基于物联网架构的智慧农业及其关键技术分析

刘国杰

（山东省聊城市农业农村局 农村改革和农业农村经济服务中心，山东 聊城 252000）

智慧农业是智慧经济形态在农业中的具体表现，也是智慧经济的重要组成部分，在消除贫困、发展经济等方面均起着重要的作用。智慧农业是农业生产管理与现代科学技术的有效结合，能够实现农业生产的自动化、智能化、无人化。物联网是发展智慧农业的关键技术，通过技术设备的应用，将农业生产中的各种要素有效连接，实现智能化识别、跟踪、操控。

1 基于物联网架构的智慧农业及关键技术

1.1 体系架构

物联网的体系架构主要分为感知层、网络层、应用层。感知层主要由各种传感器和传感器网关组成，能够采集识别各种信息，相当于人体的皮肤和五官，而信息采集是物联网应用的基础，所以，感知层位于三层架构组织的最底层。网络层的主要作用是信息传递和处理，包括互联网、计算机平台、信息处理中心、网络管理中心等，相当于大脑中枢的角色。应用层的主要任务是信息的处理和决策，比如，现代农业，城市管理，公共安全，工业监测，智能家居，等等，通过数据挖掘，找到有价值的信息，并得以有效利用，实现用户与设备的交互，达到智能化应用的目的。

1.2 典型应用

1.2.1 环境监测

基于物联网架构的智慧农业能够实现对生产环境的精确调控，实现增产增收的效果，现阶段已经形成了许多研究成果，比如，以GPS技术、WSNs技术、太阳能发电技术为核心构建的大地环境监测系统，能够对土壤墒情、温度湿度、二氧化碳浓度等相关指标进行监测，实时感知农作物的生长环境。利用高精度土壤温湿度传感器、智能气象站，构建土壤墒情监测系统，能够为抗旱减灾、灌溉节水提供科学决策。下面将以某农田土壤墒情监测系统为例展开探讨，系统设计分为硬件平台和软件平台两部分组成，硬件平台主要包括路由器、交换机、传感器等设备设施，负责现场数据采集、发送等工作，软件平台分为五大模块，包括数据采集、信息传输、数据接收和存储、数据分析挖掘、远程监控管理。其中，数据采集和发送模块主要利用了无线传感器网络，将采集到的地下水位、土壤含水量、土壤pH值、降雨量等相关信息发送至远程监控中心，为了保证数据传输的稳定性和可靠性，可以采用ADSL、无线节点、移动通信网等多种技术。数据接收分析模块能够对数据进行分析处理，形成土壤墒情报告，通过趋势分析评估，能够得到科学的农事调控建议，并且根据产量预测调整市场行为。数据监控管理模块的主要功能包括可视化分析平台、应用决策分析、远程监控管理等，可以对相关数据进行查询，并以直观的形式展示出来，而且能够实现数据的跨平台调用，提高数据使用效率[1]。

1.2.2 食品安全

食品安全一直是关系到国计民生的重大问题，既制约着农业经济的发展质量，又关联着广大民众的生命安全问题。食品安全问题之所以难以解决，一方面，从生产到消费存在诸多环节，难以实现全面的信息管理，另一方面，管理部门之间衔接不够紧密，容易形成模糊地带，产生监管漏洞。智慧农业的出现为解决食品安全问题提供了新的思路和手段，通过从生产端到消费端全过程信息跟踪，可以实现安全溯源的目的，世界许多发达国家都积极构建了农产品溯源系统，比如美国农产品溯源系统、日本食品溯源系统、欧洲牛肉溯源系统、澳大利亚禽畜溯源系统等。

下面以某肉类溯源系统为例展开探讨。根据我国的市场行为和监管体系，可以将肉类食品安全管理分为农场养殖、生产加工、市场流通、餐饮消费几个主要环节，所以，溯源系统的建设也应该着重从这四个方面着手，通过网络连接实现数据传输和共享。

