物聯網技術在精準農業中運用探討范文
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中國是農業大國，長期以來保持糧食基本自給，為確保農產業的品質和產量，傳統的農業技術已經滿足不了農業可持續發展的需要，在現代農業中，精準農業尤為重要。目前需要不斷提高生產率，產量品質以及技術的優化，為此進行修改現有的農業生產管理模式。與此同時，引入新的和現有數字技術的發展將優化相關經濟領域現有流程。所以，技術解決方案適應農業工業綜合體是提高管理模式效率的方法之一，也是農業部門進一步實現現代化和快速發展的基礎。目前，通過衛星圖像收集必要的決策信息數據，跟蹤進行室外工作機器上的過程特征，并采集土壤樣本，同時跟蹤大面積的特征，它們伴隨著由地域組成部分引起的離散性和局限性——這是這種數據收集順序的一個重大缺陷。同時，大量提取的數據無法進行數字處理。因此，不能以適當的準確度分析這種數據，并考慮到適應技術和管理方法所必須的趨勢。將物聯網和“大數據”技術引入生產流程，解決了未來數據可靠性，分析和建模以及自動化的問題。該研究的目的是介紹在作物生產中引入物聯網技術要素的前景。
1.物聯網
1.1物聯網含義
物聯網（InternetofThings，簡稱IOT），它是新一代信息技術的重要組成部分，通過全球信息定位系統、激光掃描器、紅外線感應器等裝置，實時采集信息并且通過網絡接入，將物與人，物與物相互連接，并進行交換信息和通信，實現管理、識別、定位和監控的巨大網絡。關鍵技術有射頻識別技術、傳感網、Machine-to-Machine/Man（M2M）和云計算。龐大的數據信息來源于物聯網和移動互聯網，大數據通過收集和分析用戶行為來為物聯網和移動互聯網提供有效的信息和有用的分析結果，從而獲得實用價值，而云計算則是大數據應用的基礎，沒有云計算設施，無法實現大數據計算。互聯網可以實現事物和事物之間以及人與事物之間的溝通，云計算是物聯網的中心神經功能。物聯網對于通信對象和過程來看分為三層，即整體感知層，利用感知設備獲取各類信息；可靠傳輸層，利用互聯網和無線網的融合，實現數據傳輸和時效性的傳送；智能處理層，利用各種智能技術，將獲取的數據和信息進行分析處理。
精準農業越來越受到人們的關注和重視，將智能物聯網技術運用到農作物產業中去，通過對作物土壤、環境、空氣指標等各項的檢測，確保農產品處于一個良好環境，保證產品的品質和質量，減少了人工勞動力，實現農業的智能化、網絡化，自動化，從而提高農作物的生產效率。精準農業是一套通過智能技術、自動化技術和現代化技術的綜合管理系統，根據作物生長的土壤性狀相關參數，從而調節對農作物的投入，進行實時定位、信息管理、系統診斷、優化方案、技術更新、科學管理等總體框架。科學合理利用資源，以低成本投入達到同等或更高的收入，改善環境狀況，共同取得經濟和環境效益。
2.物聯網技術在農業作物中的實驗
2.1作物生產環境的數據采集
考慮到每種方法彼此影響，在做出決策時有必要考慮一組基本數據。這些原數據的清單在很大程度上取決于農業工業綜合體的行業，同時，還考慮到生產過程的特點、工作環境條件、技術和人力資源的數量。例如，對于作物生產，這些參數將包括以下指標：田地面積、土壤成分、土壤的體積和比重、濕度和溫度、氣候條件、生產的作物類型等。現有的發展使我們能夠預測這些參數的總體產量水平，以及決定田間工作的時間，所用肥料的需求和數量，以考慮到單個耕地面積的產量特異性，從而收集本次數據并找出相應的制定方案加以解決。
