农业物联网中关键技术研究与探讨

　　1 物联网的发展概述

　　1.1 物联网的概念及发展

　　物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网（Internet of Thlngs，IoT）是通过射频识别（RFID）、传感器网络、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，并触发相应事件的一种网络。物联网通过基于“物-物”通信模式（M2M）的短距无线自组织网络，实现物体与物体之间的相互连接和交互。

　　物联网最初的概念起源于美国麻省理工学院（MIT）于1999年提出的无线射频识别系统（RFID）。RFID将物体与物体之间用射频识别的通信技术连接在一起，实现对物体智能化的识别，并通过接人互联网，实现对物体远距离的定位、监控和管理。同时，随着无线传感器网络技术的日益成熟，以RFID技术和传感器网络技术为感知基础的物联网架构也应运而生。继互联网实现了人与人的远程交互之后，物联网将实现物与物、人与物之间的远程交互。目前，全球范围内的各个重要国家都将物联网的发展确定为国家战略的重点。2008年起，已经发展为世界范围内多个研究机构组成的Auto-ID联合实验室组织了 “Internet of Things”国际年会。2009年6月18日，欧盟执委会发表了《Internet of things——an action plan for Europe》，描述了物联网的发展前景，在世界范围内首次系统地提出了物联网发展和管理设想，并提出了12项行动保障物联网加速发展。美国国家情报委员会（NIC）发表的“2025年对美国利益潜在影响的关键技术”报告中，把物联网列为六种关键技术之一。我国也在《2010年政府工作报告》中提出了利用物联网技术推动经济发展方式的转变，物联网将成为国家经济技术发展的战略支柱之一。

　　1.2 物联网的体系架构

　　根据欧盟第七框架项目CASAGRAS2给出的物联网体系架构（图1略），物联网应该具备4个层次：①感知层。在感知层中，各种物体通过嵌入RFID和无线传感器等感知器件，自组地形成局部网络，获取自身状态或周围环境信息，并通过接入网将信息传入传输层。在有些系统中，感知层可以根据收集的信息进行一些初步的处理和响应。②传输层。通过各种电信网络（包括宽带无线网络、光纤网络、蜂窝网络和各种专用网络）与互联网的融合，实时准确的接收感知层的信息，并将该信息送至处理层进行计算处理。③处理层。利用互联网络的资源，采取云计算的方式提供数据存储、处理、决策、控制等功能，实现全球物体之间的深度互联和互动。④应用层，在农业、军事、环境灾害监测、物流供应链等不同领域建立各种具体应用。

图1 物联网体系结构

　　1.3 物联网在农业中的应用

　　我国农业正处于传统农业向现代农业的转型时期，网络信息化技术在这一时期将发挥独特而重要的作用，也为现代农业发展提供了前所未有的机遇。农业物联网可以把感应器嵌入农业机械、土地、灌溉系统等各种物体中，然后将“物”与互联网整合起来，通过智能分析，实施实时的管理和控制。这样，人类可以以更加精细和动态的方式管理农业生产，提高资源利用率和生产力水平，促进可持续发展。

　　物联网在现代农业中的应用范围主要体现在以下几个方面：（1）应用无线传感器网络建立农业精准控制系统。进行农作物田间及温室环境控制和信息反馈，用其检测作物的环境信息，监测收集土壤的温度湿度、大气气压、风速、作物生长情况等数据，并对这些信息进行处理，为农业专家进行决策并制定农田变量作业处方提供主要数据源和参数；也可自动触发相关行为，如智能灌溉或自动调节温度，保证作物良好的生长环境。（2）应用RFID技术建立现代养殖业食品供应链跟踪与可追溯体系。将RFID技术用于畜禽的个体标识，并结合无线传感网络、手持移动设备和PC机数据库技术等构建RFID养殖管理信息系统，以跟踪猪肉产品的生产、加工、批发以及零售等各个环节，实现畜禽数据的有效追溯和数据及业务的共享。（3）农用传感器还可以应用于移动信息装备制造产业、农业资源管理、农业信息网络服务产业、农业自动识别技术与设备产业、农业精细作业机具产业和农产品物流产业，实现农业生产自动化、智能化。

