引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息革命浪潮，被正式列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。將物聯(lián)網(wǎng)技術運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，加快轉變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式,提高農(nóng)業(yè)的種植和管理效率，促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉型升級，具有重要的意義。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用既是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的一個重要標志，更是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)技術使用成本較高，普遍應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚有一個過程，因此，探索物聯(lián)網(wǎng)技術在設施農(nóng)業(yè)，尤其是溫室大棚中的應用符合當前農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、信息化的發(fā)展道路。本文擬通過對物聯(lián)網(wǎng)技術和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用關鍵技術的分析，探索物聯(lián)網(wǎng)技術在蔬菜溫室大棚的具體應用。

1物聯(lián)網(wǎng)技術

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings)概念最早由美國Auto-ID研究中心的Ashton教授在物品編碼、RFID技術和互聯(lián)網(wǎng)的基礎上于1999年提出，其實質是RFID技術和互聯(lián)網(wǎng)的結合應用。后來，隨著網(wǎng)絡技術、通信技術、人工智能技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，不再只是指基于RFID技術為基礎的物聯(lián)網(wǎng)。2005年，國際電信聯(lián)盟(ITU)在《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》中，對物聯(lián)網(wǎng)概念進行了擴展，認為物聯(lián)網(wǎng)除應用RFID技術外，傳感器技術、模糊識別技術、智能終端技術等將得到更加廣泛的應用，人類在信息與通信世界里將獲得新的溝通維度，從而形成一個“泛在”的網(wǎng)絡環(huán)境,實現(xiàn)由互聯(lián)網(wǎng)時代人與人之間的通信連接擴展到人與物、物與物之間的溝通連接。

目前，國際上通用的對物聯(lián)網(wǎng)概念定義為，信息傳感設備,如RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡概念［七作為中國物聯(lián)網(wǎng)/M2M產(chǎn)業(yè)的先行者和倡導者之一，同方股份有限公司首席軟件專家周洪波，將云計算技術和中間件技術引入物聯(lián)網(wǎng)，提出了中國物聯(lián)網(wǎng)的概念。即：物聯(lián)網(wǎng)是基于云計算的SaaS營運等模式，它將無處不在的末端設備和設施，通過長距離或短距離通信網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通(M2M)和應用大集成，提供實時在線監(jiān)測、實時定位、遠程控制、遠程診斷、報警聯(lián)動、安全防范、統(tǒng)計報表、決策支持等管理和服務功能，實現(xiàn)對任何物品的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營”一體化的TaaS服務。

由于科學技術的日新月異，物聯(lián)網(wǎng)的內涵將不斷豐富和完善，但不論物聯(lián)網(wǎng)的定義如何表述，其實現(xiàn)物物相聯(lián)的三個要素應包括，一是信息傳感設備，二是通信與網(wǎng)絡設備，三是智能處理設備。物聯(lián)網(wǎng)就是這三種設備的集合，表現(xiàn)為智能感知、識別技術與云計算、泛在網(wǎng)絡的融合應用。這種網(wǎng)絡應用是現(xiàn)代信息技術發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的各種技術集成和聚合性應用，包括將各種感知技術、網(wǎng)絡技術和人工智能與自動化技術的聚合與集成應用，通過物與物的相連來實現(xiàn)人與物之間的智慧對話，從而創(chuàng)造一個智慧的世界。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的特征

物聯(lián)網(wǎng)的本質特征主要體現(xiàn)在三個方面：①物聯(lián)網(wǎng)的核心是互聯(lián)網(wǎng)功能的延伸和擴展。其延伸和擴展的表現(xiàn)在于它不僅僅通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人與人的信息交換，而且能夠實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的互聯(lián)互通，使得互聯(lián)網(wǎng)的功能進一步強大。如果說互聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)絡技術、通信技術實現(xiàn)人與人信息的交換，那么，物聯(lián)網(wǎng)則是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，通過信息傳感技術、智能數(shù)據(jù)處理技術實現(xiàn)物與物的信息交換和通信，以及人與物之間的相融和互動，對人的規(guī)范性回復進行識別,做出方案性的選擇。②物聯(lián)網(wǎng)具有通信與自動識別的特征。其用戶應用端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動識別與物物通信（M2M）的功能，才能實現(xiàn)對物體的感知。③物聯(lián)網(wǎng)具有智能化特征。物聯(lián)網(wǎng)利用云計算、人工智能、模式識別等各種智能技術，從傳感器獲得的海量信息中進行分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，通過對物的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控來實現(xiàn)人對物的管理。所以，物聯(lián)網(wǎng)被視為互聯(lián)網(wǎng)的應用拓展，應用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

