物聯網算法分析設計與精準農業大數據技術＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

物聯網算法分析設計與精準農業大數據技術＊

周杰，劉寶，徐夢穎，楊瑞，盧毅

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

實施和測試新的精準農業大數據技術，用于監測、種植和收獲，將有助于物聯網技術的采用。未來通過有針對性的精準農業物聯網研究開發，將能夠在生產和加工的各個階段控制農產品的污染，創造可持續和健康的農產品生產和運輸環境。重點研究了物聯網算法分析設計與精準農業大數據技術的應用，以及兩種技術結合產生的效益。將農業物聯網與農業大數據技術應用于農業工程，對增加農產品產量、培養相關高層次人才、改善農產品質量具有重要意義。

農業物聯網；無線傳感器網絡技術；精準農業大數據技術；水肥一體化

1 國內外研究現狀

中國是農業大國，糧食產量居全球首位，但隨著單位面積產量的增加，水資源短缺和過量施肥現象也日益嚴重。如何通過以物聯網技術為代表的信息技術完成農情監測，對不斷上升的災害頻率做到可防可控，是當前的研究熱點之一。

隨著全球變暖效應的逐步加強，極端天氣對農業的影響也在逐年上升，各種自然災害的發生頻率在加快，將在一定程度上影響農產品的產量。為了應對這種變化，需要加強農業基礎設施，特別是加強以傳感器為代表的監測設施建設。除了極端天氣的影響，中國農田的旱情、澇情及蟲害頻發，如何借助現代的農業信息化技術，準確預測相關災情，并提供相應的解決方案，也是當前農業信息化的研究重點。

2 物聯網技術與無線傳感器網絡技術

物聯網技術是20世紀的一種新興技術，它在工程領域有著廣泛的應用。互聯網在使人類用戶之間連接和通信方面發揮了至關重要的作用，而物聯網使車輛、建筑物、電子設備、傳感器、執行器等物理設備能夠通過技術和數據流進行通信和協調決策。物聯網是一種基于嵌入式技術的物理對象網絡，具有相互通信和感知、監控內部狀態或外部環境的能力。它通過智能傳感器節點相互連接，不需要人為干預即能完成感知和通信的任務。物聯網已經在農業、汽車工業、交通、醫院等各個領域得到了廣泛的應用，并被認為是未來互聯網的一部分。近年來，物聯網技術在許多領域得到了發展，目前物聯網的發展主要集中在集成物聯網、云計算和如何設計有效的執行器上。

無線傳感器網絡由于價格低廉、部署范圍廣、電池供電、功耗低等優點，得到了廣泛的應用。

無線傳感器網絡由大量的傳感器節點組成，包括傳感、處理、傳輸、執行器、定位系統和功率單元。這些節點通常密集地部署在需要監測信息的地方。在某些情況下，例如通過飛機撒布傳感器時，傳感器節點的位置不需要設計或預先確定。傳感器節點相互協調，進行數據融合后，可以收集到關于物理環境或參數的高質量信息。這些分散的傳感器節點中的每一個都能夠收集環境或作物數據，并將數據路由到其他傳感器或回傳到外部基站。

3 物聯網與精準農業大數據技術

農業大數據技術的核心之一即通過物聯網技術收集作物及周圍環境的溫度、濕度、光照、土壤墑情等信息，并對這些信息進行加工處理，根據信息處理結果對作物進行相應的管理。在設施農業中，利用傳感器進行作物環境調節的例子很常見。例如，當傳感器感知到作物缺乏水分時，可以通過定量滴灌的方式為作物補充適當的水分；當感知到作物缺乏肥料時，也可以通過滴灌方式補充水溶性肥料；當作物所處環境溫度不適當時，可通過大棚通風來降低溫度或通過電加熱提升大棚內溫度。在采用物聯網技術改善作物生長環境時，需要綜合考慮系統的投入和產出效果，使對作物生長環境的控制達到最佳的同時，付出較少的設備投入。綜上所述，大數據和物聯網技術已成為當前農業發展的重要技術之一，具有顯著的優勢。

物聯網技術將創新糧食、水果和蔬菜的儲存和運輸方式，并減少害蟲造成的損失，降低土壤退化、缺水、生態系統惡化以及惡劣天氣模式對作物的影響。借助物聯網技術可以開發更好的檢測技術，以檢測不同土壤中的氮、磷、鉀等元素含量。基站可以將傳感器網絡連接到現有的通信基礎設施或直接將數據傳到互聯網上，從而徹底改變傳統農業領域的數據收集方式，并進一步支持未來的全自動化農業系統。未來的全自動化農業系統需要對環境條件進行精準感知，并將原始數據快速傳送到本地或遠程服務器。