　　2 农业物联网中关键技术的发展

　　近年来，物联网的关键理论、技术和应用成为业界和学术界的研究热点，涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程。物联网应该具备三个特征：一是全面感知，即利用RFID、传感器等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、海计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。农业物联网中的关键技术也主要集中在传感器网络技术、身份识别技术、通信技术、智能处理技术等方面。

图2 精准的农业控制系统

　　2.1 传感器网络技术

　　无线传感器网络是物联网中感知事物、传输数据的重要手段，可以构成物联网的重要的触角和神经。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络在农业信息化领域中得到了广泛的应用，如精准农业、智能化专家管理系统、远程监测等方面。

　　基于无线传感器网络的精准农业控制系统可以实现环境的实时在线监测。系统由无线传感器网络、无线网关和监测中心三部分组成（图2略）。分布在监测区域的传感器节点采集环境数据，数据包括土壤温度、湿度、大气气压、风速、作物生长情况等。传感器的类型可以根据需要监测的农田参数进行选择，如温湿度传感器、大气压力传感器、光照强度传感器等。传感器节点以ZigBee自组网方式构成传感器网络，并通过一跳或多跳的无线通信方式将数据发送至无线网关。无线网关接收传感器节点传送来的数据，通过其他外部的网络（Internet或GPRS）将数据传送到监测中心。监测中心负责对目标监测区域发出各项环境指标的查询请求命令，并对收集上来的数据进行分析处理，为农业专家决策并制定农田变量作业处方提供主要数据源和参数。

　　目前，全国已在多个省份建立起设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业集成技术等综合应用示范基地。一些先进的农用传感器也在应用实验阶段，如电化学离子传感器，用于土壤中氮、磷、钾和重金属含量的快速检测；生物传感器，用于禽流感快速检测、商致病性细菌检测；气敏传感器，用于食品品质、气体污染、排放监测等。

　　今后，农业传感器技术将朝着微型化、低功耗、高可靠性的方向发展，能否降低构建传感器网络的成本，降低传感器的功耗，延长传感器网络的生命周期是传感器网络能否在农业中得到广泛应用的关键。此外，如何提高传感器网络的可靠性也将是研究的重心。现有无线传感器网络空间范围查询处理算法能量消耗较大，且当节点失效时查询处理过程易被中断，无法返回查询结果。刘亮等提出了一种能量高效的算法ESA，减少了传感器节点发送的数据消息数目，降低算法分发查询消息消耗的能量。同时，设计了一种利用节点冗余恢复查询处理过程的算法，降低_了算法因节点失效而中断的概率。

　　2.2 身份识别技术

　　物联网需要在感知层中对大量的物体进行个体标识，即身份识别技术。射频识别RFlD（Radio Frequency Identification）标签技术已成为物联网中对物体感知识别的主要技术，并且通过与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

　　RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预。RFID系统由电子标签、读写器和中央信息系统三个部分组成，电子标签可分为依靠自带电池供电的有源电子标签和无自带电源的无源电子标签。RFID系统的工作原理（图3略）是：当电子标签进入读写器发出的射频信号覆盖的范围内后，无源电子标签凭借感应电流所获得的能量发送存储在芯片中的产品信息，有源电子标签主动发送某一频率的信号来传递自身的产品信息。当读写器读取到信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行数据处理。