在基于物联网架构的肉类安全溯源系统可以分为政府联合监管系统和供应链用户业务管理系统两大部分，前者涵盖了农业、工商、卫生、质量监督等相关职能部门，不同部门之间可以通过系统平台进行组织协调，从而达到联合监管的目的。后者囊括了从生产到消费整个产业链参与者的信息管理。从系统架构看，我们可以通过信息感知和采集，利用RFID技术，将基因、饲料、用药、防疫等相关信息进行采集和上传，建立完整的养殖档案，在后续的屠宰、批发、零售等环节，均需要识别核对上游信息、补充完善本环节信息，这样就可以形成完整的溯源信息链。通过对数据的分析和处理，根据实际需求，建立一定范围内的数据处理中心和监管平台，实现行业管理信息的统筹协调，不同用户根据权限分配可以进行查询、举报、监督等操作，达到全方位的信息溯源效果。除了食品安全监管，政府相关部门还可以根据数据分析预测市场价格波动，采取更为及时有效的宏观调控措施，保证市场供应的稳定性[2]。

1.2.3 智能农机和智慧物流

机械设备在现代农业生产中占据着重要的地位，智慧农业的发展推动了农机智能化进程，有利于优化农机资源配置，实现农机操作自动化管理。利用GIS、GPS、GPRS等技术，构建农机监控调度系统，能够远程采集农机信息，实现实时操控。开发基于机械视角的农业机器人自动导航系统，可以相对准确地判断农作物位置，实现更为精确的田间作业管理。将物联网架构引入智能农机，建设农机车载智能终端或者远程服务平台，能够在农忙时节提供更为全面、精准、迅捷的农机服务信息，提高农机利用率，提升农业生产的综合效益。许多农产品的保质期比较短，对物流仓储要求比较高，物联网在该领域具有广阔的应用前景，通过RFID、计算机网络、GPS、红外视频监控等多种技术的应用，实现出入库、盘点、配送等环节的智能化控制，有效识别人和物的身份信息，提升管理水平和服务质量，降低综合成本。

1.3 关键技术

1.3.1 信息感知技术

从物联网体系架构可以看出，信息感知是智慧农业的基础，只有掌握了农田、种植物、基础设施等方面的数据信息，才能实现有效利用以及智能控制，信息感知技术涵盖了传感器技术、RFID技术、坐标定位技术等多个方面。通过部署大量传感器，能够进行物体识别和信息采集，现阶段，应用较为广泛的传感器包括生物传感器、物性型传感器、微机电传感器，每种传感器都有一定的技术特点和应用优势，需要根据实际情况合理选择。比如，光学传感器适用于叶绿素含量测定、土壤检测等方面；电学传感器适用于温湿度监测、土壤商情监测等方面；RFID即射频识别技术，能够通过无线信号识别和感知物体，具有扫描速度快、存储容量高、可重复性好、安全性高、抗污染等诸多优点，能够满足农业物联网的规模化识别需求，在农作物生长、农产品流通、食品安全监管等方面都发挥着重要的作用。坐标定位技术充分利用了卫星定位系统，具有高动态性、高精确度等优点，在智慧农业中同样发挥着积极的作用[3]。

1.3.2 信息传输技术

基于物联网架构智慧农业的信息传输技术主要包括无线传输技术、光纤通信技术、组网技术、交换技术等。其中，无线传输技术又可以分为无线局域网传输和无线移动传输，随着5G移动通信技术的加快推进，将能够实现更高效的信息传输；光纤通信技术可以最大程度地满足数据传输的实时、准确要求，能够为智慧农业提供高性能的网络环境；组网技术可以分为ATM局域网组网络技术和以太网组网技术。相对而言，以太网组网技术在我国应用更为广泛，具有简便灵活的优点，能够利用多种物理介质，采用不同拓扑结构；交换技术主要指的是软交换技术，能够有效解决传统通信业务和新型多媒体业务的相关问题，实现网络资源的优化配置。在智慧农业中，需要根据具体的农业项目选择合适的信息传输技术；面对多类型数据并存的情况，目的是着力提高数据整合、传输效率。

