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物联网概论报告

物联网农业系统

吴原双，郑彪，陈炳鑫，秦煜，朱洪剑，刘松，曹杰

（浙江农林大学信息工程学院物联网142）

摘要：

随着物联网的快速发展，物联网在各个邻域也开始展现它的能力。

在人口大国中国，农业是重中之重，农业物联网是我们研究的重点，利用物联网资源（传感器射频等）构建物联网农业系统以及它的实用性也正是我们报告的主题。

关键字：

物联网；农业；传感器

目前，信息技术正日益深刻地改变着世界经济格局、社会形态和人类生活方式，同时也被广泛应用于农业各个领域。

智能农业或信息化农业是现代科学技术革命对农业产生巨大影响下逐步形成的一个新的农业形态，其显著特征是在农业产业链的各个关键环节，充分应用现代信息技术手段，用信息流调控农业生产与经营活动的全过程。

一农业物联网背景及其前景

随着第三次产业革命的发展，人类的生产力获得了极大的发展。

随着各项技术的成熟并成熟应用，各种技术相互交叉，产生了新的革命性变化——物联网。

我国是人口大国，亦是产粮大国和农业需求大国。

随着经济的发展，人们迫切的需要应用更多的技术应用于农业生产中，于是便催生了物联网在农业生产中的应用。

农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要也是现代农业发展的方向。

。

而从人类的历史中来看，每次成功把握住产业革命的国家总能获益匪浅，中国作为崛起中的大国，物联网技术更需在中国农业获得应用。

农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

可以大量的节约劳动力，而我国即将步入老龄化，由此可见在农业中应用物联网技术是大势所趋，必将取得极大的成果。

二物联网技术在农业中的应用

所谓农业物联网，就是在大棚中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。

”这样就能够实现技术人员的远程控制，在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。

采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

而这项技术已在国外取得了极大的成功，伴随着这中国西部大开开发战略，此项技术可以有效的解决西部恶劣环境。

其意义在于

1在种植准备阶段，我们可以利用温室内传感器获取并分析实时的土壤信息，来选择合适的农作物。

2在种植和培育阶段可以用物联网技术采集温度，湿度的信息，进行高效的管理从而适应环境的变化。

3在农业收获阶段我们也可以利用物联网收集各种信息，反馈到前台，从而在种植阶段进行更精确的测算。

4提高效率，节约人力。

三传感器在农业物联网中的应用

（一）传感器在农业应用的目的

针对我国设施农业存在的问题和同类产品的不足，旨在提供一套通用设施环境信息监控和管理平台，用物联网技术提升设施农业精准管理水平。

（二）基本研发思路

研制具有自主知识产权的无线监控节点、嵌入式网关设备，完成环境感知与控制功能；开发通讯服务器和信息服务网站软件，提供监测数据长期存储、灾害报警、数据汇总和农情分析功能；通过系统内部标准交互协议与软硬件通用性设计，使系统适应不同监控应用需求。

（三）在农业应用的创新

1.完全采用无线通信方式。

由无线传感器网络完成环境感知和设备控制，利用GPRS实现上层信息交互。

2.通用性软、硬件设计，支持快速定制不同监控系统。

可根据领域应用需求，插接不同传感器和控制设备，通过配置快速部署监控系统。

3.层次化系统结构，支持多种应用模式。

分为基地自治、单基地、多基地等模式，适合不同规模的监控应用。

4.分布式无线设备控制与远程短信报警相结合的管理机制。

（四）技术支持

1.无线监控节点中接口通用性设计，基于ZigBee协议的自组网和数据交互技术。

2.嵌入式网关设备中Wince系统移植、基于EVC的功能开发、Sqlite数据库并发访问。

3.信息服务网站中基于用户权限的安全管理与农情分析。

4.系统内部标准交互协议制定与实现。

5.主要的技术指标

（1）监测空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光强、降雨量、风速、风向等9类因子。

（2）采用2.4GHz无线通信，无阻隔条件下节点间无线传输距离为100米。

（3）支持分布式设备控制

（4）快速定制与部署不同监控应用。

（五）现代设施农业常用的传感器种类

传感器在农业应用的主要包括空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分含量传感器、光照强度传感器、CO2含量传感器、NH3含量传感器、肥分（氮、磷、钾含量）传感器等，此外在喷灌和滴灌场合还可能用到水流量传感器、水温传感器等。