图3 RFID工作原理图

　　RFID技术在农产品质量安全监管中的应用越来越普及，在农产品质量安全追溯中的研究也取得了一定进展。RFID技术在农产品可追溯系统的应用可深入农产品原料、产品加工、物流销售各方面。在农畜产品饲养环节上，RFID技术可以用来标汉动物、记录和控制瘟疫等，主要有项圈电子标签、纽扣式电子耳标、耳部注射式电子标签以及通过食道放置的瘤胃电子标签等方式来记录动物的信息。耿丽微等提出并建立了一种基于无线射频识别技术的奶牛的身份识别系统。该系统通过采用瘤胃式动物电子标识来为每头奶牛建立一个永久性的数码档案，实行一畜一标，并通过采用RFID技术以及单片机与PC机的通信技术对存储奶牛信息的电子标签进行远距离识别，从而及时的实现对每头奶牛的监控与管理。研究结果表明RFID系统读卡器的识读率为100%，识读距离可达到8m以上。任守纲等设计了基于无线射频识别技术的肉品销售跟踪及追溯体系，包括跟踪系统和追溯系统。跟踪系统通过在销售节点上的产品电子代码系统，对附有无线射频识别芯片标签的肉品信息进行跟踪。追溯系统通过对象名解析服务（ONS）服务器，查出肉品销售相关节点实体标记语言（PML）服务器的地址，进而获得肉品的流通信息，接着将这些信息与节点的地理信息相结合，通过地理信息系统（GIS）软件进行直观展示。罗清尧等采用超高频无线射频识别技术，设计了适合生猪胴体的RFID 标签，开发了电子标签在线读写系统，实现了生猪屠宰流水线上猪只胴体的RFID标识和远距离自动识读。通过生猪溯源耳标信息采集、RFID胴体标签信息与屠宰厂Intranet溯源数据记录系统的自动关联，实现了生猪屠宰过程中溯源关键点的生猪屠宰标识信息的可靠采集、传输与处理等。

　　随着物联网的发展，RFID技术面临着成本问题、识别准确度、作业环境影响、编码系统全球标准化、隐私权和安全性等方面的挑战。同时，发展高可靠性的、更为先进的身份识别技术，如DNA生物身份识别技术与物联网技术的结合等，将会是研究的热点。

　　2.3 通信技术

　　物联网中的通信技术根据其作用不同大致可以分为两类：一类为无线通信技术，即物联网中短距无线自组织网络内物与物之间的通信，如无线射频识别技术 RFID，WSN中常用到的低功耗的近距离无线组网通讯技术ZiBee，此外还有UWB、Wifi、Wimax、Bluetooth、6LoWPAN等技术；一类为从无线通信到传统电信网络或互联网的网络接入技术，包括GSM、TD-SCDMA等蜂窝网络，WLAN、WPAN等专用无线网络，Internet等各种网络，物联网的网络接人是通过网关来完成的。物联网中的无线通信技术将继续致力于满足微型化、低功耗、高可靠性的要求，如低功耗射频芯片、片上天线、毫米波芯片的研究电将成为热点。

　　2.4 智能处理技术

　　针对物联网感知层收集的海量数据，处理层将对这些数据和信息进行分析和处理，云计算的“云端”就在处理层，主要通过数据中心来提供服务对物体实施智能化的控制。云计算是一种新兴的计算模式，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。云计算主要采用数据挖掘、模式识别、搜索引擎、数据分析、人工智能等技术，向物联网提供大容量、高性能的决策判断和处理控制等功能。目前，云计算面临着安全性和标准化的挑战。由于应用系统部署在公共云上，其中包含大量的用户敏感信息，所以如何设计不同场景、不同等级的隐私保护技术将是为物联网安全技术研究的热点问题。目前云计算并没有统一标准，不同云之间缺乏互操作性，当用户从一个云计算环境迁移到另一个环境时面临巨大的困难。尽快建立开放式云计算标准，才能保证中国云计算产业持续健康的发展。

　　3 小结

　　物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要，也是未来农业发展水平的一个重要标志，它将是未来农业发展的方向。本文根据物联网体系结构，分析了农业物联网中的传感器网络技术、身份识别技术、通信技术、智能处理技术等关键技术，并指出其存在的挑战及发展方向。农业物联网的发展必将为现代农业带来一次全新的改革，提高全球农业产品的数量和质量，提高农民的收入，增强食品安全，实现农业自动化、智能化。

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