物联网在设施农业中的应用
时间：2021-04-07 07:55:59 来源：达达文档网 本文已影响 人 
【摘要】本文从设施农业生产、交流监管及产品的商品化处理方向阐述了物联网技术在农业中的应用。具体说明了物联网系统对栽培环境的监控，利用物联网为种植者、公司、专家、政府之间的交流监管搭建的更加便利的平台，以及物联网在农产品商品化过程中的应用。经分析，物联网在设施农业中的应用将会全面提升设施农业的发展水平。
物联网技术是在互联网技术基础上延伸和扩展的一种网络技术[1]，它通过各种感知技术、现代网络技术、人工智能和自动化技术把相互联系的主体从人扩展到物体。目前，由于产品质量、资源浪费和环境污染等问题，传统农业粗放的模式已远不能适应农业可持续发展的需要。而物联网技术的应用成为实现设施农业的低耗、高效、优质、环保的有效途径。
在农业应用领域中应用物联网技术，使用各种传感器精确监测设施环境因子，使得设施环境处于实时监测中，以手机或电脑作为载体实时查看农业设施监测数据，通过先进的技术将农业专家知识与计算机结合[2]，使得每个农民都能通过便捷易学的操作达到专家水准的设施作物管理效果。同时为农产品企业与种植者构建安全高效的平台，使他们之间更加有效的交流。物联网的应用还方便了农产品质量安全监管，为溯源系统提供了数据支撑。最终使设施农业达到优质高收，产业化，智能化的效果。
在设施农业生产中的应用
在设施农业生产中，物联网通过各种传感设备可以实现对设施环境的实时监测，结合智能数据管理系统进行环境调控，使作物尽可能的处在适宜栽培环境中。设施环境监测系统还可以通过积温算法及相关生长模型，实现病虫害预警和作物成熟状况预报。同时，设施调控系统将水肥药综合管理，不仅能适时进行水肥药的供给，还能做到节水节肥。
对栽培作物生长环境的监控
作物栽培环境监控系统是根据设施土壤的不同物理特性、气候条件和种植作物的生长特性，采取合理分布监测点信息采样方式，通过无线信道相连，自组织地构成网络系统，协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中被检测对象[3]，并结合相应的数据管理系统或专家制导系统组成的一个可靠性高、实用性好的监控系统。通过各监控区域的环境参数反馈，结合数据系统中不同作物不同时期的合理数据范围，作出科学的预测与调控，实现对作物栽培过程的即时控制和科学精准管理，使作物获得最佳的栽培环境。从而达到调节生长周期、增加产量、改善品质、提高经济效益的目的。
在设施中通过温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、压敏（ 流体）传感器、pH 值传感器、离子传感器以及植物生长特性传感器等[4]，分别对设施农业作物生长环境空气温湿度、光照、CO2浓度、营养液的pH值和EC值、土壤的温湿度和养分和作物生长微观状态进行检测[5]。传感器将信号传送到设施作物的计算机控制中心，计算机控制中心会根据接收到的数据进行判断，并发出指令来控制设施内的各系统的运转。以此实现对设施土壤的水分和养分、空气的温湿度、作物长势和养分、品质和产量、冠层生理、病虫害草害等信息的实时采集和作物生产全程的监测控制。例如，当温度传感器监测到温室内温度过高时，控制器会责令地热补温系统停止工作，并启动温室内通风系统。当温度传感器监测到室内温度过低，则控制器会启动补温系统、内遮阳保温系统[6]。
这些数据还可以通过直观的短信、图表展现给终端农户、农业专家以及相关管理部门等。让农户实时了解温室内的环境数据，并为农田的精准调控提供科学依据。除此之外，图像信息传输在设施生产中有着迫切的需求，大多对图像的清晰度、分辨率、光线角度等有较高的要求，它可以为病虫害预警、诊断等提供重要的技术支撑 [8]。
物联网技术通过无线宽带传输网络可以实现对加热器、通风机、卷膜机、滴灌等设备远程手动、自动控制。远程控制的实现节省了人力，实现了一个技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。
水肥药一体化