1.3.3 信息处理技术

智慧农业信息处理具有数据类型多、节点异构性等特点，为了实现预测预警、智能决策、智能控制等功能，必须充分利用智能处理技术，对获取到的各种数据进行存储、处理、计算、分析。智慧农业信息处理技术主要有数据挖掘、云计算、模糊识别、智能技术等，其中，数据挖掘与系统分析技术又包括数据挖掘、数据仓库技术、决策支持、联机分析处理等，需要从海量的农业数据中挖掘出有价值的信息，云计算技术主要包括编程模型、数据管理、数据存储、平台管理技术、虚拟化技术等，能够为用户提供便捷的网络访问，保证海量数据的存储、处理、计算效率，智能技术主要包括智能信号处理、智能控制、人机交互技术、虚拟现实技术等，能够实现信息处理的自动化和智能化，为用户提供更好的服务体验[4]。

1.3.4 信息安全技术

农业物联网具有匿名性、开放性等特点，在提供操作便利的同时，也存在着一定的隐患，影响着系统运行安全性、稳定性、可靠性。所以，必须做好信息安全管理，加强物联网信息安全技术的研究和应用，基于物联网架构的智慧农业安全隐患主要集中在物联网业务安全、RFID系统安全、核心网络传输与信息安全、黑客入侵，等等。虽然物联网是互联网的拓展和延伸，在安全管理上能够借鉴互联网的部分安全机制，但是，由于物联网具有一定的特殊性，需要根据实际情况，不断完善认证机制、加密机制，以实现保护用户隐私、维护系统稳定的目的。

2 基于物联网架构的智慧农业存在的主要问题及解决对策

2.1 问题分析

基于物联网架构的智慧农业发展必须制定规范合理的技术标准，否则难以实现真正的产业化，以RFID技术为例，由于缺乏统一标准，在农产品安全溯源时，很容易出现信息无法读写、查询、回溯等问题，导致关键环节无法完成信息溯源。智慧农业正处于高速发展的阶段，许多技术标准的制定速度跟不上，难以使物联网技术在现代农业中实现高效、持续的应用，而且我国的智慧农业发展缺乏整体规划和核心技术，许多关键技术和设备仍依赖国外进口，不但增加了技术匹配的难度，而且提高了智慧农业的建设成本，对于大多数农户而言是不可承受的，难以形成规模效益。另外，在智慧农业建设中，还存在着基础设施落后、农户认识水平不高、技术能力不够等问题，难以达到预想的效果，这些问题都制约着智慧农业的发展质量和效率[5]。

2.2 对策探讨

发展智慧农业涉及到标准、技术、管理、规划、安全、协调等多方面的问题，需要多方主体积极参与，共同推动问题的解决。在国家层面，加强相关法律法规的完善，保护科研成果，防止不法侵害，同时，加快物联网标准体系的建设，完善相关应用标准，掌握市场发展的主动权，通过政策指引，鼓励互联网产业的发展，形成具有创新性和规模性的产业集群，做好整体规划，避免出现无序竞争和重复建设，加强对科研机构、重点企业、广大农户的扶持力度，出台相关惠农政策，解决农业物联网建设初期的成本问题。在科研层面，联合科研机构、各大高校、相关企业开展科研攻关，通过“引进来”和“走出去”，促进人才资源流动，提高自主研发能力，根据我国的基本国情，充分考虑农民的接受能力，打造适应于现代农村的智慧农业。在企业层面，增强自主研发能力和创新能力，积极与各相关方进行沟通交流，推动物联网的农业产业化应用，推出更加安全、便捷、低廉的产品，让农户逐步感受到智慧农业的优越性，促进生产、物流、销售全产业链的信息化发展[6]。

综上所述，本文着重研究了基于物联网架构的智慧农业及其关键技术，并分析了智慧农业发展面临的主要问题和应对策略，希望能够起到积极的现实意义，充分发挥物联网技术的优越性，突破关键技术瓶颈，加快智慧农业系统的开发应用，促进农业的转型升级，实现更高质量的农业生产和管理。