物聯網在智慧農業中的應用

汪悅 徐暢 于浩杰 黃佳玲 李玥聞

摘 要：隨著物聯網和大數據時代的來臨，建立共創、共享、共贏的“互聯網+現 代農業”產業鏈生態圈已經成為現代農業的發展趨勢。智慧農業就是將物聯網技 術運用到傳統農業中，運用傳感器、控制器和軟件，通過手機或者電腦對農業生 產過程進行監測和控制，通過建立基于大數據平臺的專家系統使傳統農業更具有 “智慧”，有利于農業生產的增產、增效、增收，省水、省肥、省電等目的。除 了精準感知、控制外，從廣泛意義上來講，智慧農業還包括農業電子商務、食品 溯源防偽、農業休閑旅游、農業信息服務以及合作社管理等領域。

關鍵詞：智慧農業；物聯網

國內外一些相關硬件設備仍不能滿足作物生產實踐的應用需求，我們急需開發我國自主知識產權的集傳感器、光譜監測模型、診斷決策模型于一體的智能化、數字化作物生長監測與診斷儀。

國內外一些相關設備不能滿足作物生產實踐的應用需求，也沒能真正實現生長信息監測。美國生產CROPSCAN地物光譜儀用于獲取作物冠層反射光譜，美國俄克拉荷馬州立大學研制“Green Seeker”的光譜儀，但它們都不具備診斷和推薦施肥功能，而且成本高，使用不方便。在國內，國家農業信息化工程技術研究中心研制了歸一化植被指數儀，用于冬小麥葉面積和葉綠素密度的反演，但該儀器也尚未形成直接診斷功能；中國農業大學研制了溫室作物實時診斷儀，該儀器適宜于單葉的間接測量，對大田作物的監測未見報道。目前，國內外報道了溫室環境的無線傳感器監測網絡，但還鮮有基于物聯網的大田作物生長信息遠程監測技術的研究與應用。已有研究多將無線傳輸技術簡單的用于農業環境監控，而未真正實現作物生長信息監測。

市場上關于化肥使用量精確處理的產品存在缺陷。傳統作物生長診斷是通過化學方法來判斷是否缺氮并建議施肥，較費時費工，難以得到及時普遍的應用；“看苗施肥”、葉色卡等定性的外觀快速診斷方法在生產中頗受歡迎，但診斷指標難以定量，不利于精確估算氮肥用量。國內外現有技術可定量感知水稻、小麥等作物的氮素含量，精確診斷稻麥作物的生長狀況，有效指導追肥用量的確定，但定量感知模型的普適性和精度還較低；已有診斷指標對不同品種和生長環境缺乏普適性和動態性；有關管理調控模型的研究還不夠深入系統。

項目計劃尋找突破作物生產智能監控物聯網體系若干關鍵技術：如構建作物生長光譜監測模型；研發多光譜作物生長傳感器；研制作物-大氣-土壤無線傳感器設備；開發基于經濟最優面向廣域農田應用的作物、大氣、土壤信息一體化無線傳感網絡；開發基于實時傳感信息的作物生長精確診斷與動態調控設備等。

a、作物生長實時感知模型

作物生長智能化動態監測傳感器為我方原創性技術成果，通過優化提取對監測作物生長信息具有綜合優勢的特征波段及適宜帶寬；構建新型普適性的作物生長敏感光譜參數，建立基于敏感光譜參數的作物生長參數（葉面積指數、生物量）、生理參數（氮含量/積累量）估算模型。

b、作物-大氣-土壤信息無線感知節點

采用光學濾波技術提高光輻射信息輸入信噪比，依據作物冠層特征及田間作業環境實際要求，設計適宜的探測鏡頭結構參數，解決視場與測距間的矛盾，應用智能化傳感技術耦合作物生長指標估算模型，開發作物生長智能傳感器。在板級系統上集成開發作物-大氣-土壤信息無線感知節點，能夠實時獲取作物生長信息（氮含量、氮積累量、葉面積指數、生物量）、農田大氣信息（溫濕度、CO2濃度、光照度）、農田土壤信息（土壤水分、土壤溫度、土壤重金屬含量）。

c、農田大規模無線傳感網絡節點智能化部署

研究土壤肥力（NPK含量、有機質含量及電導率）、作物養分、葉面積指數等農田信息空間分布差異及其相互作用關系；基于多信息融合技術建立農田特征差異評價模型；以經濟效益最大化為目標，即小區內部差異小、相似度高，區塊之間差異度大，以最少的節點部署，達到最優的經濟產出為最終目標，提出農田動態優化分區策略，實施農田差異分區的優化決策；應用智能遺傳算法構建無線傳感器節點優化部署模型，并進行農田差異分區和大規模無線傳感器節點智能部署的模擬。

d、基于數據流預測的低功耗無線網絡感知數據自適應傳輸機制

研究農田無線傳感器網絡節點物理位置、數據傳輸距離、數據傳輸頻度、路由路徑等對傳感器節點能耗及無線網絡生存周期的影響，建立傳感器節點能耗管理模型；依據農田作物-大氣-土壤信息時空變化特征，建立節點數據傳輸預測模型；研究節點能耗管理模型與節點數據傳輸預測模型的交互關系，提出基于數據流預測的低功耗無線傳感網絡數據自適應傳輸策略；構建面向廣域農田無線傳感器網絡低功耗傳輸模型，并進行傳感器節點數據流預測和數據自適應傳輸模擬。

e、作物-大氣-土壤信息遠程傳輸網關系統

研發具有“即插即用”的智能化傳感器網關系統設備，實現傳感網絡與信息傳輸網絡之間數據流交換；開發傳感設備接口智能適配及信息接收、解析和處理技術，實現傳感網絡與遠程傳輸網絡之間的透明互聯。

f、耦合農業專家知識的作物生長智能精確管理系統

綜合利用試驗資料，借助系統分析方法和動態建模技術，基于農學理論，深入研究作物光譜特征與生長指標和產量形成的機理性關系，挖掘作物生長信息的診斷指標，構建基于實時感知信息與適宜生長指標融合的作物生長精確診斷與調控模型，優化集成基于實時生長信息動態感知和診斷調控的智慧管理技術，構建基于無線傳感器網絡的作物生長動態感知與智能管理系統，實現客戶可以隨時隨地通過手機電腦等便攜物品實時監測。