（六）各类常用传感器的用途

1. 空气湿度传感器：

用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使用的有效温度范围在0~50℃，有效湿度范围在30~90%。

大部分安装在温室、大棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安装1~4个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。

图1：

空气温度传感器

2.土壤温度传感器：

用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10~40℃（土壤热容积较大，温度变化不很明显），安装在作物根部土壤中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤温度变动情况。

根据温室或大棚长度安装2~4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。

图2：

土壤温度传感器

3.土壤水分传感器：

用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。

目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%，其二为质量含水量，即M/M%，大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围在10~70%。

因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水量会有不同。

根据温室或大棚长度安装2~4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。

图3：

土壤水分传感器

4.CO2含量传感器：

 用于检测环境中CO2含量，便于决定是否增施气肥或需通风换气。

一般以ppm为单位，有效范围在100~1000ppm之间。

可以用在温室、大棚中，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。

温室、大鹏中主要检测有光照情况下CO2含量是否低于作物光和作用的最佳浓度，在畜禽舍中主要检测密封环境下CO2浓度是否超出影响畜禽能生长发育的最大浓度，以便于及时通风换气。

独栋温室、大棚或畜禽舍安装1个即可。

图4：

co2含量传感器

5.NH3含量传感器：

用于检测畜禽舍环境中NH3的含量，以决定是否需要通风换气和清除粪便。

一般以ppm为单位，有效范围在0~100ppm之间。

养鸡场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大量蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为NH3，而NH3又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦NH3浓度超过一定值，蛋鸡产蛋率明显下降，甚至不产蛋，需要数周后才能恢复。

一般安装1个即可。

图5：

NH3含量传感器

6.光照度传感器：

用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮阳或补光。

单位lux（勒克司），有效范围在200～200000Lux。

一般安装在温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的光照强度是否满足最基本需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与CO2传感器联合使用，可以为何时增施气肥提供参考。

安装时考虑向阳并且避免被遮挡。

一般安装1个即可。

图6：

光照度传感器

7.营养元素传感器：

用于检测作物生长环境中N（氮）、P（磷）、K（钾）的含量，以决定是否需要施肥。

一般用于检测无土栽培环境中所调配的营养液中营养元素含量，或根据流回的营养液中元素的吸收情况决定营养元素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土壤营养元素含量检测。

图7：

营养元素传感器

四．整合各方资源推进农业物联网建设

近五年来，物联网行业在全球和中国飞速发展，特别是农业物联网的发展，正悄然改变着中国农业面貌，将中国的现代农业推向新的历史舞台。

面对中国日益突出的三农问题和粮食安全、食品安全问题，农业物联网已成为中国农业的新一轮改革方向，是实现农业信息化、现代化的必由选择。

当前，农业物联网技术主要应用于设施农业、水产养殖、畜禽养殖和大田作物四大领域。

从其实现的技术功能来看，主要应用在4个方面:

（一）农产品安全溯源。

使用射频识别、二维码和电子耳标等身份识别技术，可以对农产品进行身份标识，并对农产品的生产、加工、交换和流通等各环节进行全程跟踪记录，进而将记录的数据信息存储在农业物联网云端中心的服务器上，供终端消费者实时验证查询。

农业物联网农产品安全溯源这一技术功能已在多个地方得到广泛应用。

例如，江苏省宜兴市应用二维码技术对螃蟹、白菜等农产品进行安全溯源;江阴市应用电子耳标技术构建“放心肉”安全信息追溯平台，实现食品安全溯源功能。

（二）精准化农业生产管理。

传统农业的生产管理主要基于感性经验，不管是在生产投入、过程管理还是结果统计上，都呈现粗放型特征。

农业物联网技术的应用则可以实现生产投入、过程管理和结果统计三位一体的精准化生产管理。

在生产投入上，农业生产者可以通过遥感、传感器件等技术对生产作业的土地、水域、空间或养殖对象进行准确信息参数感知，进而精准确定水、肥、药、食等要素的投入水平，实现投入精准化。

