农业物联网的发展及关键技术应用进展秦怀斌1，2，李道亮2，郭理1（1．石河子大学信息科学与技术学院，新疆石河子832003；2．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100193）摘要：农业物联网的出现，对推动信息化与农业现代化融合、精细农业的应用与实践等具有至关重要的作用。为此，主要从农业物联网的架构模型、农业物联网关键技术，以及农业物联网信息感知技术、农业物联网信息传输技术、农业物联网信息处理技术等应用进展方面进行综述，并对农业物联网的前景进行分析和展望。关键词：农业物联网；架构模型；信息感知；信息传输；信息处理中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1003－188X（2014）04－0246－03

0引言

物联网（InternetofThings，IoT）的概念自1999年由麻省理工学院的Ashton教授提出以来，其与农业领域的应用逐渐紧密结合，形成了农业物联网及其应用。农业物联网对推动信息化与农业现代化融合、精细农业应用与实践等具有至关重要的作用。农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，就是运用各类传感器、ＲFID、视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息；通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息多尺度的可靠传输；最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标［1］。本文介绍了国内外农业物联网的发展，并在此基础上对农业物联网关键技术应用进展进行了阐述。1农业物联网发展现状1．1农业物联网架构模型根据计算机网络架构模型的研究方法，国内外将农业物联网架构模型分为感知层、传输层（网络层）、收稿日期：2013－04－18基金项目：教育部人文社科研究新疆项目（11XJJAZH001）；石河子大学科学技术研究发展计划（ZＲKX2010YB18）作者简介：秦怀斌（1980－），男，宁夏中卫人，副教授，博士研究生，（E－mail）qhb_inf@shzu．edu．cn。通讯作者：郭理（1968－），男，新疆石河子人，副教授，硕士。处理与应用层3个层次。其中，处理与应用层又包含了处理层和应用层两个层次［1］。农业物联网架构模型如图1所示。

图1农业物联网架构模型Fig．1ArchitecturemodelofInternetofThingsinagriculture感知层主要包括各类传感器，ＲFID，ＲS，GPS及二维条形码等，采集各类农业相关信息（包括光、温度、湿度、水分、养分、肥力、土壤墒情、土壤电导率、溶解氧、酸碱度和电导率等），实现对“物”的相关信息的识别和采集。网络层在现有网络基础上，将感知层采集的各类农业相关信息，通过有线或无线方式传输到应用层；同时，将应用层的控制命令传输到感知层，使感知层的相关设备采取相应动作，如开关打开或关闭、释放氧气、增加温度或湿度及设备重新定位等。公共处理平台包括各类中间件及公共核心处理技术，实现信息技术与行业的深度结合，完成物品信息的共享、互通、决策、汇总和统计等，如完成农业生产过程的智能控制、智能决策、诊断推理、预警、预测等核心功能。具体应用服务系统是基于物联网架构的农业生

