農業物聯網技術運用于農業園區的典型案例分析與展望

趙軍，高翔

（1.石家莊益康農科技發展有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省農林科學院，河北 石家莊 050035）

1 農業物聯網

農業物聯網是物聯網技術在農業生產、經營、管理和服務全產業鏈中的具體應用，對改造傳統農業、加快現代化農業的發展具有重要的意義[1]。農業物聯網是綜合利用各類感知設備實時采集動植物本體、農業生產過程以及農產品物流等相關信息，通過無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網傳輸，將獲取的海量信息進行融合、處理，最后實現農業產前、產中、產后的全過程監控、科學決策和實時服務[2]。物聯網技術充分面向現代化農業生產需求[3～8]，對環境及作物生長信息精準監測，確保生產過程精確管理，肥料、農藥、灌溉、診斷病蟲害等方面實施智能化管控，農產品質量安全全過程檢測跟蹤，從而實現農業的高效安全生產。近年來，我國農業物聯網技術得到長足發展，在大田及設施農業方面均有深入研究及應用。夏于等[9]設計了基于物聯網的小麥苗情遠程診斷管理系統，對小麥生長生產過程和主要氣象災害進行精確監測、快速準確診斷，并以文字、視頻、圖片和數據表格等多種方式輸出綜合分析結果和生產管理調優方案；吳秋明等[10]設計了為棉花灌溉決策與管理提供支持的基于物聯網的棉花智能化微灌系統，并在新疆庫爾勒棉花智能化膜下滴灌示范區的實際應用中取得了良好效果；易寧等[11]基于物聯網技術設計了水稻大田智能預警監控系統，用于水稻生產的智能管理；張帆等[12]針對江西丘陵地區作物種植分布廣、布線和供電困難等特點，利用智能氣象站和高精度土壤溫濕度傳感器等設備建立了基于物聯網技術的土壤墑情監測系統，為農田精準灌溉和節水、農業抗旱減災提供技術支持和決策參考；劉燕德等[13，14]針對果園環境智能監測需求，設計了基于果園環境信息監測的無線傳感器網絡節點和數字化果園視頻系統；黎貞發等[15]開發了日光溫室冬春季低溫氣象災害監測預警及智能化加溫物聯網技術體系，提高了設施農業園區的管理效率、管理水平及應對低溫災害的能力；歐亞軍[16]設計了基于物聯網的智能溫室大棚控制系統，用戶可使用瀏覽器或智能手機等終端對溫室大棚進行遠程實時監測和管理，提高了設施農業生產的精細化管理水平；王秀等[17]設計了基于物聯網技術的溫室二氧化碳施肥無線控制系統，包括無線采集節點、無線控制節點、中心節點、二氧化碳發生裝置和主機系統等；孫劍等[18]開發了基于PLC控制、機器視覺和物聯網技術的盆花自動分級系統，實現了對溫室盆花分級的機械化、自動化和智能化操作。

農業物聯網主要由感知層、網絡層、應用層組成（圖1）。感知層是農業物聯網的底層，也是基礎層，通過各種傳感器及視頻技術的組合[19]，獲取作物生長實時的環境監測數據和獲取指令后控制各種功能性儀器；網絡層主要負責整個系統的數據傳輸，建立在局域網、移動網絡、互聯網之上，將接收到感知層的各類數據通過網絡傳輸至信息處理中心，由應用層進行處理，同時將應用層發出的命令信息送達感知層，進行各種功能性儀器的控制；應用層位于系統的頂層，主要實現傳感器數據查詢、數據分析、數據挖掘以及基于感知數據的應用和決策。

圖1 農業物聯網組成Fig.1 Composition of agricultural internet of things

2 農業物聯網技術應用于農業園區的典型實例分析

基于中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所國家牧草創新基地物聯網項目、順平桃產業基地質量追溯體系物聯網項目2個具有代表性的農業物聯網項目，闡述農業物聯網項目建設中的層面設計與實際應用。

2.1 國家牧草創新基地物聯網項目

中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所國家牧草創新基地位于中國農業科學院廊坊試驗基地內，占地33.33 hm2，主要從事牧草育種栽培等科學研究。國家牧草創新基地物聯網系統主要是利用物聯網技術對園區環境、設施棚舍環境、牧草生長狀況及羊只生長發育的監測。監測點布局集中、地勢平整、便于施工，以低成本的有線網絡傳輸信號為宜（圖2）。

