物聯網活躍在田間地頭

對于物質種類最多的農業，通過物聯網將鮮活農產品的生長狀態、環境變化反應、儲藏保鮮、流通質量安全與設備、機器、人的主動行為緊密結合，將對農業經濟產生重要的影響。

近十年來，隨著智能農業、精準農業的發展，泛在通信網絡、智能感知芯片、移動嵌入式系統等技術在農業中的應用逐步成為研究的熱點。

密集的無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是一種無中心節點的全分布式系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節點被密集部署于監控區域。這些傳感器節點集成了傳感器、數據處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被監測對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡集傳感器技術、微機電系統(MEMS) 技術、無線通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術于一體， 因其廣闊的應用前景而成為當今世界上備受關注的、多學科高度交叉的熱點研究領域。

在傳統農業中，人們獲取農田信息的方式都很有限，主要是通過人工測量。這樣的獲取過程需要消耗大量的人力，而通過使用無線傳感器網絡可以有效降低人力消耗和對農田環境的影響，獲取精確的作物環境和作物信息。

目前無線技術在農業中的應用比較廣泛，但大都是具有基站星形拓撲結構的應用，并不是真正意義上的無線傳感器網絡。農業上一般應用是將大量的傳感器節點構成監控網絡，通過各種傳感器采集信息，幫助農民及時發現問題， 并且準確地確定發生問題的位置。這樣，農業將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，進而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

●無線傳感器網絡應用于溫室環境的信息采集和控制。

在溫室環境里，單個溫室即可成為無線傳感器網絡一個測量控制區。采用不同的傳感器節點和具有簡單執行機構的節點(風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執行機構) 構成無線網絡，來測量土壤濕度、土壤成分、pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強度、CO2濃度，由此獲得作物生長的最佳條件。將生物信息獲取方法應用于無線傳感器節點， 可為溫室精準調控提供科學依據。最終使溫室中傳感器和執行機構標準化、數據化， 利用網關實現控制裝置的網絡化， 從而達到現場組網方便、提高作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

●無線傳感器網絡應用于節水灌溉。

無線傳感器網絡自動灌溉系統利用傳感器感應土壤的水分，并在設定條件下與接收器通信，控制灌溉系統的閥門打開、關閉，從而達到自動節水灌溉的目的。由于傳感器網絡具有多跳路由、信息互遞、自組網絡及網絡通信時間同步等特點， 使灌區面積、節點數量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌組。加上節點具有土壤、植物、氣象等測量采集裝置，利用通信網關的Internet 功能與RS 和GPS 技術結合，形成灌區動態管理信息采集分析技術，配合作物需水信息采集與精量控制灌溉技術、專家系統技術等，可構建高效、低能耗、低投入、多功能的農業節水灌溉平臺。用戶還可在溫室、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農田井用灌溉區等區域， 實現農業與生態節水技術的定量化、規范化、模式化、集成化，促進節水農業的快速和健康發展。

2008年，湖南農業大學提出了一種基于無線傳感器網絡的農田自動節水灌溉構建方案，用無線傳感器網絡實現農田土壤濕度信息的實時采集和傳輸，通過灌溉控制器控制灌溉管網，分區域實時灌溉并調節土壤濕度，保證了精細農業所要求的時空差異性和水資源的高效利用。

●無線傳感器網絡應用于環境和動植物信息監測。

用戶通過布置多層次的無線傳感器網絡檢測系統，可以對牲畜家禽、水產養殖、稀有動物的生活習性、環境、生理狀況及種群復雜度進行觀測研究， 也可用于對森林環境監測和火災報警。傳感器節點隨機密布在森林之中， 平常狀態下定期報告環境數據， 當發生火災時， 節點通過協同合作會在很短的時間內將火源的具體地址、火勢大小等信息傳送給相關部門。此外，無線傳感器網絡也可以應用在精準農業中， 來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