江苏省宜兴市在水产养殖上采用农业物联网技术，实时监控池塘内的溶解氧含量等水质参数，在溶解氧含量最佳的时候进行精确投喂，实现投入的精确化。

在过程管理上，通过对生产对象及其环境的实时信息感知，对生产对象或环境施加影响，使生产对象处于精确优化的生长状态，实现生产管理过程精准化。

当前，不少地方的智能温室大棚可以实时感知温室内的温度、湿度和光照，生产者可以根据精确数据信息及时调整环境参数;通过使用光谱分析技术可以对作物的营养状况实时感知，为生产过程中的营养投入决策提供科学依据。

在结果统计上，借助“3S”和传感器件技术可以精确测定农业生产的产出结果。

例如，在农业收割机械上嵌入传感器件，可以精确统计农产品的收成数据;在奶牛挤奶收集设备上装上计量传感器，可以精确统计奶牛的产奶量。

（三）远程、自动化农业生产管理。

农业物联网技术与信息控制、人工智能和自动化控制等技术结合，实现农业生产管理的远程化和自动化。

如在智能温室大棚中，通过农业物联网智能控制技术，可以实现智能自动打开、关闭遮阳板来调整光照强度，通过智能自动打开、关闭加热设备或通风设备来调节温度。

江苏省宜兴市的智能水产养殖监控系统可以根据池塘水中溶解氧的含量自动或远程增氧，甚至进行远程自动化投喂。

这种远程、自动化生产管理方式使得生产者即使远在外地，也可对生产对象进行远程自动化管理。

这种自动化还体现在对气候或病虫灾害的智能化监测预警上;而远程化则体现在农业生产者可以借助农业物联网实现远程专家咨询功能;农业生产者通过农业物联网系统立即将病虫害等症状信息发给远程专家，远程专家就可以及时进行远程诊断和处理。

（四）农产品智能储运。

智能储运功能分为智能物流和智能存储两个方面。

智能物流通过应用身份识别和GPS等技术对农产品进行远程标识和跟踪，实现对农产品的非接触式物流管理，即无需手动扫描识别和搬运等，而借助于自动控制技术实现农产品的智能自动化分类、分拣、装卸、上架、追踪和销售结算等。

智能存储应用方面，由于农产品的存储需要控制温度、湿度、光照等条件，来实现保鲜和防腐。

智能储运一方面可以保障食品安全，另一方面也可以实现节约能源的目标。

如冷冻食品运输过程中，需要对食品进行冷冻降温保存，温度过低则会浪费电能，温度过高则会造成食物腐败，农业物联网应用智能化温度控制系统，采用精确智能的温度控制，既节约了电能又实现了防腐的目标。

农业物联网的社会经济效益农业物联网技术实现了食品安全溯源、农业生产管理的精准化、远程化和自动化及农产品智能储运等技术应用功能，这些技术功能具有一定的社会经济效益。

在经济效益方面，主要表现在其有利于提高生产效率、降低循环流转成本、节约能源资源投入成本、增加农产品附加价值、带动农业物联网技术相关设备和软件产业的发展等;在社会效益方面，主要表现在其有利于保护生态环境、保障食品安全、节约能源资源、引导产业结构均衡发展和实现“人”的进一步“在场”解放。

农业物联网技术功能与社会经济效益的逻辑结构和内在关系如图8所示。

图8：

农业物联网社会经济效益模式

五．经济效益

（一）生产效率提升。

农业物联网实现了生产管理的远程化、自动化以及智能物流运输，生产管理和流通过程更加快速、高效，提高了单位时间的生产效率。

同时，还实现了生产管理的精准化，提高了单位面积、空间或单位要素投入的产出比率，即提高了投入产出效率。

（二）循环流转成本降低。

这里的循环流转成本主要指物流成本、交易成本和代理成本。

借由农业物联网技术，农产品具有了身份标识，其生产、管理、交换、加工、流通和销售等各环节的产品信息实现无缝对接，可以实现农产品的自动归类、分拣、装卸、上架、跟踪以及自动购买结算等，降低了物流成本。

不仅如此，农业物联网技术的应用还实现了农业各循环流转环节的远程化、数字化和智能化，使得农产品信息发布和对接更加便利，甚至可以实现农业生产与电子商务的直接对接，既为减少其循环流转环节提供了重要契机，也为降低循环环节中信息的不对称性提供了有力保障，从而为农产品交易成本、代理成本的降低提供了较大空间。

