1、物联网在农业信息化中的应用摘 要：农业是我国的基础性产业，大部分的农业劳动都是由人工来完成的，其智能化水平比较低。物联网是继计算机互联网之后的第三次产业革命。随着物联网技术的引进与应用逐步实现了现代农业的智能化控制，使农业生产在信息化应用的基础上跨出了一大步，从而将粗放的农业管理方式转向了信息化和集约型的管理控制，降低劳动力成本，保证农产品的质量安全，促进现代农业的迅速发展。本文主要介绍了物联网技术和农业信息化的概念，分析了目前农业信息化的现状，并阐述了物联网技术在农业信息化中的一些应用。关键词：物联网；农业信息化现状；发展模式；农业中的实际应用 The Internet of things
2、application in the agricultural informatizationAbstract：Agriculture is our countrys basic industry, most of the farm work is done by manual. Its intelligence level is relatively low. The Internet of things is the third industrial revolution after the Internet. With the introduction and application o
3、f Internet of things technologies, intelligent control of modern agriculture is gradually achieved, agricultural production on the basis of the application of information technology make a great step forward, extensive agricultural management is turned into information and intensive management contr
4、ol, labor cost is reduced, ensure the quality and safety of agricultural products and promote the development of modern agriculture. This article mainly introduces the concept of Internet of things technologies and agricultural information, analyzes the current situation of agricultural information,
5、 and describes the application of Internet of things technologies in agricultural information.Keywords：Internet of things; agricultural information status; development models; practical application of agricultural1.引言随着国内外互联网的快速发展，计算机以及网络通信等技术拉近了人们之间的距离，增强了人与人之间的相互沟通。而物联网的应用与快速发展，更进一步地加深了人们对世界上万事万物的
6、了解。物联网可以将各种信息传感设备与互联网相连接，从而实现其智能化识别与管理。在人类生活和生产过程中，具有信息感知特点的物联网将会拥有更加广阔的应用前景。就现阶段而言，物联网已经成为了我国的新兴产业。我国是发展中国家，农业是关系到我国国计民生的基础性产业，其信息化和智能化的程度不可忽视。把物联网引入和应用到科学研究和农业生产中，对加快农业智能化生产的发展，提高预防各种自然灾害的能力，建设现代化农业具有深远的意义和非常大的作用。2.物联网与农业信息化息息相关2.1物联网的概述物联网（“Internet of Things”，简称“IOT” ）是以互联网、移动电信通讯网络等为基础的信息承载体，它能
