基于網絡技術的智慧農業平臺的研究

鄭玉娟 張亞東

[摘 要]物聯網作為以互聯網為基礎的信息載體，通過各種傳感器采集聲、光、熱、力、電等物理信息，利用各類網絡技術將物與物、物與人連接在一起，實現人、機、物的互聯互通。隨著物聯網的大規模普及，其在農業方面的應用越來越廣泛，網絡工程在智慧農業等信息技術平臺的建設中也越來越重要。智慧農業平臺利用物聯網技術對農業生產過程的環境、生產資料、人力等進行全面監管、巡檢，做到全程數字化可追溯，并從歷史的監測數據中分析建立智能經驗庫，實現農業信息平臺的數字化、智能化。

[關鍵詞]物聯網;網絡工程;智慧農業

[中圖分類號]TP311.52 [文獻標識碼]A

1 智慧農業概述

近年來，5G、大數據、物聯網等已逐漸走進人們的生活，各個領域都有其應用的場景，農業作為傳統行業也在經歷著數字化、智能化的轉型與升級，其中智慧農業平臺的解決方案是目前研究的一個重點方向。

目前對于智慧農業沒有明確公開的定義，對于它相對完整的闡述來自于中國農業科學研究院信息研究所周國民在《淺議智慧農業》中的描述，他指出智慧農業是通過計算機、物聯網等信息技術的綜合應用，使得農業生產向精準農業和智慧農業方向發展為產業升級、降本增效的可持續綠色農業。智慧農業不是針對農業管理者的工作需求，單純引入一些簡單的信息化輔助手段，而是需要結合實際建立一整套的規范和標準，是物聯網等技術在農業生產管理中的深入運用，是農業數字化、智能化的高級階段，智慧農業有助于提高農業在生產管理方面的效率，提升競爭力，促進農業的可持續發展。研究學者和專家的主要研究方向是通過智能化、標準化的信息技術手段對農業實現集約化的管理，為農業生產者、農產品消費者提供安全、可靠、高效的管理和產品，使傳統農業生產管理逐步向智慧化的階段轉型和升級。

智慧農業是物聯網等技術在農業領域的深層次應用，主要有監測巡檢系統、安全追溯系統以及智能決策系統。監測巡檢系統每個監測站點配置無線傳感節點，每個無線傳感節點可監測土壤水分、土壤成分含量、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度等環境信息。監測巡檢系統對種植作物進行日常采集，并根據種植作物現階段的營養需求發出預警信息，對于日常采集和預警等信息都可通過無線傳感匯聚節點快速傳遞給智能決策系統，決策系統根據設置的閾值可自動控制灌溉、升降溫、液體肥料施肥、噴藥等動作，并將數據實時傳遞給一線農業生產者。安全追溯系統在農作物生產、加工、流通和消費等多個環節實現一物一碼，掃碼可追溯種植管理、生產、加工、流通、倉儲到銷售的全過程信息。對于安全防篡改有較高的要求，在生產中的要求就是準確有效以及防止偽造信息，對于每個無線傳感節點的監測信息都采用加密編碼的方式。智能決策系統根據農作物的種植地環境，因地制宜，動態調整參數，動態調整網絡節點組網實現彈性自組網，控制區域設備，提高產量，另一方面線上線下的市場經濟數據可用作下個生產周期的數據參考，避免大規模的同質化生產引起產量過剩。

2 網絡技術架構

網絡工程作為智慧農業基礎設施在整個平臺中起著關鍵作用，它的質量直接影響著各類傳感器信息傳輸的準確性和高效性，追溯系統的安全性和可靠性，決策指令傳達的及時有效性。網絡層作為智慧農業的基礎設施也需要分層實現，基于物聯網的網絡層級將智慧農業系統劃分為感知層、傳輸層和應用層三個層級。感知層的基礎元件是各類傳感器，網絡為各類傳感器互聯提供無線傳感網絡;傳輸層主要是連接傳感器和互聯網，并借由成熟的互聯網傳輸層設備傳輸數據包，中間涉及多種網絡轉換設備;應用層將各個農業場景的數據進行分類處理和分析，為各個應用場景提供服務。

2.1 智慧農業前端感知層

前端感知層是智慧農業平臺數據來源的關鍵環節，其目的是將現實農業中大面積生產種植的各種物理參數通過各種途徑，自動轉換為網絡平臺中可實時處理的信息化數據。感知層利用各種傳感器、手機/PAD、條碼/RFID、拍照、攝像頭、GPS、終端、傳感網絡等技術對農業生產中的各類信息數據進行標記與采集，進而轉化為可處理的數字化信息。首先通過各類傳感器如光照、氨氣含量、二氧化碳含量、空氣濕溫度、土壤濕溫度、根莖直徑、體溫等傳感器進行數據的智能采集，然后通過太陽能供電或市區用電連通網關、互聯網、企業網等傳輸至智慧農業平臺的管理系統。