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2014年4月农机化研究第4期产过程架构模型的最高层，主要包括各类具体的农业生产过程系统，如大田种植系统、设施园艺系统、水产养殖系统、畜禽养殖系统、农产品物流系统等。通过这些系统的具体应用，保证产前正确规划以提高资源利用率，产中精细管理以提高生产效率，产后高效流通，实现安全溯源等多个方面，促进农业的高产、优质、高效、生态、安全。公共技术是整个基于物联网架构的农业生产过程系统运行的基础和保障，主要包括信息安全、网络管理及质量管理等。其中，信息安全指在基于物联网架构的农业生产过程系统运行过程中，确保网络安全、计算机系统安全、数据库系统安全及应用系统安全，并保证ＲFID及各类传感器的安全，保障整个系统的可用性、保密性、完整性、不可否认性和可控性。网络管理是对整个基于物联网架构的农业生产过程系统的全过程管理，包括配置管理、性能管理、故障管理、记帐管理和安全管理；质量管理（QualityofService，QoS）是对整个系统质量进行全程管理，保证农业生产过程系统物联网对质量的高要求，使系统高质量地运行。1．2农业物联网关键技术目前，农业物联网关键技术主要围绕农业信息感知、农业信息传输、农业信息处理等方面展开研究，并取得了较多研究成果。其中，农业信息感知技术研究主要包括农业传感技术、ＲFID技术（ＲadioFrequencyIdentification）、条码技术、全球定位系统GPS技术（GlobalPositioningSys-tem）和ＲS技术（ＲemoteSensing）等。农业信息传输技术研究主要包括有线传感网络技术、无线传感网络技术和移动通信技术。无线传感网络以无线通信方式组成一个网络系统，由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络信息。其中，ZigBee技术被广泛地用在无线传感网络中。移动通信技术主要利用手机等移动设备，结合移动网络设施，实现信息传输。农业信息处理技术主要包括农业预测预警技术、农业智能控制技术、农业智能决策技术、农业诊断推理技术及农业视觉处理技术等。2农业物联网关键技术应用进展2．1农业物联网信息感知技术应用进展目前，国外农业物联网信息技术及感知产品相对较成熟，国内大部分的农业物联网信息感知产品在农业信息化基地逐渐使用；但大部分仍然处于试验阶段，产品的可靠性、稳定性等和国外有明显的差距。1）大田种植方面。国外，Hamrita等人2005年应

用ＲFID技术开发了土壤性质监测系统，实现对土壤湿度、温度的实时检测，对后续植物的生长状况进行研究［2］；Ampatzidis等人2009年将ＲFID应用在果树信息的检测中，实现对果实的生长过程及状况进行检

测［3］。国内，卜天然等人2009年将传感器应用在空

气湿度和温度、土壤温度、CO2浓度、土壤pH值等检测中，研究其对农作物生长的影响［4］；张晓东等人利用传感器、ＲFID、多光谱图像等技术，实现对农作物生长信息进行检测［5］；中国农业大学在新疆建立了土壤墒情和气象信息检测试验，实现按照土壤墒情进行自动滴灌。2）畜禽养殖方面。国外，Parsons等人2005年将

电子标签安装在Colorado的羊身上，实现了对羊群的高效管理［6］；荷兰将其研发的Velos智能化母猪管理系统推广到欧美等国家，通过对传感器检测的信息进行分析与处理，实现母猪养殖全过程的自动管理、自动喂料和自动报警［7］。国内，谢琪等人设计并实现了

基于ＲFID的养猪场管理检测系统［8］；耿丽微等人基于ＲFID和传感器设计了奶牛身份识别系统［7］。

3）农产品物流方面。国外，Spiessl－MayrE等人

将ＲFID技术应用到猪肉追溯中，实现了猪肉追溯管理系统［9］。国内，谢菊芳等人利用ＲFID、二维码等技

术，构建了猪肉追溯系统［10］；史海霞等人利用构件技术、ＲFID技术等，实现了柑橘追溯系统［11］；北京、上海、南京等地逐渐将条形码、ＲFID、IC卡等应用到了农产品质量追溯系统的设计与研发中。除此之外，农业物联网信息感知技术在设施园艺、水产养殖等方面也有较多应用。2．2农业物联网信息传输技术应用进展

1）大田种植方面。国外，美国ASLeader公司采

用CAN现场总线控制方案；美国StarPal公司生产的HGIS系统，能进行GPS位置、土壤采样等信息采集，并在许多系统设计中进行了应用；Masayuld等基于无线传感网络，开发了农业和土地检测系统，实现对农田信息的检测。国内，何龙等人基于无线传感网络，实现了杭州美人紫葡萄栽培实时检控［12］；高军等人基于ZigBee技术和GPＲS技术实现了节水灌溉控制系统［13］；杨婷等人基于CC2430，设计了基于无线传感网络的自动控制滴灌系统［14］。

