傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用淺析

高衛(wèi)勇

摘? ?要? ?隨著信息及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)日益成熟與廣泛。結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵，介紹了傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、有線通信技術(shù)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)及云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)等傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并綜述了傳感網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)感知、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)監(jiān)管、農(nóng)產(chǎn)品流通及銷售等方面的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞? ?智慧農(nóng)業(yè);傳感網(wǎng);物聯(lián)網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN711.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.28.023

國(guó)家“十三五”規(guī)劃指出要健全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新推廣體系，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平。智慧農(nóng)業(yè)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，智慧農(nóng)業(yè)的概念是由電腦農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（精細(xì)農(nóng)業(yè)）、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)等名詞演化而來(lái)，智慧農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代生物技術(shù)、種植技術(shù)等高新技術(shù)融合于一體，對(duì)建設(shè)世界水平農(nóng)業(yè)具有重要意義。具體來(lái)講，智慧農(nóng)業(yè)是云計(jì)算、傳感網(wǎng)、3S等多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中綜合、全面的應(yīng)用，完成了信息支持、大田信息采集、生產(chǎn)數(shù)據(jù)搜集等各個(gè)環(huán)節(jié)的連接，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能控制[1]。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述分析了傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

1 傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

傳感網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)對(duì)象的信息化，并實(shí)現(xiàn)物與物之間相互連接，進(jìn)行信息交換與傳輸[2]。傳感網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：通常節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境;節(jié)點(diǎn)部署分部隨機(jī)，節(jié)點(diǎn)具有能量存儲(chǔ)功能或者能夠自充能功能，節(jié)點(diǎn)能耗低;節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)靈活，形式多樣，可自組網(wǎng)。傳感網(wǎng)技術(shù)包含傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、設(shè)備節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信技術(shù)，云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)等。其中設(shè)備節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信一般分為有線與無(wú)線兩種方式，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選取。

1.1 傳感器技術(shù)

作為現(xiàn)代社會(huì)信息技術(shù)的三大支柱之一，傳感器技術(shù)的普及程度成為信息化、自動(dòng)化、智能化的重要標(biāo)志。傳感器數(shù)據(jù)采集分為模擬量、數(shù)字量與開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，光照度、氣體濃度傳感器為模擬量采集傳感器，溫濕度傳感器為數(shù)字量傳感器[3]，紅外信號(hào)及聲音信號(hào)傳感器可采用開關(guān)量數(shù)據(jù)采集形式。目前，傳感器通常與微處理器相結(jié)合構(gòu)成自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)設(shè)備，傳感器的性能與質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的優(yōu)劣有著重要影響，甚至起著決定性作用。

1.2 微處理器技術(shù)

微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小、重量輕和容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)，微處理器一般作為傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的控制核心，實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用功能。微處理器大致可以分為3類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器。目前，可用于傳感網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的微處理器種類較多，有意法半導(dǎo)體的STM32微處理器系列，面向工控和終端類應(yīng)用的龍芯2號(hào)等[4]。

1.3 有線通信方式

通常有RS485總線通信及CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，RS485與CAN總線通信均為差分通信，抗干擾能力強(qiáng)，RS485網(wǎng)絡(luò)為主從式網(wǎng)絡(luò)，CAN網(wǎng)絡(luò)為多主式網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)不分主次，通信方式靈活。有線通信方式起源于工業(yè)工作的現(xiàn)場(chǎng)總線，并不局限于RS485與CAN總線通信，目前工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)已經(jīng)成熟，正在逐步推廣及應(yīng)用。有線通信方式通常用于設(shè)備位置相對(duì)固定的場(chǎng)所，如溫室大棚、檢測(cè)站等。

1.4 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線通信包含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信、Wi-Fi通信、ZigBee通信、LoRa通信等[5]。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信通?；诂F(xiàn)有中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信等網(wǎng)絡(luò)，利用專用模塊如NB-IoT模組NB86-G以及公共云平臺(tái)如OneNet進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。Wi-Fi通信一般基于專用WIFI芯片構(gòu)建局部環(huán)境網(wǎng)絡(luò)，通信速率相對(duì)較高。ZigBee技術(shù)用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、隨機(jī)部署的環(huán)境，LoRa通信用于遠(yuǎn)距離，不需要運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，可以部署在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信的未覆蓋到區(qū)域。

1.5 云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)在傳感網(wǎng)中側(cè)重于應(yīng)用配置方面[6-7]。例如，在云平臺(tái)上針對(duì)特定的傳感網(wǎng)項(xiàng)目建立對(duì)應(yīng)的工程，建立工程時(shí)需要配置工程名及行業(yè)類別，選擇傳感網(wǎng)項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的傳輸協(xié)議如NB-IoT、Wi-Fi或TCP等，設(shè)定監(jiān)測(cè)的傳感數(shù)據(jù)及控制對(duì)象等。在云平臺(tái)可以檢測(cè)傳感網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控[8]。