1.3物聯(lián)網(wǎng)的技術架構

物聯(lián)網(wǎng)運用的技術在不斷發(fā)展，但物聯(lián)網(wǎng)的技術體系、結構基本已得到一致的認識。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術體系架構，可將物聯(lián)網(wǎng)分為信息感知層、信息網(wǎng)絡層和信息應用層等3個層次。

物聯(lián)網(wǎng)技術架構達到的目標，包含三個方面：一是實現(xiàn)全面感知。即利用RFID、傳感器、二維碼、網(wǎng)關、攝像頭和實時定位系統(tǒng)等隨時隨地獲取物體的信息。二是實現(xiàn)可靠傳輸。通過各種通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞到數(shù)據(jù)中心。三是實現(xiàn)智能處理。利用云計算技術、模糊識別技術等各種智能計算技術，對數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。表1所列是物聯(lián)網(wǎng)的技術架構表。

表1物聯(lián)網(wǎng)技術架構表

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務中的具體應用。按照物聯(lián)網(wǎng)技術架構，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仍然通過“感知一傳輸一應用”的途徑來實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)的應用?！案兄本褪沁\用各類傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、PH值傳感器、CO2傳感器等設備，廣泛地采集大田種植、設施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品物流等環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等物理量參數(shù)信息;“傳輸”就是建立數(shù)據(jù)傳輸和格式轉換方法，通過局部的無線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等各種通信網(wǎng)絡交互傳遞，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的有效傳輸；“應用”就是將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進行融合、處理，使技術人員對多個大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制和智能管理，保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境，達到增產(chǎn)、改善品質、調節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質、高效、生態(tài)和安全的目標。

2.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術

按照物聯(lián)網(wǎng)的技術架構，綜合已有的技術研究，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術主要包含農(nóng)業(yè)信息感知技術、農(nóng)業(yè)信息傳輸技術和農(nóng)業(yè)信息處理技術叫表2所列是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術一覽表。

2.3物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有效應用

雖然農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術逐漸成熟，在農(nóng)業(yè)發(fā)展應用中具有廣闊的前景，但是，物聯(lián)網(wǎng)技術應用成本較高，對于低利潤、低效益的農(nóng)業(yè)來說，顯然存在市場推廣困難的問題，所以,物聯(lián)網(wǎng)技術比較普遍的還是在設施農(nóng)業(yè)上應用。

設施農(nóng)業(yè)具有高投入高產(chǎn)出，資金、技術、勞動力密集型的特點。它利用人工建造的農(nóng)業(yè)專用設施，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步擺脫自然的束縛制約，走向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、工廠化，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)、環(huán)保、安全，同時通過反季節(jié)新鮮農(nóng)產(chǎn)品上市銷售，打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的季節(jié)性限制，提高農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟效益，滿足市場多元化、多層次的消費需求。其主要的設施包括玻璃或PC板連棟溫室（塑料連棟溫室）、外遮陽連棟溫室、塑料大棚、日光溫室、小拱棚（遮陽棚）等，用于蔬菜、水果、花卉種植以及養(yǎng)殖業(yè)。其中，塑料大棚是我國南北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍采用的溫室形式，塑料大棚的結構分為竹木結構、全竹結構、鋼竹混合結構、鋼管裝配結構、鋼管（焊接）結構以及水泥結構等。由于塑料大棚成本相對日光溫室較低,通風透光效果好，使用年限較長，農(nóng)民專業(yè)合作社及農(nóng)戶易于接受。