7、够实现被独立寻址的物理对象之间互联互通的网络 1。换句话说，物联网就是“物与物相连的互联网” 。它包含了两层含义：物联网是以互联网为核心，它是在互联网的基础之上进行延伸和扩展的。物联网的用户端可以实现任何物与物、人与人、人与物之间的信息交换和通信，方便识别、管理和控制 2。 物联网是通过射频识别、激光扫描器和 GPS定位系统等各种各样的传感器装置，根据约定的协议，将所有的物体和互联网相连接，进行信息交互、信息传输和信息处理。它可以对任何需要被监控、连接和互动的物品与过程，全天24小时进行采集其需要的温度、湿度、以及氧量含量等各种信息，实现智能化识别、跟踪与定位，是以互联网为基础进行延伸和扩展而
8、形成的一个巨大网络3。物联网技术主要包括感知、信息传递和处理这 3个层次，如示意图 1所示：图 1 物联网技术示意图2.1.1 物联网的体系架构物联网的关键不是在于 “物” ，而是在于“网” 。不管在何时何地， “物”只要通过“网”就可以获得“感知” ，就能够具有“智慧” 。无论哪一种物体只有通过智能处理层中的“智能信息处理平台”才会具有智能化。从本质上来说，物联网是借助于射频自动识别与无线传感器技术，同时在计算机互联网的基础之上来完成物品的“自动识别和信息的相互联系与共享” 。从技术架构的角度来看，物联网具有感知层、网络层和应用层这 3个层次 4。物联网的体系结构示意图如图 2中所示：图 2
9、 物联网体系架构(1)感知层信息处理系统是以数据的采集为基础。通过系统的分析和处理，这些被采集到的数据最终会成为影响我们做出决策的信息。物联网中的感知层的功能等同于人体中的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢的作用。它通过 RFID电子标签、感 知 信息传递 处 理传感器 无线网络 智能芯片物联网应用农业应用、物流监控、灾害监控、公共卫生应用层网络层内 网络层与感知层通信传感器网络、2G/3G/4G 网络、互联网感知层内 传感器网络和协同信息处理数据采集RFID、感应器、条码器、传感器、智能卡感应器和传感器网络等设施，实现对物体的感知、识别和信息采集，再将信息与网络层中的设施进行交互。(2)网络层为
10、满足“物物相连”的需要，物联网的网络层必须将感知到的信息进行无阻碍、高稳定性、无失真地传送，使“物品”可以在世界的各个地方长距离、广范围地通信。网络层在物联网中的作用与人体的神经中枢和大脑的功能相同，它可以将从感知层所获得的信息进行传输和处理。所以物联网需要从整体上将互联网技术、传感器网络以及移动通信技术组合应用，这样才能更好地完成感知芯片与通信网的相接、有线网络和无线网络的相接以及宽带和窄带的相接。(3)应用层应用层实现了物联网与用户需要的完美结合，是完成输入输出的控制终端，它的主要作用是：通过 PC机和现代智能电话等采用智能化的应用程序，根据数据的处理分析和决策反馈来达到人们所需要的某种特
11、定信息服务的目的，把人与物以及物与物紧密地连接了起来。它根据用户的需求，建立面向各行各业实际应用的管理平台和运行平台，并根据不同应用的特性集成相关的内容服务，与行业需求紧密联系在一起，提供准确的服务信息，从而达到物联网的智能化应用。2.1.2 物联网的关键技术(1)RFID 技术RFID技术是利用射频信号和无线电讯号识别特定的目标，同时将相关的数据被读写。它不需要识别系统和特定的目标之间产生实质性的接触，识别工作也不需要人工干预，操作不仅方便而且比较快，更重要的是它可以在各种严酷恶劣的环境下进行识别。电子标签、读写器和天线是构成最简单的 RFID所不可缺少的元素。RFID 系统的工作原理是：在