物聯網系統還包含執行器。為了更有效地管理現代農場，網絡中會設置一些基本控制功能，例如打開關閉閥和閘門，打開和關閉燈、水泵和加熱器等。隨著農業自動化技術的發展，越來越多的執行器被用于植物的不同生長周期。部分執行器有定位需求，因此中心支點灌溉系統和農用車通常需要被精準定位。此外，系統還需要確定部分大型牲畜和工人的位置，以確保其安全或性能。

土壤墑情傳感器和執行器是精準農業物聯網的重要組成部分。有效和可靠的土壤水分傳感和灌溉管理技術主要依靠地下傳感和通信技術的進步。一般來說，土壤墑情傳感器和執行器需要人工安裝和移除，且需要具有長期傳感能力。此外，為了提高產量，還需要將精準農業數據分析、現場和遙感方面的技術納入整個工作系統。開發和應用新型傳感和通信技術，節約水資源并提高作物產量，是未來需要進行技術創新的一個重要領域。在土壤測量中，缺乏長期的、大規模的土壤測量是一個主要的問題。目前科學家們正在開發針對不同類型土壤的大規模農田中使用的傳感器系統，該系統能夠測量土壤物理、化學和生物特性。利用這些有線和無線技術以及傳感解決方案，可以構建大規模的精準農業物聯網，建立土壤類型和水分相關數據庫。系統通過網絡收集回傳數據，并進行數據挖掘以進行灌溉和施肥決策。類似的系統需要研發人員掌握多個領域的專業知識，包括工程和技術、農學、環境傳感和監測、土壤肥力、昆蟲學、數據挖掘、機器學習和機器人技術。在技術、傳感和通信方面應用最新的創新，將大大改進精準農業技術和管理方式。

在一些發達國家和地區，農業工業、政府機構和種植者對計算機和信息技術的技能和創新有著極其迫切的需求，對計算機和信息技術教育以及研究機構的投入不斷增加，近年來相關研發投入呈爆炸式增長。美國勞工部勞工統計局預測，由于物聯網、大數據分析、云計算和網絡安全，到2024年，美國計算機和信息技術和農業工程的結合領域的就業機會將增加12%。精準農業是信息技術和農業工程的結合的主要的研究驅動力之一，也是重要的創新領域。精準農業模式下，新的商業模式、服務、市場和技術進步的出現將有助于經濟增長。然而，目前農場缺乏高技術水平從業人員是采用精準農業的主要挑戰之一。阻礙精準農業采用的其他因素包括成本、投資回報和缺乏精準農業大數據分析。

有數據表明，到2025年，預計將有116億臺設備接入物聯網。這一數字超過了世界預計人口。這些設備的數據資源將帶來11萬億美元的經濟價值。精準農業領域需要創新。目前，農業工程正從以拖拉機、播種機、聯合收割機、收割機為代表的時代過渡到以計算機和信息技術為代表的精準農業和數字農業時代。物聯網將成為現代農場每一件設備的組成部分，農場從業者通常會使用功能強大的計算機與云端相連，從物聯網傳回的農業數據和信息無處不在，并通過越來越復雜的接口進行通信。在大型精準農業農場，每天將產生數十億條數據。幾乎每一個農業領域都將受到計算機技術進步的深刻影響。這些系統能夠利用大量快速增長的數據和信息資源，應用先進的分析技術來提取信息和理解模式，并以高度動態的方式達成智能解決方案。

4 總結

隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網逐漸應用到了農業的方方面面，為當代農業發展提供了重要支撐。隨著信息時代和大數據時代的到來，物聯網將成為未來農業發展的代表性技術之一。本文概述了物聯網與大數據技術在精準農業方面的應用，并綜述了兩種技術相結合對農業產生的效益，期望為相關技術人員在培養農業工程高層次人才、實施相關項目改善農產品質量時提供參考。

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2095－6835（2019）22－0106－02

S126

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.041

周杰（1982—），男，湖南湘鄉人，博士，研究方向為電子信息工程。

盧毅（1981—），男，陜西西安人，博士，研究方向為農業工程。

〔編輯：嚴麗琴〕