因此，在塑料大棚推廣應用物聯(lián)網(wǎng)技術，能夠改變自然環(huán)境，為農(nóng)作物生產(chǎn)提供相對可控制甚至最適宜的溫度、濕度、光照、水肥等環(huán)境條件，從而在一定程度上擺脫對自然環(huán)境的依賴，進行有效的生產(chǎn)管理，是當前最具活力的現(xiàn)代新農(nóng)業(yè)。

3物聯(lián)網(wǎng)技術在蔬菜溫室大棚的應用

溫室大棚主要用于不適合蔬菜生長的季節(jié)，模擬蔬菜生長的自然條件，提供蔬菜適合生長的環(huán)境，而這個環(huán)境的實現(xiàn)不能憑感覺，需要引入物聯(lián)網(wǎng)技術解決蔬菜生長環(huán)境的可控性，達到提高蔬菜生產(chǎn)效益的目的。

3.1蔬菜溫室大棚控制系統(tǒng)構建

一個完整的蔬菜溫室大棚自動控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)操作系統(tǒng)等部分，每個部分在蔬菜生產(chǎn)中具有不同的功能，這些功能組合起來完成蔬菜生產(chǎn)的全過程。圖1所示是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的蔬菜溫室大棚的自動化結構圖。

蔬菜溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)自動控制系統(tǒng)主要包括以下幾個分系統(tǒng)：

3.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由無線發(fā)射模塊、太陽能電池板、支架、蓄電池等組成；現(xiàn)場的監(jiān)測元件包括溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測、CO2濃度等監(jiān)測元件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責溫室大棚內部的光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數(shù)據(jù)的采集和控制。

3..1.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、光合有效輻射傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2傳感器、風向傳感器等組成。傳輸方式：外部網(wǎng)絡以基于IP網(wǎng)絡技術和GPRS通信網(wǎng)絡為基礎進行傳輸；內部網(wǎng)絡則采用短距離、低功率的ZigBee無線通信技術。基于ZigBee的無線傳輸模式中，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點上，同時，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也傳送到中心節(jié)點上，中心節(jié)點再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機的業(yè)務平臺。技術人員可以通過有線網(wǎng)絡/無線網(wǎng)絡訪問上位機系統(tǒng)業(yè)務平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關設備叫

3.1.3數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析及顯示部分包括電腦、軟件、無線接收模塊、報警系統(tǒng)，依據(jù)不同的環(huán)境、作物、生長期，實施不同的控制方案。

3.1.4生產(chǎn)操作系統(tǒng)

該分系統(tǒng)包括的灌溉控制系統(tǒng)可進行滴澆灌和微噴霧系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)遠程自動灌溉；土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)則利用土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器等來實時獲取土壤水分、濕度等數(shù)據(jù)，為灌溉控制系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)提供環(huán)境信息；溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可利用高精度傳感器來采集農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，設定環(huán)境指標參數(shù)，當環(huán)境指標超出參數(shù)范圍時,可自動啟動風機降溫系統(tǒng)、水暖加溫系統(tǒng)、空氣內循環(huán)系統(tǒng)等,以進行環(huán)境溫濕度的調節(jié)間。

3.2蔬菜溫室大棚控制系統(tǒng)的主要功能

利用物聯(lián)網(wǎng)技術建設的蔬菜溫室大棚，主要的功能就是搭建溫室大棚來控制蔬菜的生長環(huán)境，使蔬菜獲得最佳的生長環(huán)境，增加產(chǎn)量，以實現(xiàn)跨季節(jié)的蔬菜培育。

按照物聯(lián)網(wǎng)技術的功能要求，蔬菜溫室大棚控制系統(tǒng)的主要功能［8］有：

監(jiān)測和告警功能。對溫室大棚實時監(jiān)測和告警是基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜溫室大棚的基本功能。使用無線傳感器可以實時采集大棚內的環(huán)境因子，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤水分、土壤溫度、光照強度等數(shù)據(jù)信息及視頻圖像信息，再通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供依據(jù)。對不適合作物生長的環(huán)境條件自動告警。

