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物联网在智慧农业系统中的应用
摘要：介绍了物联网及智慧农业系统的内涵，结合农业智能化生产的实际情况设计了智慧农业物联网架构，主要包括物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层。同时，通过农产品疾病识别与治理系统，具体研究了物联网在智慧农业中的应用。
关键词：智慧农业系统；物联网；架构；疾病识别 0引言
我国是农业大国，传统农业在国际市场上的优势主要依赖于丰富的自然资源和低廉的劳动力成本。随着物联网等高新技术的发展，我国传统农业正在加快向现代农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。要建设智慧农业，就要依托物联网等先进的科学技术，大力推进农业科技创新，研究多功能、智能化、能推动农业生产力发展的农业科技成果，并及时地将科技成果转化为农业生产所需的技术产品，应用于农业生产的整个过程。
托普物联网指出：智慧农业系统是将全球定位系统、遥感、地理信息系统、人工智能等高新技术用于对农作物精确的管理方法。这种定位技术用于农业生产，主要是针对农田因土壤构成、肥力状况、作物生长情况等因素的差异而对种籽、化肥、除草剂和杀虫剂施用量提出的不同要求。在目前情况下，农民一般难以顾及这些因素，在同一地区不同条块的农田上使用等量的种籽和农用化学品，这除了用量过多而造成经济上的浪费之外，还导致了土壤中残余化学物质的积累和地下水资源的污染。物联网
物联网(The Intemet of Things，简称IOT)的概念是在1999年提出的，2005年国际电信联盟(ITu)发布的n’U互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络¨J。自2009年8月温家宝总理到中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心(国家传感网工程中心、无锡物联网产业研究院)考察时提到“尽快建立中国的传感信息中心或者叫‘感知中国’中心”以来，物联网被正式列为我国5大新兴战略性产业之一。
物联网的体系结构如图1所示。它可分为3层：感知层、网络层和应用层。感知层相当于人体的皮肤和五官，主要用于识别物体，采集信息包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、传感器及传感器网络等。网络层相当于人体的神经中枢和大脑，主要用于信息传递和处理，包括通信与互联网的融合网络、物联网管理中心、物联网信息中心和智能处理中心等。应用层相当于人的社会分工，与行业需求结合，实现广泛智能化，是物联网与行业专用技术的深度融合旧。目前，物联网技术已经在智慧农业、智慧城市、智慧家居、智慧医疗、智慧交通和智慧物流等领域得到了广泛的应用。智慧农业
智慧农业是最近兴起的一个概念，目前国内外还没有一个公认的定义。中国农业大学李道亮教授认为：智慧农业是以最高效率地利用各种农业资源，最大限度地降低农业成本和能耗、减少农业生态环境破坏以及实现农业系统的整体最优为目标，以农业全产业、全过程智能化的泛在化为特征，以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流和电子化交易为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生态和安全的一种现代农业发展模式与形态13]。中国农业科学院周国民研究员认为：智慧农业是充分利用信息技术，包括更透彻的感知技术、更广泛的互联互通技术和更深入的智能化技术，使得农业系统的运转更加有效、更加智慧，以使农业系统达到农产品竞争力强、农业可持续发展、农业资源有效利用和环境保护的目标。
智慧农业系统主要内容包括：
1)通过各种无线传感器实时采集农业生产现场的温湿度、光照、CO：浓度等参数，利用视频监 控设备获取农作物的生长状况等信息，远程监控农业生产环境，同时将采集的参数和获取的信息进行数字化转换和汇总后，经传输网络实时上传到相关农业智能管理系统中；系统按照农作物生长的各项指标要求，精确地遥控农业设施自动开启或者关闭(如远程控制节水浇灌、节能增氧等)，实现智能化的农业生产。
2)利用RFID电子标签，搭建农产品安全溯源系统，加强农业生产、加工、运输到销售等全流程数据共享与透明管理，实现农产品全流程安全溯源，促进农产品的品牌建设，提升农产品的附加值。
3)组建无线传感器网络，开发智能农业应用系统，对空气、土壤、作物生长状态等数据进行实时采集和分析，系统规划农业产业园分布、合理选配农作物品种、在线疾病识别和治理、科学指导生态轮作。在未来的现代农业生产过程中，智慧农业的应用将更加广泛，农户将选择合适的农业生产智能化系统，以提高农产品产量，增加收益。
3智慧农业系统物联网架构
通常情况下，应用于智慧农业系统的物联网架构，可以按物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层3个层次来设计，如图2所示。
1)物联网感知层主要由常见的传感器、RFID设备、视频监控设备等数据采集设备组成，实现将数据采集设备获取到的数据通过ZigBee节点、CAN节点等通讯模块传送至物联网智能网关，做到现场数据信息实时检测与采集。此外，上层应用系统下发的控制命令，通过物联网智能网关传送到继电器控制设备，远程控制农业设施的开关(如智能浇灌等)，实现农业生产环境的改善。
2)物联网网络层通过LAN，WLAN，CDMA和3G等的相互融合，实现现场数据信息和上层控制命令实时准确地传输与交互。
3)物联网应用层主要包括农业生产环境管理、农业生产过程管理、农业疾病识别与治理等农业应用系统，实现对由物联网感知层采集的海量数据进行分析和处理，以及对农业生产现场的智能化控制与管理。同时，为合理生产提供决策支持。
4智慧农业物联网应用案例
农产品疾病识别与治理系统已成为推动农业经济可持续发展的重要动力和保障农民收入的必要手段，本文以农产品疾病识别与治理系统为例，阐述物联网在智慧农业中的应用。系统结构如图3所示。
1)在联网感知层采用智能化传感器和视频监控设备，建立农业生产现场监控网络，采集现场农作物生长环境数据(如日照、温湿度等)和农作物生长状态图像数据，并通过ZigBee节点、WiFi节点、485节点等传送到物联网智能网关，对数据进行汇总和处理后，自动将数据上传到物联网网络层。
2)物联网网络层通过LAN，WLAN，CDMA和3G等的相互融合，将获取的数据信息传输到物联网的应用层。
3)在物联网应用层建设标准化的农产品病虫害数据库和远程专家诊断中心，将现场采集的数据信息与农产品病虫害数据库中的数据进行比对分析，从而识别出农作物的病虫害信息；对于一些不能通过比对数据库来识别的病虫害，则可以通过远程专家诊断中心进行诊断，精确地确定农作物的疾病，并给出最合理的治理决策。此外，通过病虫害预警，利用相关途径(如手机短信息等)向农户传递即将可能发生的病虫害信息，提醒农户进行及时的防治。同时，利用公共信息展示平台(如电子大屏等)实时显示农作物的相关信息，如生长环境的状况、生长状态、可能出现的病虫害和防治方法等信息，供农户进行参考。
5前景展望
物联网的发展为加快实现我国农业智慧化提供了前所未有的机遇，也必将深刻影响现代农业的未来。现阶段，我国在运用物联网来加快智慧农业的发展已经具备了一定的技术和产业化基础。但是，在智慧农业物联网关键技术和标准体系等方面仍存在着一些问题，解决这些问题需要政府、企业、科研部门及各个行业的共同努力。可以预见，在不久的将来，物联网必将会给农业领域带来革命性的变化。
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