農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的傳感與管理

農業(yè)物聯(lián)網與傳感儀器為了實現(xiàn)高產、高質量、安全的可持續(xù)發(fā)展，農業(yè)必須在科學的手段上充分利用信息和智能化管理技術，建立農業(yè)生產、加工和流通的標準化管理體系。我國農業(yè)正處于傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代化農業(yè)的轉型時期,全面實踐這一新技術體系的變革,農業(yè)物聯(lián)網與傳感儀器將會發(fā)揮獨特而重要的作用,也為現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機遇。物聯(lián)網技術作為21世紀的新興技術,得到世界各國的高度重視。物聯(lián)網主要包括3個層次:感知層、傳輸層與應用層。農業(yè)傳感儀器是物聯(lián)網中的感知層,是人類了解作物需求的眼睛;農業(yè)物聯(lián)網傳輸層是農業(yè)信息傳遞的介質,也是農業(yè)信息實時動態(tài)獲取的技術保障;物聯(lián)網應用層是實現(xiàn)對農作物安全生產、加工、流通的監(jiān)控與智能化管理的手段。農業(yè)物聯(lián)網3個層次的研究與發(fā)展將會影響現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展進程,將會對整個農業(yè)生產體系的變革產生巨大的作用。本文主要對農業(yè)物聯(lián)網的3個層次和農業(yè)傳感儀器與感知方法進行分析,提出每個層次的發(fā)展研究方向,展望農業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展前景與趨勢。1其他物聯(lián)網基于農業(yè)生產、加工、流通特性的產品信息編碼感知層是農業(yè)物聯(lián)網獲取農業(yè)生產信息的關鍵手段,也是目前農業(yè)物聯(lián)網發(fā)展技術瓶頸之一。先進的傳感儀器將是推動農業(yè)物聯(lián)網發(fā)展的關鍵因素,農業(yè)物聯(lián)網區(qū)別于其他物聯(lián)網在于感知層所感知的對象不同。農業(yè)物聯(lián)網主要面向農業(yè)生產、加工、流通領域。目前,在植物與土壤信息感知方面,傳感器的稀缺是制約土壤與植物信息感知的最主要因素。研制新型低功耗植物信息與土壤養(yǎng)分信息傳感器是目前農業(yè)物聯(lián)網技術發(fā)展急需解決的問題。何勇等在植物養(yǎng)分、生理與土壤信息檢測方面研制了相關傳感儀器[1~2],如圖1、2所示。植物、土壤、環(huán)境信息的感知技術不僅包括理化性質檢測,也包括利用光譜、多光譜、高光譜、核磁共振等先進檢測方法。1.1光譜技術在農業(yè)信息感知中的應用1.1.1對作物葉綠素積累量的檢測國內外對植物生長信息中的植物養(yǎng)分診斷的研究和應用起始于19世紀。目前國內外植物營養(yǎng)診斷的手段有外觀診斷、化學診斷、葉綠素計氮營養(yǎng)診斷和光譜診斷等。氮素是影響作物生長與產量的主要因素之一。由于葉片含氮量和葉綠素含量之間的變化趨勢相似,所以可以通過測定葉綠素含量來監(jiān)測植株氮素營養(yǎng)。Liu等研究了利用光譜技術檢測油菜葉片養(yǎng)分含量,獲得了較好的效果。何勇等采用可見/近紅外光譜技術進行了油菜、黃瓜等葉片SPAD值的無損檢測。對于作物氮素含量的無損檢測研究,主要采用機器視覺技術、光譜分析技術以及多光譜與高光譜成像技術。Ahmad等評估了缺水和缺氮造成的植株顏色變化。Inoue等采用波長400~900nm范圍的可見/近紅外光譜建立了多元回歸模型,對水稻葉片的氮含量和葉綠素含量進行了預測,決定系數(shù)R2分別達到了0.72和0.86。Cui等研究了作物葉片氮含量與光譜的定量檢測模型。Shao等研究了水稻葉片氮積累量與反射光譜的定量關系。