基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)平臺的研究

鄭玉娟 張亞東

[摘 要]物聯(lián)網(wǎng)作為以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)將物與物、物與人連接在一起，實現(xiàn)人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。隨著物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及，其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，網(wǎng)絡(luò)工程在智慧農(nóng)業(yè)等信息技術(shù)平臺的建設(shè)中也越來越重要。智慧農(nóng)業(yè)平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的環(huán)境、生產(chǎn)資料、人力等進(jìn)行全面監(jiān)管、巡檢，做到全程數(shù)字化可追溯，并從歷史的監(jiān)測數(shù)據(jù)中分析建立智能經(jīng)驗庫，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息平臺的數(shù)字化、智能化。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)工程;智慧農(nóng)業(yè)

[中圖分類號]TP311.52 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 智慧農(nóng)業(yè)概述

近年來，5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等已逐漸走進(jìn)人們的生活，各個領(lǐng)域都有其應(yīng)用的場景，農(nóng)業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)也在經(jīng)歷著數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型與升級，其中智慧農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)科學(xué)研究院信息研究所周國民在《淺議智慧農(nóng)業(yè)》中的描述，他指出智慧農(nóng)業(yè)是通過計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)方向發(fā)展為產(chǎn)業(yè)升級、降本增效的可持續(xù)綠色農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)不是針對農(nóng)業(yè)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(jié)合實際建立一整套的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，是物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的深入運用，是農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化的高級階段，智慧農(nóng)業(yè)有助于提高農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)管理方面的效率，提升競爭力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究學(xué)者和專家的主要研究方向是通過智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息技術(shù)手段對農(nóng)業(yè)實現(xiàn)集約化的管理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、農(nóng)產(chǎn)品消費者提供安全、可靠、高效的管理和產(chǎn)品，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理逐步向智慧化的階段轉(zhuǎn)型和升級。

智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深層次應(yīng)用，主要有監(jiān)測巡檢系統(tǒng)、安全追溯系統(tǒng)以及智能決策系統(tǒng)。監(jiān)測巡檢系統(tǒng)每個監(jiān)測站點配置無線傳感節(jié)點，每個無線傳感節(jié)點可監(jiān)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(qiáng)度等環(huán)境信息。監(jiān)測巡檢系統(tǒng)對種植作物進(jìn)行日常采集，并根據(jù)種植作物現(xiàn)階段的營養(yǎng)需求發(fā)出預(yù)警信息，對于日常采集和預(yù)警等信息都可通過無線傳感匯聚節(jié)點快速傳遞給智能決策系統(tǒng)，決策系統(tǒng)根據(jù)設(shè)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(shù)據(jù)實時傳遞給一線農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者。安全追溯系統(tǒng)在農(nóng)作物生產(chǎn)、加工、流通和消費等多個環(huán)節(jié)實現(xiàn)一物一碼，掃碼可追溯種植管理、生產(chǎn)、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(chǎn)中的要求就是準(zhǔn)確有效以及防止偽造信息，對于每個無線傳感節(jié)點的監(jiān)測信息都采用加密編碼的方式。智能決策系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)作物的種植地環(huán)境，因地制宜，動態(tài)調(diào)整參數(shù)，動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組網(wǎng)實現(xiàn)彈性自組網(wǎng)，控制區(qū)域設(shè)備，提高產(chǎn)量，另一方面線上線下的市場經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)可用作下個生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)參考，避免大規(guī)模的同質(zhì)化生產(chǎn)引起產(chǎn)量過剩。

2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)工程作為智慧農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施在整個平臺中起著關(guān)鍵作用，它的質(zhì)量直接影響著各類傳感器信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效性，追溯系統(tǒng)的安全性和可靠性，決策指令傳達(dá)的及時有效性。網(wǎng)絡(luò)層作為智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施也需要分層實現(xiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層級將智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)劃分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個層級。感知層的基礎(chǔ)元件是各類傳感器，網(wǎng)絡(luò)為各類傳感器互聯(lián)提供無線傳感網(wǎng)絡(luò);傳輸層主要是連接傳感器和互聯(lián)網(wǎng)，并借由成熟的互聯(lián)網(wǎng)傳輸層設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)包，中間涉及多種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備;應(yīng)用層將各個農(nóng)業(yè)場景的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理和分析，為各個應(yīng)用場景提供服務(wù)。

2.1 智慧農(nóng)業(yè)前端感知層

前端感知層是智慧農(nóng)業(yè)平臺數(shù)據(jù)來源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是將現(xiàn)實農(nóng)業(yè)中大面積生產(chǎn)種植的各種物理參數(shù)通過各種途徑，自動轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)平臺中可實時處理的信息化數(shù)據(jù)。感知層利用各種傳感器、手機(jī)/PAD、條碼/RFID、拍照、攝像頭、GPS、終端、傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記與采集，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)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(jìn)行數(shù)據(jù)的智能采集，然后通過太陽能供電或市區(qū)用電連通網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等傳輸至智慧農(nóng)業(yè)平臺的管理系統(tǒng)。