2 傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)感知方面

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的灌溉、施肥、除草、除蟲等工作一般都是人為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察做出的，存在滯后等問題。智慧農(nóng)業(yè)借助傳感網(wǎng)向少人化、集成化、自動(dòng)化發(fā)展，通過傳感網(wǎng)技術(shù)中的傳感器可以檢測(cè)各類生產(chǎn)決策相關(guān)的信息。如通過土壤溫濕度傳感器可以全面監(jiān)控土壤的墑情;通過氣體傳感器可以監(jiān)控空氣中氣體含量;通過光照傳感器可以監(jiān)控光照情況。利用ZigBee技術(shù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)智能大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，是傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的典型應(yīng)用，此外還有土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站等。智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)向大田監(jiān)控方向發(fā)展，如建立大田視頻監(jiān)控系統(tǒng)，大田風(fēng)力及溫濕度、光照度監(jiān)控站等。目前農(nóng)業(yè)方面?zhèn)鞲衅餍枰谝子眯?、長(zhǎng)壽命、低成本方面加以突破。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要走綠色、高效發(fā)展道路，在灌溉環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)灌溉的方式存在效率低，成本高，水資源利用率低等問題?；贚oRa及NB-IoT通信技術(shù)無(wú)線智能水肥一體化灌溉系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉設(shè)備的統(tǒng)一管理和遠(yuǎn)程控制，可在手機(jī)端，電腦端查看灌溉數(shù)據(jù)和環(huán)境信息，具有提高了水資源利用率、避免過度施肥、精準(zhǔn)調(diào)控、節(jié)省人工等特點(diǎn)。在除蟲環(huán)節(jié)，利用傳感網(wǎng)技術(shù)的太陽(yáng)能滅蟲燈及自動(dòng)識(shí)別蟲情測(cè)報(bào)燈等方法進(jìn)行綠色除蟲，其中自動(dòng)識(shí)別蟲情測(cè)報(bào)燈是一種自動(dòng)采集蟲情和識(shí)別病蟲害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病蟲的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)誘殺，同時(shí)可將蟲情上報(bào)，可根據(jù)蟲情趨勢(shì)采用無(wú)人機(jī)撒藥等方式[9]。此外，基于傳感網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng)如自動(dòng)噴灑系統(tǒng)、自動(dòng)換氣系統(tǒng)等能適用于不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景如溫室大棚、家庭農(nóng)場(chǎng)。集成北斗導(dǎo)航模塊或者高精度數(shù)字土壤數(shù)據(jù)開發(fā)的高智能傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)更精確的耕地、灌溉與施肥作業(yè)控制[10]。

2.3 農(nóng)業(yè)監(jiān)管方面

國(guó)家推行標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)，劃定耕地面積紅線的同時(shí)還有保證現(xiàn)有耕地的質(zhì)量，如解決黑土地的退化及土地板結(jié)等問題。在傳感網(wǎng)技術(shù)中，可利用土壤傳感器監(jiān)測(cè)土壤pH值、氮磷鉀含量、土壤電導(dǎo)率等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤質(zhì)量的監(jiān)控。根據(jù)空氣質(zhì)量傳感器及視頻系統(tǒng)監(jiān)控農(nóng)田空氣環(huán)境，根據(jù)土壤墑情檢測(cè)站、植物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的檢測(cè)信息進(jìn)行產(chǎn)量監(jiān)控，這些傳感信息還可以作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建局部農(nóng)田數(shù)據(jù)庫(kù)以指導(dǎo)來(lái)年生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)部門的生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。另一方面，傳感網(wǎng)技術(shù)集成了溫濕度檢測(cè)、風(fēng)速等氣象信息以及視頻監(jiān)控等信息，有利于三農(nóng)一體化發(fā)展，服務(wù)智慧農(nóng)業(yè)的同時(shí)，能夠促進(jìn)農(nóng)村設(shè)施建設(shè)、農(nóng)村文明發(fā)展。

2.4 農(nóng)業(yè)流通及銷售方面

智慧農(nóng)業(yè)中對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的加工處理有助于農(nóng)產(chǎn)品的流通與銷售，在傳統(tǒng)加工處理環(huán)節(jié)較為粗放，人力較多，自動(dòng)化程度低，利用傳感網(wǎng)技術(shù)可以構(gòu)建自動(dòng)化加工處理流水線有利于信息化、提高效率及加工處理質(zhì)量。此外，可對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)全過程溯源，通過運(yùn)用電子標(biāo)簽或者條形碼等形式，記錄農(nóng)產(chǎn)品全生命周期，保證質(zhì)量;通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)視頻系統(tǒng)使過程可視化、信息更加透明化，結(jié)合VR實(shí)景體驗(yàn)等進(jìn)一步刺激消費(fèi)，增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 小結(jié)

作為人口大國(guó)，保障糧食安全一直是我國(guó)的重要任務(wù)。智慧農(nóng)業(yè)是保障糧食安全重要舉措，是藏糧于地、藏糧于技的重要體現(xiàn)。傳感網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，有助力于智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)完備的信息化基礎(chǔ)支撐、實(shí)時(shí)全面的農(nóng)業(yè)信息感知、廣泛全面的互聯(lián)互通、高效的遠(yuǎn)程智能控制、精準(zhǔn)的決策及公眾服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許愛萍.天津智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的主要問題與解決路徑[J].世界農(nóng)業(yè)，2017（3）：198-203.

[2]? 陳繼欣，鄧立.傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)（中級(jí)）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[3]? 李瓊，韓雪.溫濕度傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].電腦與電信，2018（10）：6-11.

[4]? 徐帥，林寶軍，劉迎春，等.基于龍芯宇航級(jí)芯片的BSP開發(fā)和移植[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2020（4）：571-579.

[5]? 劉婷宜，黃海峰.中國(guó)電信發(fā)力NB-IoT智慧消防 推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模商用[J].通信世界，2018（16）：10.

[6]? 楊鵬飛，楊瑞娟.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)管理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2019（2）：41.

[7]? 管孝鋒，陸林峰，吳曉柯.浙江省智慧農(nóng)業(yè)云平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2020（3）：595-59，601.

[8]? 王雪.智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019（8）：29-30，146.

[9]? 李凱亮，舒磊，黃凱，等.太陽(yáng)能殺蟲燈物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].智慧農(nóng)業(yè)， 2019（3）：13-28.

[10] 張維理，張認(rèn)連，徐愛國(guó)，等.中國(guó)：1∶5萬(wàn)比例尺數(shù)字土壤的構(gòu)建[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（16）：3195-3213.

（責(zé)任編輯：敬廷桃）