楊海清等應用可見/近紅外光譜技術進行了油菜葉片SPAD值的無損檢測。在光譜成像技術應用方面,Noh等建立了多光譜圖像和作物氮素脅迫的關系模型。馮雷等用3CCD多光譜成像技術建立了油菜植被指數(shù)和葉綠素儀測量值的定量關系。楊瑋等采用CCD照相機加濾光片獲取多光譜圖像進行了黃瓜葉片等的氮含量檢測。劉飛等應用光譜和機器視覺技術等快速檢測方法獲得了黃瓜葉片的氮含量和葉面積指數(shù)、油菜冠層特征參數(shù)。Zhang等應用高光譜成像技術建立了油菜葉片養(yǎng)分預測和可視化分布圖,獲得了滿意的預測結果。1.1.2保持再生農藥酶學檢測國內外應用光譜技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術等進行植物生理信息檢測的研究才剛剛起步,浙江大學率先在此領域進行了大量的探索工作,取得了一定的成果。在植物生理信息中氨基酸類物質的檢測研究方面,劉飛等應用近紅外光譜技術結合連續(xù)投影算法(SPA)實現(xiàn)了油菜在正常生長和除草劑脅迫下葉片氨基酸總量(TAA)、脯氨酸、的快速無損檢測[18~19]。孫光明等應用近紅外光譜技術實現(xiàn)除草劑脅迫下油菜葉片中脯氨酸含量的快速檢測。劉飛等應用可見/近紅外光譜技術實現(xiàn)了油菜葉片中乙酰乳酸合成酶(ALS)、可溶性蛋白、非可溶性蛋白、總蛋白的快速無損檢測[21~23]。Bao等應用可見/近紅外光譜實現(xiàn)了除草劑脅迫下大麥葉片總氨基酸含量的快速檢測。Bao等應用近紅外光譜技術實現(xiàn)了除草劑脅迫下油菜谷氨酸含量的快速檢測。Kong等應用可見/近紅外光譜技術結合高斯回歸等方法實現(xiàn)了大麥葉片超氧化物歧化酶的快速檢測。在植物生態(tài)信息檢測研究方面,劉偉東等建立了光譜發(fā)射率與一階微分反射率和葉面積指數(shù)(Leafareaindex,LAI)之間的相關關系。Patel等利用植被反射光譜的紅邊參數(shù)反演葉面積指數(shù)。1.1.3作物病害信息快速檢測技術早期發(fā)現(xiàn)并確定作物病害的發(fā)生,可以提高施藥決策防治的針對性和準確性,從而做到對癥下藥,按需施藥,并有效降低均勻施藥帶來的環(huán)境污染和藥品浪費。傳統(tǒng)的作物病害信息獲取方法通常是借助顯微工具或者肉眼直接判別病害的種類和程度,存在主觀性強、工作量大、覆蓋范圍窄、效率低、成本高等缺點,不適用于精準農業(yè)對作物病害信息快速獲取的需要。作物當受到病害侵染后,外觀形態(tài)和生理效應均會發(fā)生一定的變化,與健康作物相比,某些光譜特征波段值會發(fā)生不同程度的變異,使得采用圖像處理技術、光譜分析技術,以及多光譜和高光譜成像技術等進行作物病害快速檢測成為可能。在植物病害信息快速檢測技術研究方面,Adams等利用大豆黃痿病光譜二階導數(shù)設計的發(fā)黃指數(shù)對病情評價進行了研究。劉飛等研究了水稻冠層光譜的葉瘟診斷研究。馮雷等利用多光譜成像技術對水稻葉瘟進行了早期的分級檢測。孫光明等采用多光譜成像技術進行了大麥赤霉病的無損檢測。Chaerle等用熱成像技術對植物病害進行早期診斷和預測。劉飛等應用可見/近紅外光譜技術實現(xiàn)了油菜葉片菌核病的快速無損診斷。謝傳奇等應用高光譜成像技術實現(xiàn)了灰霉病脅迫下番茄葉片SPAD值和茄子灰霉病葉片過氧化氫酶活性快速檢測。后續(xù)應綜合應用上述技術,研究開發(fā)植物病害遠程可視化診斷監(jiān)控技術和設備,實現(xiàn)植物病害早期診斷和預警預報。1.1.4作物病蟲害檢測傳統(tǒng)的作物蟲害檢測方法工作量大,檢測范圍小,時效性差,檢測成本高。由于蟲害存在活動性強和易被遮蔽等特點,因此,要準確檢測每只害蟲既不可能,也沒必要。目前主要的蟲害信息快速獲取方法包括聲音特性檢測、雷達觀測、光譜分析以及圖像識別等。Watson等開發(fā)了數(shù)字圖像自動識別系統(tǒng),識別的正確率達到83%。Leckie等利用松樹冠層光譜圖像,對松樹蚜蟲的侵害程度進行檢測分析。