物联网传感器在智慧农业中的应用研究

樊 昕，蹇 念

（1.泰山科学技术研究院，山东 泰安 271000；2.遵义市职业技术学校，贵州 遵义 563000）

因传统农业在一定范围缺乏耦合效应，产业链不够长、不够强，缺乏大循环和协调性，所以在一定程度上存在着低效率、低效益、低效能等情况，生产粗放情况突出。这些现象造成普遍的农业基准数据资源薄弱、数据结构不统一、数据类型不兼容、数据标准化不一致、规范化水平低等。农业的发展经历了漫长的过程，最终迎来了智慧农业的新时代[1]。

1 农业发展的几个重要阶段

1.1 农业1.0

依托自身体力劳动及畜力劳动的农业运营形式。

1.2 农业2.0

即机械化农业，是以机械化生产为主的农业生产运营形式。

1.3 农业3.0

即信息化（自动化）农业，是以现代化信息技能的使用和部分生产工具的自动化、智能化为首要特征的农业生产运营形式。

1.4 农业4.0

农业4.0是融合互联网的高度智能化的种植管理。农业生产技术更青睐于物联网、大数据、云计算等新兴技术的加持，降低自然灾害因素的干扰，突破了传统种植的约束，更体现出智能化、生态化、绿色化的农业生产理念。

人类可以更低的成本、更优化的资源结构、更好的流通环节，从大自然中获取健康的、安全的、可持续的农产品。

2 现状及痛点

在传统农业生产的各个环节，自然环境的温度、湿度、土壤成分、光照情况、小区域气候等因素对农作物生长都有较大影响。传统农业所谓的靠天吃饭，要在很大程度上依赖于自然环境的各种要素。对这些因素的利用要依托人为感知，不确定性太大，农业生产更多地体现出粗放管理的特点，与精细化管理的要求有较大差距。

以传感器与物联网相结合的全方位环境监测控制系统在设施农业中大受欢迎，并迅速推广开来。针对农业大棚管理的现状及痛点，提出智慧农业物联网解决方案[2]。

3 智慧农业与传统农业的区别

3.1 产业链增强变长，形成更为复杂的产业网

智慧农业比传统农业突出之处，在于产业链的增强变长，构成了农业生产前、中、后期环环相扣的产业网，组成了复杂的经济网。先进技术和精密仪器带动了智慧农业的大发展。

3.2 地域特征明显，与当地农业资源关系紧密

社会生产力的高级阶段必然催生优势产业向集聚化、高能化方向发展，向优势农业资源集聚区发展，形成规模化、区域化明显的农产业集群。智慧农业突破了行政区划的约束，依照优势区域有限发展的原则，形成特色作物带和畜牧饲养带，优化配置农业资源。这种优势农产品产业带，以区域优势产业为基础，以农业技术创新为动力，凸显了竞争优势，实现了持续增收增效，形成了规模化经营。

3.3 智慧农业产业链中主导环节发展不均衡

智慧农业产业链中主导环节后移，主要集中在产后环节，产前、产中和产后环节并不均衡发展。

智慧农业催生了农业生产的专业化分工，分工的精细化、专业化提高了农业生产效率。传统农业在全链环中的比重逐步降低，产后的农产品加工、营销企业逐步壮大，利润和产值也向产后加工、营销倾斜。

4 智慧农业方案设计原理

借助精准的农业传感器技术，智慧农业利用数据挖掘、云计算等先进技术进行多维度、多角度的分析，更为精准地计算自然环境对农业的影响，促进了农业的迭代升级。

（1）应用层：环境监测→设备控制→统计分析→自动报警→图表显示。

（2）服务层：统一门户、统一门户管理、数据分析挖掘、环境信息接入、数据网关接入、系统应用管理、环境信息比对、任务管理、系统终端管理。

（3）传输层：节点→GPRS/CDMA模块→网关→服务器→互联网→PC端。

（4）传感层：传感器、WSN、摄像头、GPS、RFID 读取器、基站、手机终端。

5 智慧农业相关系统模块

5.1 大田情况监测系统

5.1.1 土壤墒情监测

精准检测土壤墒情，快速预警生产异常。智慧农业实现了全天候不间断监测土壤墒情，借助于可以远程监测的传感器，实时检测并获取土壤墒情，通过无线网络传输信息。监测服务器实时接收、存储墒情数据并集成到数据库中[3]。