设施调控系统将水肥药综合管理，实现节水节肥和适时适量用药。无线传感网自动灌溉系统利用传感器感应土壤的水分、营养状况及病虫害状况，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门开关和各种肥、药的配比。在水肥药一体化的系统中，不仅管理方便，而且达到自动节水节肥、适量用药的目的。由于传感器网络信息互递、自组网络及实时通信等特点，使灌区面积、节点数量不受到限制，可以灵活增减轮灌组[7]，加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。
植物生长状况预报
根据植物生长的阶段周期、积温模型、和积累的往年数据，分析并预测出植物生长过程中各个生长阶段的周期，可以提前预测各种农作物的灌溉时期、施肥时期、病虫害发生期以及作物成熟采摘期等，为生产者计算到下一时期的时间并进行提醒及时准备相应的工具、物品及设备。
农业病虫害防治与预警
感应系统通过对设施农作物病虫害的成长环境进行监测，采用‘积温算法’对病虫害的有效积温进行实时数据统计[2]，并在各个积温值阶段进行预警，根据病虫害的成长机理，利用环境因子对其造成破坏，实现对病虫害的防治，并通过直观的图表等展示给生产者和相关用户。同时，利用模式识别、数据挖掘和专家系统技术实现对设施农业病虫害防治的数据库和模式库的有力支撑[7]。
在设施农业管理服务领域的应用
农业专家与农业服务组织在相关主管部门搭建的数据库中心协同下，物联网帮助种植户更加合理规范的种植作物，同时在种植户与企业之间构建正规、有效的沟通平台。相关部门也可由此收集到第一手的设施农业生产及流通数据，为以后的查询、研究提供数据支撑。这同时也使相关部门对农产品质量安全的监管更加方便高效。
生产模型和远程指导系统
物联网还可以提供各种农作物智能化模型库，这是为农作物成长过程提供的一套生长模型，该模型通过建立起一整套的植物生长过程中的数据模型，为专家分析提供分析工具。系统通过对每种农作物建立智能化数据模型，并通过各类传感器将现场数据传回数据库，通过比较分析生成处理结果，进而为专家指导农户生产提供帮助，高于作物生长的上限或低于作物生长下限系统自动告警。可以帮助农民及时发现问题，并且准确地捕捉发生问题的位置。
云服务平台
通过虚拟化技术为每个接入用户提供统一的或定制的平台服务[8]，其主要功能是为应用系统提供实际生产中随时感知到的数据的接入、自己历史数据的查看和这个品台上其他用户及平台公共数据的访问服务。提供一个开放的、方便易用、稳定的部署运行环境，以适应设施农业业务的弹性增长，降低农户获取信息的成本，实现设施农业物联网的数据高可用性共享、高可靠性交换、网络服务的标准化访问，避免数据、信息、知识孤岛，方便用户获取数据、交流信息。
专家服务平台
专家服务平台整合了大量的专家资源，并为种植者和专家建立起一个沟通的桥梁。农户和专家可以通过这个平台建立联系，以方便进行咨询、互动。农业专家可以根据已掌握的数据，对当下的生产中的数据进行分析，给出指导意见。在这个平台上还可以进行图片交流，专家根据农户提供的现场拍摄图片，进行更准确的生产状况分析，随时随地的为农户提供专家服务。它还可以按生产时期提供即时信息，例如，常见农植物种植方法和各阶段病虫害的防治等，并通过站内消息或短信提示农户生产中的注意事项等。
客户关系管理
物联网系统支持农业生产企业或农户对客户关系管理的需要，为用户提供客户数据库服务[9]，从而帮助用户提高销售能力。现阶段农产品滞销，信息不畅是重要的原因，这对农产品的生产和流通造成了极大地制约。通过推出专业性更强的信息发布平台，同时为更多行政村建设专业网站，做到移动信息发布面向整个互联网环境[9]。高效的信息交流网络平台的建立，通过移动网络应用电子商务实现产销对接，整合各种农业信息资源。通过网络信息发布、手机短消息等多种方式，为广大农民、运销大户、农产品生产及加工企业提供多种信息服务。农民和涉农企业的产品都可以可以拿到网上平台上去卖，需求者也可以通过这个平台联系到多个生产者。
帮助相关部门收集数据并进行监控