Zhao等應用高光譜成像技術實現(xiàn)了水稻稻飛虱侵害程度的判別。Han等應用DSP和3G無線通信技術建立了蟲害遠程診斷識別系統(tǒng)。由于作物蟲害檢測中各個方法均存在優(yōu)缺點,未來蟲害檢測需要朝著多種技術相結合的組合方式進行,多角度獲得蟲害信息,并進行相互驗證,并將檢測的實時性和田間光譜采集環(huán)境的多變性考慮進去,提高蟲害識別的效率和精度。研究開發(fā)植物蟲害遠程可視化診斷監(jiān)控技術和設備對及早發(fā)現(xiàn)和防治蟲害的發(fā)生和發(fā)展尤為重要。1.2作物根系原位測定核磁共振成像(Magneticresonanceimaging,MRI)是一種先進的非接觸式無損檢測方法,在作物根系形態(tài)獲取和農產品品質檢測方面已有探索應用。在作物根系形態(tài)測量方面,傳統(tǒng)的根系研究方法包括挖掘法、土鉆法、根室法、微根管法和同位素法等。上述研究方法大都屬于破壞性方法,對作物的生長發(fā)育有一定的影響,且在實施根系測量過程中易于產生誤差,獲取的根系信息有限,而采用無土栽培方法存在與實際生長環(huán)境下根系形態(tài)發(fā)育不等效等瓶頸問題。隨著X射線計算機層析成像(XCT)和核磁共振成像(MRI)等先進技術的發(fā)展,為實現(xiàn)作物根系的原位無損檢測提供了有效的手段和方法。Heeraman等利用XCT技術對生長在PVC容器中14D大小的豆科作物實現(xiàn)了根系的原位定量研究。Kaestner等利用4個月大生長在天然冰磧土的榿木根XCT數(shù)據(jù)對根系網絡進行了重建。Macfall等利用MRI獲得了大豆根系較為清晰的三維圖像。Kaufmann等應用核磁共振成像研究了玉米根系在干旱脅迫下的響應特性。羅錫文等利用多層面螺旋XCT設備對植物根系進行了原位可視化的研究[47~49]。朱同林等應用多角度二維圖像合成了大豆根系三維結構。張建鋒等應用核磁共振成像(MRI)技術實現(xiàn)了玉米、大豆和茄子3種作物根系的三維構型,為作物三維構型定量描述和原位檢測提供了一種新的途徑。在農產品品質檢測方面,張建鋒等研究了芒果、香蕉和蘋果的核磁共振斷層切片圖像,借助于計算機圖形學技術和視覺化工具函數(shù)庫VisualizationToolkit5.4(VTK),實現(xiàn)了其幾何模型的重構,結果表明所建幾何模型的體積值與其真實值之間的誤差均小于3%,與標準方法測得結果具有很好的一致性。Taglienti等利用核磁共振成像技術研究了獼猴桃生理變化與水分遷移對果實內部細微結構變化的影響。Zhou等通過人工神經網絡模型對黃花梨赤道處的MRI切片圖像進行分析,實現(xiàn)了黃花梨堅實度的預測。周水琴等應用MRI圖像結合形態(tài)學方法實現(xiàn)了香梨內部褐變的診斷識別。2無線傳輸?shù)臅r效性原則農業(yè)物聯(lián)網網絡傳輸層是農業(yè)信息實時動態(tài)獲取的關鍵技術之一。農業(yè)物聯(lián)網信息無線傳輸與工業(yè)差別較大,農作物生長環(huán)境復雜,不僅氣候對無線通信有影響,而且隨著作物生長狀況的不斷變化也容易對無線傳輸產生嚴重的影響。農業(yè)信息獲取在時效性上要求不高。傳輸過程中的稍許延時對農業(yè)生產影響不大。因此,復雜的農業(yè)環(huán)境對物聯(lián)網通信網絡有著特殊的要求。2.1農業(yè)物聯(lián)網的特殊性農業(yè)物聯(lián)網所處物理環(huán)境及網絡自身狀況與工業(yè)物聯(lián)網有本質區(qū)別。農業(yè)物聯(lián)網的主要特點有:(1)小區(qū)域的劃分農業(yè)物聯(lián)網傳感節(jié)點的布置,既要考慮低成本,又要考慮可靠的傳輸性能。在大規(guī)模農田或設施中,可以根據(jù)實際情況劃分成若干個小區(qū)域,每個小區(qū)里可以近似地認為環(huán)境相同、土質、土壤養(yǎng)分含量基本相同。因此,在實際應用中往往把信息采集設備稀疏地布置在監(jiān)控區(qū)域內,節(jié)點與節(jié)點間的距離較遠。