圖2 園區物聯網布局示意圖Fig.2 Layout diagram of internet of things in the park

2.1.1 感知層 感知層方面采用5種監測單元，第1種固定監測單元配有旋轉平臺的槍式攝像機及一組空氣溫濕度傳感器，用于養羊棚舍的監測，同時該測量單元的數據采集主機與棚舍的風機、空調、遮陽簾電機連接，根據指令控制各儀器的開關；第2種固定監測單元配有球形攝像機及5組土壤溫濕度傳感器，用來監測牧草生長狀況及土壤深度為20、40、60、80、100 cm的溫度和含水量。第3種移動監控單元（圖3）配有球形攝像機及1組土壤溫濕度傳感器，可方便移動，用于監測不同品種牧草種植小區的生長狀況及土壤深度為10 cm的溫度和含水量。測量儀器采用有線供電。第3種監測單元為自動氣象站，配有空氣溫度、空氣濕度、光照強度、風速、風向、降雨量、蒸發量、土壤溫度、土壤含水量傳感器，用于監測園區的環境氣象數據；第5種監測單元是散養羊體重增長監測，通過射頻識別系統及自動稱重系統把每只羊的每天體重記錄并傳到云平臺。

2.1.2 網絡層 養羊棚舍距離中控室較近，可采用網線連接有線傳輸信號。牧草品種試驗區、羊散養區、自動氣象站通過地埋光纖與中控室連接有線傳輸信號；散養區自動稱重系統通過4G網絡無線傳輸信號。

2.1.3 應用層 中控室安裝了4個顯示屏、1臺中央平臺、2臺刻錄機、1臺服務器，顯示屏分別顯示養羊棚舍、牧草固定監測區域、牧草移動監測區域、羊三樣區域的圖像和環境數據。中央平臺用于信號的轉換并傳輸到顯示屏上；刻錄機用于圖像的保存；服務器用于安裝益康農數據平臺，存儲、查詢、計算分析數據以及管理決策等，配有手機APP客戶終端。

2.1.4 項目實施 通過物聯網信息獲取裝備實時獲取圈舍環境信息，結合通風、控光、調溫裝備實現圈舍最佳適應環境智能化調控，并結合可視化監控技術實現飼養物生長過程的遠程可視化監測與在線診斷，對提高科學養殖種植、提高效率、節省勞力、保障品質有重大意義。

2.2 順平桃產業基地質量追溯體系物聯網項目

保定市順平縣望蕊山莊（以下通稱山莊）以200 hm2桃樹種植區域為示范基地，實施特色農業精品示范基地物聯網建設項目。該項目分為品種觀賞區（山莊內）、新品種選育區（山莊周圍500 m）及桃樹種植區（周邊200 hm2）3個區域。根據項目實施環境為山丘地貌，信號傳輸多采用網橋或GPRS無線傳輸（圖4）。

2.2.1 感知層 每個監控點配有1臺球形攝像機、1組空氣溫濕度傳感器、1個PAR傳感器、1組土壤溫濕度傳感器，用來監測桃的生長狀況及空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度和水分含量。觀賞區和品種選育區采用有線供電，種植區采用100 W太陽能板和60 A鋰電池供電。

2.2.2 網絡層 山莊內品種觀賞區為網線有線信號傳輸，山莊周圍的新品種選育區為網橋無線信號傳輸（圖5），周邊240 hm2種植區選用4G網絡無線信號傳輸（圖6）。

圖5 無線網橋Fig.5 Wireless bridge

圖6 4G無線監點Fig.6 4G wireless monitoring point

2.2.3 應用層 中控室設有多媒體會議室、項目展示廳（圖7）、室外LED宣傳屏等，均可顯示每個監測點的信息內容；登錄益康農數據云平臺或手機APP（圖8），可以進行數據查詢與分析以及管理決策等。

圖7 項目展示廳Fig.7 Project showroom

圖8 數據云平臺Fig.8 Data cloud platform

2.2.4 項目實施 項目投入試用，系統實現了土壤、環境和桃樹及果實生長信息遠距離實時獲取、監測和管理，具有操作簡單、方便直觀、功耗低、網絡容量大等特點，對園區墑情監測、水肥管理、病蟲害預防及產品質量跟蹤體系建立[20]發揮了積極作用。

以上項目在建設與實施過程中，感知層使用了射頻識別技術、傳感器技術和智能控制技術等，網絡層使用了有線、無線信號傳輸，應用層使用了多媒體終端、云平臺、手機APP等功能，這些都是農業物聯網常規的應用技術。可以針對不同用戶不同需求以及使用環境，將技術有機組合就能實現目標功能。

3 農業物聯網前景展望

農業物聯網作為一門新興的交叉學科，其技術優勢將會廣泛應用于大田種植、設施園藝、畜禽水產養殖、農產品物流及食品安全追溯等方面。物聯網的發展給我國農業帶來了前所未有的發展機遇，同樣也使農業生產走向技術化、專業化和現代化。雖然農業物聯網的信息感知產品在穩定性、可靠性、低功耗等方面需要進一步的提升和改進，但隨著物聯網產業標準化體系的逐步建立與完善，關鍵技術與瓶頸的突破，應用與推廣規模將不斷擴大，并會隨著用戶的體驗與需求向系統集成、智能化服務方向發展。