形形色色的傳感器

在十五期間，國家863計劃數字農業重大專項實現了農田信息采集技術的突破，推出了一批成本低、性能高的土壤水分和作物營養信息采集產品，基本解決了數字農業信息快速獲取的技術瓶頸問題。科研人員開展了農田水分、養分、作物長勢、冠層生理與生態因子、品質、產量和蟲害草害等信息采集關鍵技術研究，開發了具有自主知識產權的新型土壤水分傳感器，研制了土壤和作物養分信息快速采集方法與新型配套儀器設備。在蟲害與雜草動態監測系統的研究方面，我國也取得了重大進展，開發了基于稱重傳感器的高精度智能測產系統，解決了智能測產與谷物品質監測系統的精度難題，使我國農業信息快速獲取技術邁出了新的步伐。

現代化溫室和工廠化栽培調節和控制環境(控制溫度、濕度、光照、噴灌量、通風等)可用于培育各種秧苗，栽培各種果蔬和作物。在這個過程中，作物需要溫度傳感器、濕度傳感器、PH 值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、CO2傳感器等檢測環境中的溫度、相對濕度、PH 值、光照強度、土壤養分、CO2濃度等物理量參數，各種儀器儀表可實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農作物有一個良好的、適宜生長的環境。

在果蔬和糧食的儲藏中，溫度傳感器發揮著巨大的作用，制冷機根據冷庫內溫度傳感器的實時參數值自動控制并且保持該溫度的相對穩定。氣調庫相比冷藏庫是更為先進的貯藏保鮮方法，除了溫度之外，氣調庫內的相對濕度(RH)、O2濃度、CO2濃度、乙烯(C2H4)濃度等均有相應的控制指標。控制系統采集氣調庫內的溫度傳感器、濕度傳感器、O2濃度傳感器、CO2濃度傳感器等物理量參數， 通過各種儀器儀表適時顯示，或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證有一個適宜的貯藏保鮮環境，達到最佳的保鮮效果。

在作物的生長過程中，形狀傳感器、顏色傳感器、重量傳感器等可用來監測物的外形、顏色、大小等，由此確定作物的成熟程度， 以便適時采摘和收獲。用戶可以利用二氧化碳傳感器進行植物生長的人工環境的監控， 以促進光合作用的進行。例如， 塑料大棚蔬菜種植環境可以利用超聲波傳感器、音量和音頻傳感器等進行滅鼠、滅蟲; 還能用流量傳感器及計算機系統自動控制農田水利灌溉。

另一方面，生物技術、遺傳工程等都成為良種培育的重要技術， 在這其中，生物傳感器發揮了重要的作用。農業科學家通過生物傳感器操縱種子的遺傳基因， 在玉米種子里找到了防止脫水的基因， 培育出了優良的玉米種子。此外，監測育種環境還需要溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器等; 測量土壤狀況需用水分傳感器， 吸力傳感器、氫離子傳感器、溫度傳感器等; 測量氮磷、鉀各種養分需要用離子敏傳感器。

在動物飼養中也有傳感器應用，如可用來測定畜、禽肉鮮度的傳感器。它可以高精度地測定出雞、魚、肉等食品變質時發出的臭味成分二甲基胺( DMA ) 的濃度， 其測量的最小濃度可以達到1ppm，利用這種傳感器可以準確地掌握肉類的鮮度， 防止肉類腐敗變質。

挖掘潛在應用 物聯網在農業領域具有遠大的應用前景。

在農田、果園等大規模生產方面，如何把農業小環境的溫度、濕度、光照、降雨量、土壤的有機質含量、溫濕度、重金屬含量、PH值，以及植物生長特征等信息進行實時獲取并利用，對于科學施肥、灌溉作業來說具有非常重要的意義。

在生鮮農產品流通方面，需要對儲運環境的溫度和農產品的水分進行控制，環境溫度過高可能會發生大批農產品的腐爛，水分不足品質會受到影響，在這個環節要借助物聯網的幫助。

還有一類具有典型意義的應用是工廠化健康養殖作業，需要通過物聯網技術實現畜禽、水產養殖環境的動態監測與控制。

農業物聯網要解“三個結”

第一結: 價格

智能感知器的成本問題。目前，農業環境和動植物群體/個體信息采集和傳輸的感知設備成本相對還比較昂貴，例如農產品供應鏈上的電子標簽，生產100萬個的成本約為14美分/個。除此之外還有實施 RFID 所需的基礎設施的成本，如閱讀器的購置價格等，因為農產品的本身價值并不大，使用RFID所增加的成本相比之下顯得過高，目前只適用于一些高價值的農產品。