12、天线的射频范围内放入电子标签时，将会产生感应电流，然后电子芯片借助感应电流获得能量，发送出存储于其中的物品信息（Passive Tag,被称为“无源标签” ） ，或者主动发射出某一频率的信号（Active Tag，被称为“有源标签” ） ；读写器接收它所发出的信号，并完成解码和解调后，把所获得的信息送至中央信息处理系统，从而实现有关数据的处理 5。RFID工作的原理图如图 3所示：图 3 RFID原理图到现在为止，RFID 技术已经成功应用于智能农业、动物识别、医疗卫生、物流管理、农业和畜牧业生产的控制和产品的追溯等方面。比如：在蔬菜生产过程中，将温度、湿度、光敏、气敏、土壤等多个传感器和 R
13、FID电子标签相结合并应用在一起，不仅可以感知需要添加有机肥、农药、生长调节剂和肥料等物质信息的时间，而且还可以准确地记录、存储和管理每一批蔬菜的种苗来源、优劣、培育场所，以及培育、质量检测、运输等所有的信息。利用 RFID技术，不仅可以在很大程度上减少种植蔬菜的投资成本，而且还可以快速推动精细农业和智能农业的发展。(2)传感器技术传感器不仅是组成物联网的基础元件，而且还是实现万事万物被感知的重要手段。在一般情况下，传感器往往根据湿度、温度、二氧化氮浓度、氧气含量、声和光等信号，对物体信息进行感知，进而把物体最真实的信息提供给物联网基础服务处。传感器的作用是收集和处理在网络所覆盖的区域范围内被
14、感知到的对象信息，并将其传输到观察者的计算机上。传感器被认为是人类五官的延长，故被称为“电五官” ，它已经渗透到环境保护、工业生产、医学诊断、生物工程、物流运输等众多领域，被广泛应用于人类的生产和生活中。例如，在水产养殖中，鱼类的生长都会受到水中的氨氮计 算 机读 写 器天 线发收信息控制器件标 签天 线控制器件收发信息 存储装置含量、酸碱度及溶氧量等的影响，通过使用生物传感器可对水质中的各项参数实行全天 24小时的监测预警。当检测到参数发生异常时，采取自动防控措施进行处理并能及时将相关信息传输到养殖户手中。智能控制系统的应用不但使养殖环境的自动控制得到了实现，而且完成了水体环境的闭环控制。它
15、在很大程度上提高了养殖业的产品质量和产量，不仅节约成本，还使产业成效提高到 10%以上，从而进一步地达到提高经济效益的目的。2.2国内外农业信息化的发展现状发达国家的农业信息化相对来说发展的比较好，特点比较明显，其中最突出的就是网络化。农业生产者利用现在的科技产品，比如常用的手机、电脑和电话等，就能体会到网络的作用，并可以借此查阅与农业相关的信息，快速的了解到与农业生产相关的动向信息，从而得到及时的指导并做出正确的决策，从而使风险降到最低。再有就是综合化,把多种现代技术相结合，发挥最大的作用。最后是全程化。就现在的状况来说，科研机构和信息研究等越来越注重结合性,在各个阶段都有交叉部分。这些结合
16、的项目不但使原有的优势得以巩固和发展，也弥补了原先的不足之处,使原有的弊端得到一定程度的改善,使农产品的竞争力在世界市场上得到了进一步地增强 6。 目前，我国在农业生产、资源利用以及其他方面的科学研究都采用了多种信息技术，并且都取得了很大的发展。尽管如此，与发达国家进行比较而言，我国仍存在较大的差距。发达国家的平均单位产量比我国高出 30%，我国的单位产量成本反而比发达国家多出 50%，这主要是因为我国农村的信息基础设施相对来说还比较地落后,比如信息的获取、保存、传输、处理等过程,大部分还使用传统的手工方式,利用计算机等现代化设备处理信息的比率还比较低 7。所以说，我国的农业生产效率比较低。农
17、业从事者往往不能够及时的得到相关的信息，信息传播不及时。应该根据不同地区的不同特点，进行有目的有针对性的改善和发展，将农业信息化最大程度的利用起来。2.3物联网推动农业信息化的发展自解放生产力以来，我国的农业化也得到了很大的发展，虽然解决了大部分人的温饱问题，但是也要看到它的不足之处，那就是我国的农业化效益不断的下降。除此之外，农作物产量低、农村的剩余劳动力不断增多以及农业生态环境不断恶化等许多问题也都日益显现出来。这些问题表明，农业发展的传统模式已经阻碍了农业发展的现代化。所以从发展农业现代化的意义上来说，农业对信息的需求量和依赖程度还是很大的。长期以来，由于在农业的发展过程中比较缺乏信息，