2.2 智慧農業中端傳輸層

中端傳輸層是將來自前端農業信息感知層的數據，通過各種網絡技術進行數據傳輸及匯總，將農業生產種植各個環節大量的數據信息整合到一起進行數據分析與處理。智慧農業的傳輸層好比農業物聯網的中樞神經，是智慧農業平臺進行數據傳遞與處理的通信樞紐，該層主要涉及的技術分為有線網絡和無線網絡。

2.3 智慧農業后端應用層

智慧農業應用層主要是將通過網絡協議傳輸的信息數據進行歸類與應用，借助應用層的域名系統、文件傳輸協議、遠程終端協議、以太網、電子郵件、動態主機配置協議、簡單網絡管理協議等上層應用網絡對農業物聯網的市場需求實現分類管理（監控中心、報表中心、交流中心、流程中心、溯源中心、任務管理中心），實現智慧農業平臺的綠色智能化發展。

3 子系統的網絡實現

智慧農業平臺的子系統模塊主要包括監測巡檢系統、安全追溯系統、智能決策系統。監測巡檢系統采用主流的WI-FI和ZigBee技術，ZigBee自適應性強，穩定性好，功耗低，網絡容量大，具有經濟可靠和容易部署的特點，非常適用于環境多變的農業生產環境;Wi-Fi技術主要是用于數據信息共享的局域網中，其組成簡單，設備通用，易于擴展和共享。追溯防偽系統的安全網絡需要加密通信，可采用虛擬專用網中常用的IPSec技術實現，加密的數據包和未加密的數據包從各個IP網絡看幾乎是透明的，在數據包通過公網傳輸時，不用擔心被監視、篡改和偽造。智能決策系統在生產過程中需要及時傳遞信息，使用ZigBee可以滿足要求，其從睡眠狀態轉換為工作準備狀態只需15毫秒，節點連接入網只需30毫秒。

3.1 監測巡檢系統

監測巡檢系統主要利用感知層獲取數據，通過以下幾種方式來實現：（1）參考移動互聯網技術的手機或者PAD進行數據采集具有攜帶方便、操作簡單，是無需大量投資的一種大眾普及方式。（2）參考物聯網RFID技術的條碼/RFID掃描來錄入數據是一種從生產場地、原料庫、運輸車、加工廠到成品庫的自動掃描、批量掃描、隔空掃描。（3）參考遙感解析土壤、水成分，利用拍照錄入文件資料，利用攝像頭采集視頻數據、利用GPS采集經緯度信息實時跟蹤檢測，進行病害實拍，完成檢測報告，監測育苗、溫室、大田、加工以及流通運輸等各個環節的數據。以上各個環節可采用主流的ZigBee和Wi-Fi技術來接入網絡。

3.2 安全追溯系統

通過將農產品各個環節（播種、育苗、成熟、加工、銷售等）的數據及時傳至云端便可利用手機或電腦等終端設備登錄指定的網址查看相關信息。這種安全追溯系統充分利用物聯網的三個層級實現基礎實時數據及數據庫系統的構建，利用OneNet將現場的設備數據實時上傳，將應用層的數據實時下載，建立物聯網的基礎云平臺和專屬網絡，最終通過應用平臺和客戶端來追溯農業生產及后期加工銷售的各個環節，從而保證綠色農業的智慧生產、智慧管理、智慧服務。

3.3 智能決策系統

智能決策系統需要通過應用層的數據分析來實時反映并調整農作物的生產環境，及時有效地改善種植地的相關物理參數，這個過程需要保證決策信息的及時傳遞，而充分利用無線傳感網絡ZigBee可以滿足要求。通過ZigBee低功耗、無線組網的通信技術和現有網絡的有效結合可以很好地保證智慧農業平臺智能決策的高效性和準確性。

4 總結

文章通過對智慧農業網絡架構的研究，基于物聯網的特點，論證了各個協議的特點，對智慧農業系統的網絡實現進行了深入研究與分析，基于此構建的智慧農業平臺在基礎設施方面為實現農業信息平臺的數字化、智能化提供了有效、安全、可持續的保障。

[參考文獻]

[1] 周國民.淺議智慧農業[J].農業網絡信息，2009（10）.

[2] 廖小平.淺析智慧農業的內涵與發展[J].經濟研究導刊，2018（16）.

[3] 頓文濤，趙玉成，袁帥，等.基于物聯網的智慧農業發展與應用[J].農業網絡信息，2014（12）.