（三）能源资源的成本节约。

过去基于感性经验的农业生产和管理方式，能源资源浪费较为普遍，农业灌溉、施肥、用药、喂食过度等行为产生了能源资源的浪费问题，增加了能源资源投入成本。

物联网技术的应用使精准化农业生产管理方式得以实现，能源资源投入成本得以节约。

智能存储技术也为流通环节的能源节约提供了巨大空间;而生产管理的远程化和智能化减少了农业从业者到达现场的必要性，为降低基于人的实体流动而产生的能源资源消耗提供了条件。

（四）农产品经济附加值的增加。

农业物联网技术下，农业生产和管理精确可控，肥料和农药、饲料添加剂等用量精确科学可控，其残留率可得到有效控制。

智能储存技术在流通环节为农产品的保鲜和防腐提供了技术支撑，而食品安全溯源技术为农产品安全的全程溯源提供技术保障，从而农产品质量安全得到保障，经济附加值得到提高。

（五）带动农业物联网技术设备及相关产业经济发展。

农业物联网技术除了提升农业产业自身的发展外，还可以带动其相关物联网技术设备和软件产业的发展。

六．社会效益

（一）保护生态环境。

农业物联网技术改变了过去基于感性经验的农业生产管理方式，通过精确、科学的数字化控制手段进行农业生产和管理，可以有效避免用药、施肥、灌溉等行为的过度化和滥用，从而避免对生态环境的破坏，起到保护生态环境的目标。

药物的滥用会导致对农业生态系统中其他生物的生存带来危机，肥料的滥用会带来土壤结构失衡和环境污染，过度灌溉则会导致土壤的板结和盐碱化。

基于精确数字化控制的物联网农业技术的应用，可以避免和减少这种生态环境破坏问题。

（二）保障食品安全。

农业物联网技术的应用实现了农业生产管理的精准化，可以有效控制投入的化肥、农药和饲料添加剂等危害健康的物质残留问题。

流通环节的智能储运技术为农产品的保鲜和防腐提供了技术支持，而食品安全溯源技术更是为食品安全监控提供了保障。

所以说，农业物联网技术的应用可以有效保障食品安全。

（三）节约能源资源。

农业物联网技术所带来的能源资源节约除了具有节约经济成本的经济效益外，从能源和资源保护的视角看，也具有积极的社会效益。

（四）精确农业产出的预测和统计，引导农业产业结构平衡发展。

农业物联网技术通过应用遥感技术进行产量预测，通过将传感器件集成到机械装备上可实现精确测产，使得农业产业产量预测和精确测产技术得以广泛应用，有助于引导产业结构平衡发展，避免因信息不对称所导致的产业结构失衡，进而引发农民增产不增收等问题。

（五）实现“人”的“在场”解放。

农业物联网技术实现了农业生产管理的远程化和自动化，减少了农业从业者到生产现场进行作业的必要性;而农产品智能储运技术也使流通环节的从业者的“在场”参与必要性大大降低。

“人”得以从“在场”的束缚中得到进一步松绑。

这里的“人”既包括农业生产管理者，也包括提供咨询诊断服务的专家，还包括物流搬运人员以及销售终端的结算人员等。

这种“人”的进一步解放对于人类突破改造自然活动的实体“在场”限制具有极其重大的社会价值和意义。

七．结语

农业物联网通过应用射频识别、二维码、电子耳标等身份识别技术对农业生产对象进行身份标识，通过传感器件实时感知和监测生产对象及其环境，继而根据感知和监测结果手动或自动对生产对象及其环境施加影响，以使农业生产、管理、加工、流通和销售等各循环流转环节更加智能化、数字化和远程化，使传统基于感性经验的农业生产作业方式逐步向智能精确的方向发展。

农业物联网技术的应用提高了生产效率，降低了循环流转成本，节约了能源资源，提高了农产品经济附加值，带动了农业物联网相关技术设备和软件业的经济发展，产生了明显的经济效益。

同时，农业物联网技术的应用还有利于实现农业领域的生态环境保护、食品安全保障、能源资源节约、农业产业结构平衡以及实现“人”的进一步解放等社会效益。

本研究有助于深化人们对农业物联网技术架构体系、技术应用及其社会经济效益的认识，对加强我国农业物联网技术的宣传和推广工作、推动其从示范走向普及、加速实现我国农业现代化具有积极价值和意义。

但也要看到，农业物联网社会经济效益的充分实现和发挥还有赖于农业生产经营的规模化和集约化，这也是农业物联网技术推广普及中有待进一步研究和解决的问题。

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