2）畜禽养殖方面。国外，Bishop－HurlenGL等人

进行了耕牛自动放牧试验，实现了基于无线传感器网络的虚拟栅栏系统［15］；Nagl等人基于GPS传感器设

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2014年4月农机化研究第4期计了家养牲畜远程健康监控系统［16］；Taylor等人基于无限传感器，实现动物位置和健康信息的监控［17］。在国内，林惠强等人利用无线传感网络实现动物生理特征信息的实时传输，设计实现了基于无线传感网络的动物检测系统［18］。除此之外，农业物联网信息传输技术在农产品物流、设施园艺及水产养殖等方面也有较广泛的应用。2．3农业物联网信息处理技术应用进展农业物联网信息处理是将模式识别、复杂计算、智能处理等技术应用到农业物联网中，以此实现对各类农业信息的预测、预警、智能控制和智能决策等。预测是以所获得的各类农业信息为依据，以数学模型为手段，对所研究的农业对象将来的发展进行推测和估计。预警是在预测的基础上，结合实际，给出判断说明，预报不正确的状态及对农业对象造成的危害，最大程度避免或减少遭受的损失。国外，欧美等发达国家研发了大量的预测预警模型，开发了大量的软件，并进行了许多的应用。国内，张克鑫等人基于BP神经网络对叶绿素a浓度进行了预测预警研究，并在湖南镇水库中进行应用；李道亮等人分别基于PSO－LSSVＲ和ＲS－SVM进行了集约化河蟹养殖水质预测模型和预警模型的研究及应用［1］。智能控制是通过实时监测农业对象个体信息、环境信息等，根据控制模型和策略，采用智能控制方法和手段，对相关农业设施进行控制。目前，国内外对农业信息智能控制研究较多，如在温室温度和湿度智能控制、二氧化碳浓度控制、光源和强度控制、水质控制、农业滴灌控制和动物生长环境智能控制等方面研究和应用较多。智能决策是预先把专家的知识和经验整理成计算机表示的知识，组成知识库，通过推理机来模拟专家的推理思维，为农业生产提供智能化的决策支持。目前，国内外对农业智能决策的研究主要表现在对农田肥力、品种、灌溉、病虫害预防和防治、农作物产量、动物养殖、动物饲料配方和设施园艺等方面。除此之外，国内外对农业物联网智能处理、农业诊断推理和农业视觉信息处理等研究也较多，并进行了许多探索性的应用。3总结农业物联网的研究与应用引起了世界各国的高度重视，我国政府也意识到了农业物联网对我国农业现代化的重要意义，投入了大量人力、物力进行农业物联网的研究与实践［19－21］。总体来说，我国农业物联网的发展还处在初级阶段，包括农业物联网架构模型、信息感知技术、信息传输技术、信息处理技术等还不成熟，农业物联网产业化程度较低，相关规范及政策还比较缺失。随着计算机技术、网络技术、微电子技术等继续快速发展，为农业物联网的发展奠定了基础。在此基础之上，农业物联网在信息感知方面将更加智能，在信息传输方面将更加互通互连，在信息处理方面将更加快速可靠，在信息服务方面将更加柔性智慧。相信随着政府的高度重视、科研机构的钻心研究，加上农业生产一线的大力支持与实践，我国农业物联网一定推动我国农业信息化的发展。参考文献：［1］李道亮．农业物联网导论［M］．北京：科学出版社，2012．［2］HamritaTK，HoffackerEC．Developmentofa“smart”wire-lesssoilmonitoringsensorprototypeusingＲFIDtechnology［J］．AppliedEngineeringAgriculture，2005，21（1）：139－143．［3］AmpatzidisYG，VouqioukasSG．Fieldexperimentsforevalua-tingtheincorporationofＲFIDandbarcoderegistrationanddigitalweighingtechnologiesinmanualfruitharvesting［J］．ComputersandElectronicsinAgriculture，2009，66（2）：166－172．［4］卜天然，吕立新，汪伟．基于TinyOS无线传感器网络的农