2.2 智慧農(nóng)業(yè)中端傳輸層

中端傳輸層是將來自前端農(nóng)業(yè)信息感知層的數(shù)據(jù)，通過各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及匯總，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植各個環(huán)節(jié)大量的數(shù)據(jù)信息整合到一起進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。智慧農(nóng)業(yè)的傳輸層好比農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞神經(jīng)，是智慧農(nóng)業(yè)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與處理的通信樞紐，該層主要涉及的技術(shù)分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。

2.3 智慧農(nóng)業(yè)后端應(yīng)用層

智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用層主要是將通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進(jìn)行歸類與應(yīng)用，借助應(yīng)用層的域名系統(tǒng)、文件傳輸協(xié)議、遠(yuǎn)程終端協(xié)議、以太網(wǎng)、電子郵件、動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等上層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的市場需求實現(xiàn)分類管理（監(jiān)控中心、報表中心、交流中心、流程中心、溯源中心、任務(wù)管理中心），實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)平臺的綠色智能化發(fā)展。

3 子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

智慧農(nóng)業(yè)平臺的子系統(tǒng)模塊主要包括監(jiān)測巡檢系統(tǒng)、安全追溯系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)。監(jiān)測巡檢系統(tǒng)采用主流的WI-FI和ZigBee技術(shù)，ZigBee自適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，具有經(jīng)濟(jì)可靠和容易部署的特點，非常適用于環(huán)境多變的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境;Wi-Fi技術(shù)主要是用于數(shù)據(jù)信息共享的局域網(wǎng)中，其組成簡單，設(shè)備通用，易于擴(kuò)展和共享。追溯防偽系統(tǒng)的安全網(wǎng)絡(luò)需要加密通信，可采用虛擬專用網(wǎng)中常用的IPSec技術(shù)實現(xiàn)，加密的數(shù)據(jù)包和未加密的數(shù)據(jù)包從各個IP網(wǎng)絡(luò)看幾乎是透明的，在數(shù)據(jù)包通過公網(wǎng)傳輸時，不用擔(dān)心被監(jiān)視、篡改和偽造。智能決策系統(tǒng)在生產(chǎn)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(tài)轉(zhuǎn)換為工作準(zhǔn)備狀態(tài)只需15毫秒，節(jié)點連接入網(wǎng)只需30毫秒。

3.1 監(jiān)測巡檢系統(tǒng)

監(jiān)測巡檢系統(tǒng)主要利用感知層獲取數(shù)據(jù)，通過以下幾種方式來實現(xiàn)：（1）參考移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的手機(jī)或者PAD進(jìn)行數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的條碼/RFID掃描來錄入數(shù)據(jù)是一種從生產(chǎn)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(shù)據(jù)、利用GPS采集經(jīng)緯度信息實時跟蹤檢測，進(jìn)行病害實拍，完成檢測報告，監(jiān)測育苗、溫室、大田、加工以及流通運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。以上各個環(huán)節(jié)可采用主流的ZigBee和Wi-Fi技術(shù)來接入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 安全追溯系統(tǒng)

通過將農(nóng)產(chǎn)品各個環(huán)節(jié)（播種、育苗、成熟、加工、銷售等）的數(shù)據(jù)及時傳至云端便可利用手機(jī)或電腦等終端設(shè)備登錄指定的網(wǎng)址查看相關(guān)信息。這種安全追溯系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)的三個層級實現(xiàn)基礎(chǔ)實時數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建，利用OneNet將現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)實時上傳，將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)實時下載，建立物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)云平臺和專屬網(wǎng)絡(luò)，最終通過應(yīng)用平臺和客戶端來追溯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及后期加工銷售的各個環(huán)節(jié)，從而保證綠色農(nóng)業(yè)的智慧生產(chǎn)、智慧管理、智慧服務(wù)。

3.3 智能決策系統(tǒng)

智能決策系統(tǒng)需要通過應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分析來實時反映并調(diào)整農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境，及時有效地改善種植地的相關(guān)物理參數(shù)，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(wǎng)絡(luò)ZigBee可以滿足要求。通過ZigBee低功耗、無線組網(wǎng)的通信技術(shù)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合可以很好地保證智慧農(nóng)業(yè)平臺智能決策的高效性和準(zhǔn)確性。

4 總結(jié)

文章通過對智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，基于物聯(lián)網(wǎng)的特點，論證了各個協(xié)議的特點，對智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)進(jìn)行了深入研究與分析，基于此構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)平臺在基礎(chǔ)設(shè)施方面為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息平臺的數(shù)字化、智能化提供了有效、安全、可持續(xù)的保障。

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