5.1.2 智能虫情监测

远程掌握田间虫情，无公害诱捕杀虫。自动虫情监测系统主要利用现代光、电、远程传输技术、大数据技术建设了害虫实情云上检测及报警模块。该模块实现了虫情信息捕获、环境数据采集和传递、数据分析等功能，达到了害虫信息分类统计、远程监控、实时传递、虫情预警和防治结合的智能化、集约化。该系统性能稳定、操作灵活，在农牧业、林草叶、蔬菜、果园、城镇绿化等领域可广泛应用。

5.1.3 智能孢子监测

利用现代高新技术，对病菌孢子进行连续动态监测。智能孢子监测系统常态化集成了数字图像处理和人工智能辨识、电子显微镜、智能数据分析等高科技手段，融合了自动捕获、识别、统计、存储病菌孢子技术，实现了实时连续动态监测病菌孢子，可有效提升作物病害防治技术水准。

5.1.4 灾情、苗情监测

720度高清摄像，突发情况可自动转向紧急录像。通过对农田进行物联网传感器布局，对整个农种过程中的播种、施肥、采摘、包装等各个环节进行视频监控，树立标准化作业标准。同时通过远程环境监控能够方便管理人员对作物生长状况远程在线监控，质量监督检验检疫部门、上级主管部门对生产过程的有效监督和及时干预，以及信息技术管理人员对现场数据信息和图像信息的获取、备份和分析处理，视频监控系统也为以后利用获取生物信息提供了必要的基础条件。

5.1.5 气象环境监测

农场气象实时监测，极端气象及时预报。监测要素：空气温度、空气湿度、紫外线强度、太阳总辐射、风速、风向、风力、降雨，以及虫情监测捕捉。

农业环境监测，通过现场的气象设备，可以实时地对农场进行监测。提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业。

智能传感设备有太阳能辐射罩、百叶箱、小型气象站。

5.2 视频监控与联动系统

联动控制系统：灌溉、风机、卷帘、增温、水阀。

农田视频监控：系统中信号传输系统主要包括电源信号的传输、视频信号的传输和控制信号的传输线路三部分。项目建设中，根据施工现场的实际情况，使用无线传输的方案来建设信号传输系统。

水肥一体机联动系统：土壤水分传感器、光照传感器、空气温湿度传感器以及自动化喷淋设备共同作用于温室大棚。

智慧农业云平台将土壤温湿度、土壤pH值等数据实时传输到手机APP端、PC端或大屏幕端。

云平台将视频监控系统进行整合，使管理人员可以对生产区域进行生产实时监控、消费者可以通过远程访问视频系统，为管理人员和消费者提供查看和监管基地生产环境的平台，可以进行园区基础信息查询、生产区环境视频监控，联动农用基地内水肥一体机进行工作。

大棚卷帘联动系统：联动系统集成了温湿度传感器、二氧化碳传感器、光合有效辐射、光照度传感器、土壤水分传感器、土壤EC传感器、联动喷淋灌溉、土壤PH传感器以及联动风机，操控联动卷帘设备，科学协同互动。

远程控制可以通过鼠标操作切换大屏幕上的监控画面和控制本机上的高速球旋转、放大等。数字矩阵主要是对电视墙上监视器里的监控图像进行切换，可设置监控图像在监视器里自由切换、程序切换、定时切换等操作。

5.3 智慧农业中心展台

智慧农业中心展台的发展经历了三个阶段：自动阶段、智能阶段和智慧阶段。自动阶段主要体现在先进设备方面，智能阶段体现在功能软件方面，智慧阶段体现在综合系统方面。

通过数据集中收集展示到平台上，方便各级工作的实施，同时可实现集中化管理，及农产品溯源应用功能，保证从源头进行控制，增强标准化工作实施。在世界上任何角落，只要接入互联网，就可以实时了解大棚试验田温湿度情况和作物生长情况。当温度超过设定的警戒线，系统自动报警，通过智能手机实时观察大棚情况。实时采集大棚温湿度，通过GPRS传入网络服务器。系统可以通过以太网声像机监控农场实时情况[4]。

