【地理视野】农业物联网的意义、功能及应用


农业物联网,即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的物联网。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。


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。


农业物联网原理


在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。


农业物联网的功能


实时监测功能


通过传感设备实时采集温室(大棚)内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据;将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台,服务管理平台对数据进行分析处理。


远程控制功能


针对条件较好的大棚,安装有电动卷帘,排风机,电动灌溉系统等机电设备,可实现远程控制功能。农户可通过手机或电脑登录系统,控制温室内的水阀、排风机、卷帘机的开关;也可设定好控制逻辑,系统会根据内外情况自动开启或关闭卷帘机、水阀、风机等大棚机电设备。


查询功能


农户使用手机或电脑登录系统后,可以实时查询温室(大棚)内的各项环境参数、历史温湿度曲线、历史机电设备操作记录、历史照片等信息; 登录系统后,还可以查询当地的农业政策、市场行情、供求信息、专家通告等,实现有针对性的综合信息服务。


警告功能


警告功能需预先设定适合条件的上限值和下限值,设定值可根据农作物种类、生长周期和季节的变化进行修改。 当某个数据超出限值时,系统立即将警告信息发送给相应的农户,提示农户及时采取措施。


农业物联网的优势


1、科学栽培:经过传感器数据剖析可断定土壤适合栽培的作物种类,经过气候环境传感器能够实时收集作物成长环境数据。


2、精准操控:经过布置的各种传感器,体系迅速依照作物成长的请求对栽培基地的温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等进行调控。


3、进步功率:与传统农业栽培方法不一样,物联网农业栽培方法根本完成体系主动化智能化和长途化。比手工栽培模式更精准更高效。


4、绿色农业:传统农业很难将栽培过程中的一切监测数据完好记录下来,而物联网农业可经过各种监控传感器和网路体系将一切监控数据保存,便于农商品的追根溯源,完成农业出产的绿色无公害化。


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。


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%。


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。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。


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人员发出警报。食品安全追溯系统不仅保证了农副产品的安全供应,而且更为物联网的广泛应用奠定了坚实的基础。


农业物联网发展的意义


物联网不是一项全新的技术。早在1988年,当时的美国副总统戈尔便提出了“数字地球”的概念,这一概念集合了SS技术,网络,虚拟技术等多项技术,其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题,最大限度地利用资源,并且更加迅速、准确地获得信息、交换信息。物联网正是继承了这一概念,通过计算机、通讯技术、传感技术、网络技术以及信息处理技术发展到今天而产生的集成性创新技术。数字农业是数字地球的一个分支,它利用现今的物联网技术,实现农产品生产、加工、流通和消费等信息的获取,通过智能农业信息技术实现农业生产的基本要素与农作物栽培管理、畜禽饲养、施肥、植保及农民教育相结合,提升农业生产、管理、交易、物流等环节智能化程度,从而可以以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入,并改善环境,高效地利用各类农业资源,取得经济效益和环境效益。农业物联网是一项综合性很强的系统工程,是农业实低耗、高效、优质、环保的根本途径,是世界农业发展的新趋势,也是我国农业迈向21世纪的最佳选择。


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。


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。


农业物联网是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。远程控制的实现使种植人员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。


农业物联网发展趋势


传感器将向微型智能化发展,感知将更加透彻:


农业物联网传感器的种类和数量将快速增长,应用日趋多样。近年来,微电子和计算机等新技术不断涌现并被采用,将进一步提高传感器的智能化程度和感知能力。


移动互联应用将更加便捷,网络互联将更加全面:


移动宽带互联正在成为新一代信息产业革命的突破口。宽带化、移动化、智能化、个性化、多功能化正引领着信息社会的发展。


物联网将与云计算大数据深度融合,技术集成将更加优化:


云计算能够帮助智慧农业实现信息存储资源和计算能力的分布式共享,大数据的信息处理能力将为海量的信息处理和利用提供支撑。


物联网将向智慧服务发展,应用将更加广泛:


随着物联网关键技术的不断发展和产业链不断成熟,物联网应用将从行业应用向个人、家庭应用拓展。农业物联网的软件系统将能够根据环境变化和系统运行的需求及时调整自身行为,提供环境感知的智能服务,进一步提高自适应能力。



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