18、只能够依靠经验与定性操作，所以农业被认为是有一个具有很差的可控性和稳定性的行业。然而随着互联网和通信网络在农业中的不断应用，物联网则为由传统农业向现代农业进行转变的过程提供了重要的信息支撑。资源、市场和环境这三大因素将会影响到我国农业现状的改变和农业的可持续性发展，因此，不仅要注重农业生产的产量，而且要追求高质量的农产品。同时，也要提升农产品的效益。在传统农业中，人们主要是通过人工观察、实验和测试等有限的方式获取农田信息。而在智能农业中，通过物联网技术的应用，人们能够全天 24小时不间断地准确获取土壤水分、酸碱度、氮素等土壤信息。农业科技人员就可以根据这些可靠信息分析农作物的生长环境，以及所需
19、要补充的养分，帮助农业生产者避免灾害的发生，实现科学种田养殖，进一步地增加农业生产的整体效益，降低劳动力的浪费，减少对农田自然环境的影响。长期以来的发展历程告诉我们，农业生产的每一次突破与科技的进步都是分不开的，现代农业的发展需要科学技术的支撑。3.基于物联网的农业信息化发展模式就目前而言，我国正处在由传统农业转向现代农业发展的重要时期，因此，以物联网为基础的农业信息化发展模式的建设必须立足于现阶段农业的实际发展情况，不能够脱离目前的发展阶段。在农业信息化的发展过程中，通过借鉴国外发达国家所取得的经验以及我国物联网的发展现状，我国选择采取多元化协同发展战略，以此达到提高农产品的质量和产量、提高
20、农业资源的利用率、提升农业效益，实现农业可持续发展的目标。多元化发展战略主要是指以下 3个方面的内容：第一，将局部重点建设和全面推广相结合。由于我国地域辽阔，经济文化发展极其不平衡，所以各地区农业信息化的发展水平也都参差不齐，因此，我们要大力发展现代农业，提高农业信息化水平，就必须要使用全面推动和局部突破建设相结合的战略。在农业基础设施相对比较完善的发达地区，要合理地利用各种技术设备，提高信息资源的利用率，全面推进农业信息化的建设；而在农业基础设施还不完善的贫穷地区，根据当地的实际情况可以利用广播、电视、报纸等各种方式向农民传输与农业有关的信息，大力发展农业信息化建设。第二，服务组织和服务主体
21、要多元化。目前，我国基本形成了以政府部门为主导，促进其他各种社会力量广泛参与的服务模式，各个服务部门都要以农民为主体来开展服务。第三，将技术创新与技术引进结合起来。我国是发展中国家，农业化是与工业化、信息化在同一时间一起发展起来的，起步比较晚，各方面都还有待于完善，但是对于发达国家来说就存在着很大的不同了，它是在工业信息化的成熟后期发展起来的 8。因此，一方面，我国可以在农业信息化发展的过程中借鉴其他国家的技术和经验，促进农业信息化的建设。另一面，我国也要加强科技创新，进一步加强将物联网技术应用到农业生产中的研究。综上所述，在建设以物联网为基础的农业信息化发展模式的过程中，要坚持政府的主体地位
22、，切实发挥政府的指引作用、监督作用和推动作用，创造良好的环境；调动各个社会组织参与的积极性，充分利用各种信息资源；将影响农业发展的各种因素联合起来考虑，满足农民对信息的各种需求，关心农民的切身利益，快速推动以物联网为基础的农业信息化的建设。4.物联网技术在农业信息化中的实际应用在农业生产过程中，要完成人与人、人与物、物与物相连的物联网，可以利用各种传感设备和识别技术等记录农作物的生长过程、成熟时间、运输过程、储存环境等信息，来确保农畜产品和食品的安全。在农产品和食品流通领域，各种识别技术和传感器网络的应用可以对农产品实行从农田到餐桌、从生产到流通这一整个的全过程的智能监控。在不同供应链之间，食
