传感网技术在智慧农业中的应用浅析

2020-11-18高卫勇

南方农业·上旬 2020年10期

高卫勇

摘要随着信息及互联网技术的发展，智慧农业成为我国农业的发展趋势。传感器网络技术作为物联网的关键技术，其应用已经日益成熟与广泛。结合智慧农业的内涵，介绍了传感器技术、微处理器技术、有线通信技术、无线通信网络及云平台数据管理技术等传感网的关键技术，并综述了传感网技术在农业感知、农业生产、农业监管、农产品流通及销售等方面的应用情况。

关键词智慧农业;传感网;物联网;关键技术

中图分类号：TN711.1 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.28.023

国家“十三五”规划指出要健全现代农业科技创新推广体系，加快推进农业机械化，加强农业与信息技术融合，发展智慧农业，提高农业生产力水平。智慧农业成为我国农业的发展趋势，智慧农业的概念是由电脑农业、精准农业（精细农业）、数字农业、智能农业等名词演化而来，智慧农业与现代生物技术、种植技术等高新技术融合于一体，对建设世界水平农业具有重要意义。具体来讲，智慧农业是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，完成了信息支持、大田信息采集、生产数据搜集等各个环节的连接，实现了农业生产智能控制[1]。本文结合物联网技术中的传感网技术的发展现状，阐述分析了传感网技术在智慧农业中的应用。

1 传感网的关键技术

传感网技术是物联网技术的关键技术，实现了检测对象的信息化，并实现物与物之间相互连接，进行信息交换与传输[2]。传感网具有以下特点：通常节点数量多，能够适应复杂多变的环境;节点部署分部随机，节点具有能量存储功能或者能够自充能功能，节点能耗低;节点组网灵活，形式多样，可自组网。传感网技术包含传感器技术、微处理器技术、设备节点组网通信技术，云平台数据管理技术等。其中设备节点组网通信一般分为有线与无线两种方式，可以根据具体应用场景选取。

1.1 传感器技术

作为现代社会信息技术的三大支柱之一，传感器技术的普及程度成为信息化、自动化、智能化的重要标志。传感器数据采集分为模拟量、数字量与开关量数据采集，光照度、气体浓度传感器为模拟量采集传感器，温湿度传感器为数字量传感器[3]，红外信号及声音信号传感器可采用开关量数据采集形式。目前，传感器通常与微处理器相结合构成自动化节点设备，传感器的性能与质量对节点设备的优劣有着重要影响，甚至起着决定性作用。

1.2 微处理器技术

微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点，微处理器一般作为传感网节点的控制核心，实现特定的应用功能。微处理器大致可以分为3类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。目前，可用于传感网技术开发的微处理器种类较多，有意法半导体的STM32微处理器系列，面向工控和终端类应用的龙芯2号等[4]。

1.3 有线通信方式

通常有RS485总线通信及CAN总线通信网络，RS485与CAN总线通信均为差分通信，抗干扰能力强，RS485网络为主从式网络，CAN网络为多主式网络，所有节点不分主次，通信方式灵活。有线通信方式起源于工业工作的现场总线，并不局限于RS485与CAN总线通信，目前工业以太网通信技术已经成熟，正在逐步推广及应用。有线通信方式通常用于设备位置相对固定的场所，如温室大棚、检测站等。

1.4 无线通信网络

无线通信包含NB-IoT网络通信、Wi-Fi通信、ZigBee通信、LoRa通信等[5]。NB-IoT网络通信通常基于现有中国移动、中国电信等网络，利用专用模块如NB-IoT模组NB86-G以及公共云平台如OneNet进行开发实现。Wi-Fi通信一般基于专用WIFI芯片构建局部环境网络，通信速率相对较高。ZigBee技术用于节点数量多、随机部署的环境，LoRa通信用于远距离，不需要运营商网络的应用场景，可以部署在NB-IoT网络通信的未覆盖到区域。

1.5 云平台数据管理技术

云平台数据管理技术在传感网中侧重于应用配置方面[6-7]。例如，在云平台上针对特定的传感网项目建立对应的工程，建立工程时需要配置工程名及行业类别，选择传感网项目所对应的传输协议如NB-IoT、Wi-Fi或TCP等，设定监测的传感数据及控制对象等。在云平台可以检测传感网的实时传感数据，可以进行设备远程监控[8]。