2.2作物實驗數據的目的
目前，在俄羅斯國立農業大學（莫斯科農業學院）的實驗室實驗站的精準農業中心，對土壤、環境和作物進行各種類型的監測，目的是為作物生產管理中的最佳決策制定提案和建議。為實現精準農業的智能作業系統，在實驗中要其考慮田地面積、土壤成分、土壤的體積和比重、濕度和溫度、氣候條件、生產的作物類型等。（如圖1所示）運用物聯網技術，傳感器和數據感知是物聯網首要的步驟，并進行作物采集，將收集到數據信號進行智能化系統處理，監測所需面積，分析數據信息，最后制定和提出相應建議。
2.3作物實驗數據的材料
在俄羅斯國立農業大學精確農業中心實驗地點里，使用數字傳感器來搭建實驗器材，并在作物田地的氣象站的幫助下進行監測（如圖2所示）。這樣的氣象站配備了LI-7550接口模塊，它是所有LI-COR氣體測量系統的組成部分，該模塊包含來自氣體密度和濕度的氣體分析儀的集成數字信號處理裝置。通過非色散紅外光譜法來測量空氣中氧氣和水的密度。該設備雖然具有相對簡單性、可用性和功耗低等優點之外，但這種監控方案還具有明顯不足之處：其使用僅限于幾個目標，傳感器和電纜的存在是現場工作的障礙。因此，為了進行詳細研究、收集和傳輸信息，建議使用無線傳感器，建設農作物環境自動檢測系統，根據測控參數的類型和控制目的，這些設備可以安裝在工廠、土地或農業機器上。圖3顯示了LartechTelecomLLC各種類型的環境監測傳感器。目前，可以制造離線工作的便攜式傳感器，由于農田的地勢較為復雜，必須確保在各種情況下都能使農業用地內信息被準確地檢測到，并且能夠對所需指標進行在線監測。根據農業用地的目的和任務設定，確定監測指標和傳感器的類型。這些傳感器可以自動模式安裝（重置）在現場的嚴格建立的部分中，例如，使用無人駕駛飛行器，例如四軸飛行器，使用精確到幾十厘米的衛星定位（圖4所示）。
2.4作物實驗數據的方法
傳感器的密度是在現有的異質性和場的特點基礎上建立的。圖5顯示了位于俄羅斯國立農業大學（莫斯科農業學院）土地試驗區的18個傳感器的酸度、土壤溫度和濕度以及氣溫和濕度監測指標的實施情況。通過現有移動通信系統進行遠程訪問和使用新型的低功耗裝置，使得該設備自身成本和維護成本物美價廉。這種傳感器的低成本以及可生物降解和安全組件的使用，使得節省其后續收集過程。數學形式的數據處理和決策算法可以通過處理一組指標以搜索某個最優的形式表示：其中：X0--分析參數的最佳指標，F--是數學（智能）數據處理裝置，A，B，C，n--分析（記錄）指標。研究結果，模擬結果用土壤和空氣指標圖表示，取決于觀察日期（如圖6所示）。根據從控制農業活動過程的傳感器和軟件產品獲得的數據，整理收集后，制定相應方案和提出適當建議。關于作物生產管理的決定，最佳地采用以下幾點：第一需要施用肥料，其體積，成分和所需的處理區域；第二需要使用化學保護和治療區域；第三灌溉頻率，體積和面積；第四需要種植（播種）種子或收獲；第五需要保持生產資料等。通過數據的收集和系統化，可以準確預測生產量，計劃企業的資本和運營成本，并通過最終產品的成本優化生產流程。
3結語
在作物生產中引入基于物聯網技術，將允許自動化控制酸度、溫度和土壤濕度、溫度和空氣濕度參數的過程，以及最小化人工參與農業生產的高效農業技術操作。莫斯科農業學院室外實驗站精準農業中心精確農業領域的研究工作，表現出高效率，低成本，基于物聯網技術對某些元素進行研究。
作者：李金瓊 陳思羽 肖世偉 王春光 李夢月 熊文龍 厲凱峰 劉春山 單位：佳木斯大學機械工程學院