在基地监控中心的基础上，相关部门对设施农业监控和管理还设置市级控制中心。基地监控中心通过感测设备、传输设备和反馈设备等多种管理系统对设施作物进行控制，并将得到的各种数据进行合理的存储和专业的处理。同时这些数据被要求上传至市级控制中心。市级控制中心由机房基础设施、屏幕显示系统、不间断电源（UPS）及配套网络设备组成，是整个设施农业物联网云服务平台及相关应用系统运行的重要基础[8] 。通过这个中心，相关控制部门可以收集到即时的、可靠的生产信息，并能方便的指导和控制各基地的生产。市级监控中心的设置为广大的设施农业生产者，管理部门和农业专家等提供了服务。
强化农产品质量控制
强化农产品质量安全控制、建立与“市场准入”和以 “产地准出”相配套的监管体系，实现质量安全管理关口前移、源头控制[10]。实现对农产品从产地到加工经营企业直至消费者整个流程实施有效监管和追溯，做到保证无公害农产品的质量安全，让消费者拥有知情权，真正吃上 “放心菜”，同时也提高了设施农业生产管理水平，增加了农民收益。
在农产品产后的应用
物联网在农产品产后的应用情况也是农业现代化的重要指标。设施农业产后的数据传输需求，主要包括物流配送监控系统和溯源系统。物流配送监控网络可以检测并保障农产品在储运过程中一直处于适宜环境中，溯源系统为广大消费者以及相关部门对农产品产销环境的监管提供了渠道。这两个系统的建立使农产品的质量安全得到更加有效的保证。
农产品物流配送监控网络
储藏环境对于保证设施农产品在储运过程中的品质具有重要影响。通过贮藏监控系统、冷链运输监控系统，可以实现农产品在储运过程中每一时刻和对应地点的环境温湿度等数据进行实时采集。并利用 GPS 定位技术和无线短距离自组网技术，实现对运输车辆的定位以及对车辆保鲜舱内的多点监测，从而进行及时的反控制，开启车内相关控制设备使车内环境保持正常[8]。保持在储运过程中农产品一直处于适宜的环境中。
建立追溯系统保障农产品质量安全
物联网技术可以用来完善农产品的产地环境、产后 、贮藏加工 、物流运输 、供应链可追溯系统，来保障农产品安全。例如，可利用物联网建立设施作物安全信息追溯平台，实现政府对栽培、采摘、销售等环节的数据存档和有效监管，使得农产品“来可追溯、去可跟踪、责任到人、信息可查询、产品可召回”。物联网的强大功能保证了它对农产品从生产、流通到消费整个流程可行可靠的监管，从而更加有效地保障农产品质量安全。此外，在农产品生产过程中，利用物联网技术对其进行信息化，如建立数据库或标识，在加工、运输过程中可以跟踪农产品的运输贮存情况，保证农产品加工、贮运、食用安全。在环境监测与作物生长全过程中，二维码追溯体系的先进性和可扩展性将得以充分体现，这也是此项技术可持续发展的关键[11]。
结束语
设施农业属于资金、技术、劳动力密集型的产业。传统农业生产活动中的浇水、施肥、打药，农民全凭经验、靠感觉来完成。而应用物联网，生产管理程序怎样保持精确的浓度，如何在作物在不同生长周期实行按需供给等一系列曾被“模糊”处理的问题，都有信息化智能监控系统实时定量“精确”把关，农民只需在电脑前做简单适当的操控，就能管理好作物。
物联网通过各种传感器采集信息，帮助种植者及时发现问题，并且准确地进行相应的调控。各种智能化、自动化、远程控制的生产设备的大量使用，使依赖于孤立机械和人力的农业生产模式，将逐渐的转向以网络为中心的生产模式。现代农业的信息化将是必然的趋势，物联网将为实现农业优质、高产、高效、集约、安全、生态提供重要基础，同时也是农业农村经济转型、统筹城乡发展、社会发展的支撑。■
致 谢：本文得到河北省高等教育教学改革研究项目（2012GJJG055）和河北农业大学教学研究项目（2012-A3）的支持，以及河北农业大学园艺学院乜兰春老师的指导，一并致谢！
【参考文献】
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[10] 邓永卓，张碧海怡，王连运，王尊. 物联网技术在农产品安全生产管理及监测中的应用[J].河北农业科学，2011，15（7）：106
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