第二結: 功耗

農田無線傳感器網絡體系的功耗問題。由于農作物生產周期較長，而傳感器節點數量較多，因此如果經常更換電池將是一項耗資巨大的工作。如何有效節省電能、延長網絡的生命周期，是面向大規模農田種植的無線傳感器網絡需解決的重要問題。

第三結: 傳輸

物聯網感知節點上數據高效傳輸問題。農業監測區域分布大量傳感器節點(sensor node)和少數匯聚節點(sink node)，傳感器節點負責采集相關數據信息，最終將數據傳送至匯聚節點。由于農業物聯網具有感知數據量大、無線通信帶寬低、時效性強的特征，網絡節點在能量、計算、存儲及通信能力方面存在局限性，數據高效傳輸與管理問題是提高節點協作感知、采集、處理、發布效率的有效途徑。

鏈接

三大關聯技術

電子標簽與條碼技術

近年來，國內食品安全問題頻頻發生，影響到了人們的身體健康，引起了社會廣泛的關注。而農產品供應鏈包括了生產、包裝、加工、配送、銷售等多個環節，在流通過程中出現的問題往往很難進行監控。通過RFID對農產品信息進行標識、采集、傳遞和關聯管理，可使農產品信息流與物流聯系起來，將電子標簽作為農產品的信息載體，有效地實現了農產品質量跟蹤與追溯。以豬肉供應為例，豬肉追溯體系需要在商品豬肉供應鏈的各關鍵節點——生豬養殖場、市境道口、屠宰場、批發市場設置控制點，使用 RFID 標簽記錄追溯所需的信息。

GPS技術

GPS是農業生產和科研中重要的信息獲取手段，目前GPS技術廣泛應用于農業資源調查、土壤養分監測和施肥、病蟲害監測和防治等方面。此外，GPS在農業中的另一個重要應用領域就是精準農業的農機作業上。精準農業要求實時獲取地塊中每個小區(每平米到每百平米)的土壤與作物信息，診斷作物長勢和產量在空間上出現差異的原因，并按每個小區做出決策，準確地在每個小區進行灌溉、施肥、噴藥等，以求最大限度地提高水、肥、藥的利用效率。GPS技術為農用機具提供實時位置信息，提高了機具行走和飛行精度。精準農業需要及時了解農田狀態信息，如農田中的肥、水、病、蟲、草、害和產量的分布情況。

GPS與農田信息采集技術相結合，可以實現定點采集和分析農田狀態信息，生成農田狀態分布圖。農民根據農田狀態分布圖，做出相應的決策并付諸實施。農田狀態信息的采集是精準農業實施變量投入的基礎。GPS技術為農機具提供實時位置信息，使得農機具可以調用處方圖信息，實現行進間變量投入，從而實現按需投入水、種子、肥料和化學藥劑等生產要素，既保證了作物的生長需求，又可以節約投入和減輕環境污染。GPS技術在農業機械中的應用，極大地提高了農業生產和作業的效率。

ZigBee無線傳感技術

ZigBee技術在精準農業作業無線數據傳輸業務中也逐步得到廣泛應用。ZigBee節點部署于農田小區每個操作單元的土壤監測子系統、大氣監測子系統、太陽輻射監測子系統、作物生長情況監測子系統、作物產量監測子系統中，實時監測各個子系統，并將各子系統的狀態變化以無線方式傳送給各個監控區域的現場監控單元。每個監控區域設置一個現場控制單元和若干ZigBee節點。現場控制單元不僅是網絡控制系統的節點，而且還是zigBee無線傳感器網絡的網關節點，它負責對ZigBee節點傳來的采集數據進行處理，然后將數據通過現場總線發送到系統服務器。主機系統的中央處理服務器是田間監控系統的主處理服務器，它是田間監控系統的邏輯處理核心，負責對接收到的數據進行邏輯處理和分析，如存儲歸檔、閾值比較、閾值調優和趨勢分析等，并能夠將分析處理的數據通過Internet網發送到上級監測中心，實現網絡控制系統的遠程控制，而且還可以根據分析的結果向用戶發布事件、警告和預警信息，進一步對農業設施下達控制指令，實現農業生產的變量操作，及時調整改善ZigBee節點的監測情況。