2 传感网技术在智慧农业中的应用

2.1 农业感知方面

传统农业的灌溉、施肥、除草、除虫等工作一般都是人为根据经验观察做出的，存在滞后等问题。智慧农业借助传感网向少人化、集成化、自动化发展，通过传感网技术中的传感器可以检测各类生产决策相关的信息。如通过土壤温湿度传感器可以全面监控土壤的墒情;通过气体传感器可以监控空气中气体含量;通过光照传感器可以监控光照情况。利用ZigBee技术发展的农业智能大棚环境监控系统，是传感网技术在智慧农业中的典型应用，此外还有土壤墒情自动监测站等。智慧农业应向大田监控方向发展，如建立大田视频监控系统，大田风力及温湿度、光照度监控站等。目前农业方面传感器需要在易用性、长寿命、低成本方面加以突破。

2.2 农业生产方面

智慧农业生产要走绿色、高效发展道路，在灌溉环节，传统灌溉的方式存在效率低，成本高，水資源利用率低等问题。基于LoRa及NB-IoT通信技术无线智能水肥一体化灌溉系统，能实现对灌溉设备的统一管理和远程控制，可在手机端，电脑端查看灌溉数据和环境信息，具有提高了水资源利用率、避免过度施肥、精准调控、节省人工等特点。在除虫环节，利用传感网技术的太阳能灭虫灯及自动识别虫情测报灯等方法进行绿色除虫，其中自动识别虫情测报灯是一种自动采集虫情和识别病虫害的监测系统，能够实现对病虫的自动识别、自动计数、自动诱杀，同时可将虫情上报，可根据虫情趋势采用无人机撒药等方式[9]。此外，基于传感网技术的农业智能控制系统如自动喷洒系统、自动换气系统等能适用于不同的农业生产场景如温室大棚、家庭农场。集成北斗导航模块或者高精度数字土壤数据开发的高智能传感网节点设备，可以实现更精确的耕地、灌溉与施肥作业控制[10]。

2.3 农业监管方面

国家推行标准化农田建设，划定耕地面积红线的同时还有保证现有耕地的质量，如解决黑土地的退化及土地板结等问题。在传感网技术中，可利用土壤传感器监测土壤pH值、氮磷钾含量、土壤电导率等指标，实现对土壤质量的监控。根据空气质量传感器及视频系统监控农田空气环境，根据土壤墒情检测站、植物长势监测等系统的检测信息进行产量监控，这些传感信息还可以作为基础数据构建局部农田数据库以指导来年生产，为农业部门的生产决策提供科学依据。另一方面，传感网技术集成了温湿度检测、风速等气象信息以及视频监控等信息，有利于三农一体化发展，服务智慧农业的同时，能够促进农村设施建设、农村文明发展。

2.4 农业流通及销售方面

智慧农业中对农产品的加工处理有助于农产品的流通与销售，在传统加工处理环节较为粗放，人力较多，自动化程度低，利用传感网技术可以构建自动化加工处理流水线有利于信息化、提高效率及加工处理质量。此外，可对农产品安全生产全过程溯源，通过运用电子标签或者条形码等形式，记录农产品全生命周期，保证质量;通过农业生产视频系统使过程可视化、信息更加透明化，结合VR实景体验等进一步刺激消费，增加产品的竞争力。

3 小结

作为人口大国，保障粮食安全一直是我国的重要任务。智慧农业是保障粮食安全重要举措，是藏粮于地、藏粮于技的重要体现。传感网技术在农业中的应用，有助力于智慧农业的发展，能够实现完备的信息化基础支撑、实时全面的农业信息感知、广泛全面的互联互通、高效的远程智能控制、精准的决策及公众服务。

参考文献：

[1] 许爱萍.天津智慧农业发展中的主要问题与解决路径[J].世界农业，2017（3）：198-203.

[2] 陈继欣，邓立.传感网应用开发（中级）[M].机械工业出版社，2019.

[3] 李琼，韩雪.温湿度传感器在智慧农业中的应用[J].电脑与电信，2018（10）：6-11.

[4] 徐帅，林宝军，刘迎春，等.基于龙芯宇航级芯片的BSP开发和移植[J].计算机工程与科学，2020（4）：571-579.

[5] 刘婷宜，黄海峰.中国电信发力NB-IoT智慧消防推动物联网大规模商用[J].通信世界，2018（16）：10.

[6] 杨鹏飞，杨瑞娟.农业物联网、大数据、云平台管理技术在农业中的应用[J].农业开发与装备，2019（2）：41.

[7] 管孝锋，陆林峰，吴晓柯.浙江省智慧农业云平台建设及应用[J].浙江农业科学， 2020（3）：595-59，601.

[8] 王雪.智慧农业远程监控系统设计[J].农业与技術，2019（8）：29-30，146.

[9] 李凯亮，舒磊，黄凯，等.太阳能杀虫灯物联网研究现状与展望[J].智慧农业， 2019（3）：13-28.