病蟲害預警功能。監(jiān)測影響大棚內病蟲害發(fā)生的關鍵因子，建立蔬菜溫室大棚病蟲害發(fā)生模型，利用智能算法,實現(xiàn)對病蟲害預測預報，并進行有針對性的防治指導。

植物成熟狀況預報功能。根據(jù)農(nóng)作物生長積溫模型預測植物各個生長期發(fā)育成熟程度、可收獲程度。

遠程設施控制功能。通過網(wǎng)站，遠程控制蔬菜溫室大棚的設施，可以對加熱器、卷膜機、通風機、滴灌等設備遠程控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設施的遠程手動或自動控制，從而改變大棚內部的蔬菜生長環(huán)境。

遠程生產(chǎn)指導功能。根據(jù)農(nóng)作物生長模型庫，對蔬菜溫室大棚實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，高于作物生長的上限或低于作物生長下限，系統(tǒng)自動告警。

遠程生產(chǎn)活動跟蹤功能根據(jù)現(xiàn)場活動監(jiān)測終端的報告，跟蹤蔬菜生產(chǎn)生產(chǎn)活動完成的情況。

3.3蔬菜溫室大棚在蔬菜生產(chǎn)各個階段的應用

按照不同蔬菜品種的生長特性和規(guī)律，農(nóng)業(yè)專家或技術人員應根據(jù)該品種蔬菜生長所需的條件,如溫度、濕度、光照等,制定出與之適應的蔬菜種植方案，利用物聯(lián)網(wǎng)技術來調節(jié)控制，提高蔬菜種植的效率和加強蔬菜種植的精細管理。

在蔬菜生產(chǎn)過程的各個階段，主要要抓好以下工作:

在蔬菜種植準備階段，技術人員利用在溫室大棚分布的傳感器來分析實時土壤信息，以便選擇合適的蔬菜品種。

在育苗培育階段，技術人員可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術手段采集溫度、濕度的信息，進行高效的管理，從而應對環(huán)境的變化，保證蔬菜育苗在最佳環(huán)境中生長。如通過溫度控制設備，對大棚進行升溫和降溫的調節(jié)。

在蔬菜生長環(huán)境上，可以利用物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測蔬菜生長的環(huán)境信息、養(yǎng)分信息和病蟲害情況。利用相關傳感器準確、實時地獲取土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照情況，配合控制系統(tǒng)調理蔬菜生長環(huán)境，改善蔬菜生長的營養(yǎng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)蔬菜的病蟲害爆發(fā)時期，維持其最佳生長環(huán)境條件。

(4)在蔬菜生產(chǎn)管理上，技術人員可利用蔬菜大棚生產(chǎn)操作系統(tǒng)，對各大棚蔬菜澆水、施肥、加溫、卷簾進行自動或手動控制，可以降低人工成本，提高蔬菜種植的效益。

(5)在蔬菜的收獲階段，技術人員也同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)的信息，把采集到的蔬菜生長的各種信息進行匯總，反饋到前端，從而在蔬菜種植收獲階段進行更精準的測算，為蔬菜銷售提供基礎信息。

4結語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，能夠解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一系列在廣域空間分布的信息獲取、高效可靠的信息傳輸與互聯(lián)、面向不同應用需求和不同應用環(huán)境的智能決策系統(tǒng)集成的科學技術問題，將成為實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉變的助推器，成為推動我國農(nóng)業(yè)向“高產(chǎn)、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全”發(fā)展的重要驅動力。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用對于改變我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本高、效率低、生產(chǎn)經(jīng)營模式粗放、農(nóng)產(chǎn)品附加值較低的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，提升農(nóng)業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、智能化水平，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程具有重要的意義和廣闊的前景。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術昂貴的引進費用及維護服務難以跟進等嚴重制約著在農(nóng)業(yè)的廣泛應用，但是，隨著技術的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必將推動物聯(lián)網(wǎng)技術成本的逐漸降低，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)上的廣泛應用。因此，探索物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應用具有重要的現(xiàn)實意義。

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