式，数据编码和寻址来通过网络交换数据。嵌入式系统是一种计算机系统，由硬件和软件组成，可以执行特定的任务。它包括微处理器、微控制器、内存、网络组件、输入输出单元和存储设备。

2 物联网在不同领域中的应用

物联网在现代无线通信领域的研究中有着重要地位，这项技术正在普及到各行各业。随着物联网在工业、家庭和智能城市等各个领域的应用，其巨大的潜力被认为可以使许多行业变得智能化。自诞生之日起至今，物联网的应用领域已经发生了变化。从普通用户的角度来看，物联网为未来的智能生活，信息化医疗服务，自动化工业及智能教育等各种产品的开发奠定了基础。从商业的角度来看，如今的物联网已用于商业管理、智能制造、智能交通和智能农业。部分世界知名公司每天都在进行基于物联网的研究，并且定期发布新产品以使人类的活动更智能。

3 物联网在农业方面的应用

物联网应用的主要领域之一是农业，而农业部门被认为是确保粮食安全的关键部门。传统的农业信息化技术已经解决了一些农业方面的问题，但不足以帮助农业实现高效生产。近年来，物联网技术成为了农业信息技术新的研究热点。随着智能农业概念的提出，农业部门也正在采用物联网技术。这些技术进步导致了农业物联网这个概念的诞生。农业物联网能够帮助农民更有效地提高产量。有研究表明，智能农业的未来发展将基于物联网。农业生产中许多环节将会用到物联网技术，包括土壤和植物监测，湿度和温度等环境监测，运输，供应链管理，基础设施管理，控制系统管理，动物监测，病虫害防治等。基于物联网的农业融合技术将在质量和增产方面为农业领域创造高价值，并以降低劳动力需求的方式，减轻农民的负担。

物联网在农业方面应用广泛，常见的领域包括食品供应链和种植业。目前，物联网在农业和食品领域的应用仍处于起步阶段。物联网技术能够帮助农场从业人员更好感知和监测农业生产，包括农场资源利用，作物生长，动物行为和食品加工等。物联网技术还能够帮助农场从业人员更好地了解周围的环境参数，例如天气和环境条件、有害生物、杂草和农作物疾病等。

物联网的执行器可以对农场、加工和物流操作进行更复杂和远程的控制，例如农药和肥料的精确施用、使用机器人自动除草和监测病虫害、通过远程控制货运和产品的位置、改善食品质量、保证农产品的监控和可追溯性等。目前，物联网在农业方面的应用范围仍然非常有限。物联网在农业中的应用是一种全新的农业概念，农场从业者必须首先预先估计作物的需求和整体收益，再以合理的预算布设相关设备。

4 物联网与智能农业

如今，物联网在将传统农业转型到智能农业的过程中发挥着至关重要的作用。农业物联网系统能够完成农作物害虫识别、空气湿度变化等。具有一定智能化程度的物联网系统能够进一步进行决策，并通过执行器对农场设备进行控制，完成灌溉、施肥和病虫害防治任务。

物联网在农业工程领域的应用优势如下：①物联网能够轻松收集和管理从传感器收集的大量数据。物联网集成了农业领域的电子地图、云存储等云计算服务，可以借助互联网随时随地访问数据，从而实现作物的实时监控，并在相关设备之间建立端到端连接。②物联网被认为是智能农业的关键组成部分，因为物联网具有精确的传感器和智能设备。专家预计，到2030年，借助物联网技术农民可以将粮食产量提高30%。③借助物联网生产农产品可以降低农业生产的人力成本，提高农民的获利能力和土地生产可持续性。此外，物联网将有效提升土壤、水、肥料、农药等资源的利用效率，进一步保护生态环境。

借助全球定位系统和智能传感器在农业领域产生的数据，以及智能农业设备与大数据分析的集成，农场从业人员将能够提高农作物的产量并更加有效地利用水资源，并减少过量施肥等各种资源浪费。例如，使农民能够以足够低的成本获得土壤湿度、环境温度的实时数据，从而可以实时监控各物联网节点。物联网设备还可以直接或间接与其他连接的设备和应用程序进行实时数据交换，或者从其他设备收集数据并处理数据并将其发送到服务器。

另外，农场的高速互联网连接是物联网智能农业的基础条件之一。价格合理的可靠互联网连接将提高智能农业技术的适用性，也有利于物联网的数据采集和数据分析。物联网通过互联网与云服务器高速宽带连接，可以满足新型智能农业应用的流量需求。尽管部署农村宽带网络的成本较高，但随着技术的进一步发展，互联网服务提供商在农村地区普遍采用智能农业的条件下将获得丰厚的投资回报。

智能农业培训需要创新。培训项目的开发和实施将有助于加强研究人员的技术专长，以学会处理智能农业大数据分析所需的技能。

5 总结

传统农业存在诸多的问题，而基于物联网的智能农业将是未来农业工程的发展趋势。本文分析了将物联网技术应用于智能农业的意义。为了在中国推广实施智能农业，大学和科研院所等研发机构应进一步开发和完善基于农业物联网的产品，培养掌握物联网算法分析及设计的高层次人才，并建立相应的培训计划，让农业从业者对智能农业和物联网技术更加了解，以便进行相关技术的推广。

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