监控大屏功能：实现对园区农业实时环境数据、病虫害数据、苗情数据的可视化展示，智能设施的远程查看和管理。通过平台设定环境数据预警值，系统自动预警，生成预警事件，通过手机短信及网页报警提示管理人员或工作人员进行管理和控制。同时可以将园区空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度等环境监测数据以及环境预警事件信息以图表形式或曲线图形式形成统计报表，供管理人员作出适当的作物生长管理、分析与决策。

5.4 智慧溯源系统

通过信息化系统结合区块链技术实现生产过程的精细管理。为农业生产者实现农事作业的栽植、灌溉、施肥、施药、收获等全程农事作业过程的记录与管理服务。

5.4.1 农产业溯源系统的管理

农业生产标准化管理环节有：种植批次→整地→播种→浇水→除草→施肥→喷药→其他操作→采收→清茬等。

农产品溯源系统可以实现防伪认证、溯源查询、产品防篡改、数据分析以及功能定制，是整个智慧农业系统的重要功能，贯穿农产品基地、种养、采收、储运、销售的各个环节。它又延伸出相应的子系统，各子系统为智慧农业的某一模块服务并将数据通过接口自动发送给追溯平台，在追溯平台上进行展现。农产品溯源全流程环节涉及种子信息、种植信息、检验信息、包装信息、冷链运输信息、消费者终端等，实现了企业追溯、用户查询和政府监督，是从消费到市场流通，以及种植信息的全流程追溯。

5.4.2 溯源系统的意义

随着人们生活水平的提高，农产品的质量安全也越来越重要，农产品质量安全问题不仅关系到公众的身体健康，而且对农业发展、农民增收、农业贸易和农业现代化建设具有重大影响，成为新时期我国农产品生产和供给急需解决的一个重要课题。要达到提高农产品优质生产和消费安全目标，就要解决和实现对农产品“从田间到餐桌”的全过程质量监控，治本之策是要建立完善的农产品质量安全体系。

溯源系统的功能：针对销售流程进行溯源管理，实现农作物的收获入库、销售出库以及客户资源信息的收集，为生产企业提供便捷的经营操作方式，后期结合农产品市场监测及销售情况分析，还能辅助生产企业作出更为精准科学的产供销策略。

5.5 特色功能

共享农机管理平台：利用在车联网各个领域丰富多彩的技术功能和工作经验沉淀，根据物联网技术的优势特点，打造农机共享网络平台。

专家问答与专家库系统：基于农业信息分散在农业各个不同部门的现状，通过建设农业信息综合服务平台农业文库，实现畜牧、种植、农机、科教等农业办公文档信息的汇聚、分享和展示，解决了农业现有系统中，各类信息系统相对独立，信息分散、汇总能力弱等问题。专家管理：注册→审核→认证。

农业知识库：建立农业生产知识库，内容由专家制定，可实时更新，方便农业工作者随时学习。

网上资讯：农业工作者通过网络使用，通过平台建立农户与专家的实时对接，解决农户的问题。

远程诊断：专家使用，通过平台建立农户与专家的实时对接，实时进行诊断。

信息发布：农业工作者与专家使用，专家实时发布相关农业信息，可实时更新，方便农业工作者获取最新资讯。

诊断资源库管理：对农作物的生理特征、病害特征、虫害特征进行有效管理和归类汇总，方便农户远程参考查看。

留言系统：专家不在线时，农业工作者通过留言系统对专家进行留言，以便专家上线后查看并反馈。

评价与反馈：农户可通过平台对专家进行评价反馈。

智慧农业电商系统：专注于农产品及涉农产品的垂直性电商平台，针对性强，专业服务于各类农业生产商、批发商及上下游供货商，减少供需失调的风险，能够广泛地根据市场需求进行农作物的调整。

6 结束语

虽然物联网及传感器在农业中的应用还面临着巨大的挑战，但随着技术的不断发展，在不远的将来，智慧农业普及程度会更加广泛，农产品的生产方式和消费方式也会发生巨大的改变，以适应未来社会对农业的需要。