23、品追溯系统完成了对农畜产品和食品质量信息的无缝衔接，不仅使农畜产品和食品的运输过程得以实现数字化记录，同时也使农畜产品和食品的质量在很大程度上得到了提高。4.1农业病虫灾害的检测与防治农作物生长期间发生的病虫灾害将会对农业的生产产生显著的影响，灾害发生严重的地方，农作物会出现很大程度上的减产，同时也会使农产品的质量发生明显的下降。在发生病虫灾害的地方，农产品由于带有较高的危险性，所以不但不能出口到其他国家,而且也不能在国内市场上进行销售。病虫灾害的发生不仅会影响到农业商品经济的迅速发展，而且会使人民生活水平的质量和身体健康素质的提高有所减缓。所以从某种意义上来说，农作物的病虫害不仅阻碍了当地地
24、方经济的快速发展,更是对中国的粮食产量与质量、食品安全与卫生产生了重大的影响。到目前为止，各种各样的病害虫,特别是同时具有危害性较强的同一种害虫可能会在很大程度上影响到多种农作物的生长。针对农业生产过程中发生的一系列病虫灾害现象，在农业病虫害信息监测系统中，物联网通过利用各种具有害虫传感功能的监测传感器来完成对病虫害全天 24小时的信息监测、传输和收集。从整体结构上看，农业病虫害监测信息系统的关键主要分为四大部分：网络感知节点的设计、监测信息的采集、传感技术、无线通信技术以及数据智能化处理 9。传统的害虫监测手段最重要的是利用昆虫间化学信息的交流和物理学的反应,普遍使用的是性引诱剂和黑光灯。然
25、而，这种监测手段具有许多弊端，它不仅需要耗费大量的时间，还需要较多的人力和物力支持，更严重不足的是收集到的害虫数据利用率非常低。为了避免此类弊端,信息监测系统根据对害虫群密度的发热获取相关信息，同时与传统的监测技术相组合。传感器技术、声音信号技术和 3S技术等现代信息技术，除了能够较好的对农业生产中的各种各样的病害虫进行自动监测和计数之外，还可以使每亩的农药和化肥的平均施用量减少到 10%以上，产量提高到 5%-10%10。4.2智能化管理控制 现在，智能化管理控制被广泛地应用于农业生产中。通过在农业生产中对种植地采用智能化控制与采集系统，可对种植地的土壤湿度、空气湿度、温度等生态环境进行检测
26、。这样，农业生产者就可以立即了解到影响农作物生长的参数信息，分析这些参数的变化，从而能够及时地对保温系统、自动喷灌系统等基础性设施进行调控，保证农作物能够进行正常生长，确保农作物拥有最佳的生长环境，实现农产品的优质、高产、高效。在整个保温系统中，将不同的无线传感器节点和工作电流较低的执行结构节点组合在一起，形成一个无线网络。它利用生物信息获取的方法采集在农作物的生长过程中所需要的最佳条件，并对农作物现在的生长环境进行分析，为温室的精确控制提供科学依据 11。在自动喷灌系统中，同样先组成一个无线网络，采用无线传感器设备感知土壤的湿度，再根据预先制定的条件与接收器通信，打开或关闭自动喷灌控制系统的
27、阀门，便可以实现自动节约用水并进行浇水的目的。它既可以实现水资源的高效利用，缓解水资源使用率日益紧张的情况，也减少了 30%左右的劳动力，从而为农作物生长提供良好的生长环境 12。图 4 农业生产智能管理控制系统示意图4.3物联网在食品安全追溯管理上的应用最近几年以来，与食品安全问题有关的事件发生的频率不断增加，引起了社会的广泛关注，其中一个很重要的原因是对农产品从生产到销售这一过程的监管力度严重不足，消费者对食品的生产过程了解的也比较少，所以如果加强监管力度，则可以将食品安全问题发生的概率降至最低。而物联网技术在这个过程中所发挥的作用不容忽视。利用食品安全追溯系统可实现农副产品从生产到加工制
28、作，进行储存与运输，再到销售流通这一全过程的监控和追踪，保证农畜产品的质量与安全。在北京举办奥运会的时候，食品从生产到销售这一流程就广泛地应用了RFID标识技术，实施了食品安全追溯系统。通过该系统的应用，将所有的奥运食品贴上“电子标签” ，这样就可以从一个运动员所食用的食物就能追溯到农田，实现了从“农田到餐桌” 、从“生产到流通”这一系列全过程的食品安全的智能监控，从而保证食品的安全 13。另外，还可以对供应企业的农产品加工、运输、供货等过程进行不间断地监控，包括采用 GPS定位技术对奥运食品运输车辆进行定位，一旦出现存放产品环境的温湿度超过规定范围，系统就会自动向管理ONS服务器农作物无线传起感器 读写器信息管理系统中间件系统产品信息数据库用户互联网