農田由于道路、河流等影響,傳感節(jié)點的布置往往也是不規(guī)則的。(2)采集設備的選擇農業(yè)物聯(lián)網信息采集節(jié)點與節(jié)點之間的距離往往會比較遠,采集設備一般使用太陽能供電,且無人維護。因此,節(jié)點不僅要求傳輸距離遠,還要求功耗小,在有限的太陽能供電情況下實現(xiàn)長期不斷電工作。(3)我國農業(yè)物聯(lián)網設備的環(huán)境適應性農業(yè)生產環(huán)境復雜、惡劣,在高溫、高濕、低溫、雨水等復雜多變環(huán)境下連續(xù)不間斷運行的。農業(yè)物聯(lián)網設備要求具有應對惡劣環(huán)境的能力。同時,目前農業(yè)從業(yè)人員往往文化水平不高,缺乏設備維護能力,因此,要求農業(yè)物聯(lián)網設備必須穩(wěn)定可靠,而且要具有少維護、免維護、自診斷的能力。(4)系統(tǒng)內在聯(lián)系及對工業(yè)物聯(lián)網技術應用的影響農業(yè)物聯(lián)網無線通信不僅容易受到環(huán)境干擾,也容易受到植被的影響。隨著作物生長狀況的變化,容易形成對農業(yè)物聯(lián)網無線傳輸?shù)碾姶挪óa生遮擋或干擾,對農業(yè)無線傳輸產生一定的影響。綜上所述,農業(yè)物聯(lián)網技術應用特點及環(huán)境與工業(yè)物聯(lián)網有明顯區(qū)別。工業(yè)組網規(guī)則不能很好滿足農業(yè)物聯(lián)網組網及應用要求。因此,需要專門針對農業(yè)大規(guī)模物聯(lián)網信息采集的信息節(jié)點研究低功耗、低成本的智能化自組網通信協(xié)議。2.2農業(yè)物聯(lián)網組網通信技術。在農業(yè)隨著互聯(lián)網技術、無線傳感技術、信息處理技術的快速發(fā)展,物聯(lián)網技術受到越來越多的重視。農業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展改變了農業(yè)的管理模式,其中農業(yè)物聯(lián)網組網通信技術成為研究的重點。農業(yè)物聯(lián)網通信技術主要包括Zigbee技術、WIFI網絡、GPRS、藍牙技術等傳輸方式。2.2.1在農業(yè)物聯(lián)網中的應用Zigbee技術具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網絡容量大、兼容性、安全性好、實現(xiàn)成本低等特點,在工業(yè)控制、家庭自動化、農業(yè)自動化等領域都有廣泛應用。Zigbee技術在短距離、低傳輸速率傳輸方式的農業(yè)物聯(lián)網手持式儀器、無線傳感器網絡信息采集節(jié)點等信息的傳輸方面得到了應用。Yang等通過Zigbee無線傳感器網絡節(jié)點采集在智能溫室溫室的濕度和溫度,然后通過模糊控制分析智能溫室空調設備通風口的溫度和濕度,從而采取最優(yōu)的控制模型,如圖3所示。Xu等分析了中國農業(yè)和Zigbee無線傳感器網絡的發(fā)展,對溫室大棚的智能灌溉系統(tǒng)進行了研究,智能灌溉系統(tǒng)收發(fā)器硬件的設計采用基于Zigbee無線傳感其網絡和CC2530內核,并在河海大學對水仙花進行智能灌溉實驗,證明了基于Zigbee無線傳感技術的智能灌溉系統(tǒng)在提高農業(yè)灌溉水平上具有重要意義。2.2.2溫度與無線傳感器網絡wsn農業(yè)數(shù)據(jù)主要集中在智能工業(yè)WIFI物聯(lián)網系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有普及的WIFI網絡資源,有效地提高了無線網絡的通信距離和覆蓋面積,具有成本低、普及性好、兼容性強、傳輸帶寬寬、傳輸速度快、標準化等優(yōu)點,使得WIFI物聯(lián)網在國內外被廣泛應用在智能工業(yè)、智能家居、精細農業(yè)等領域,在農業(yè)上的基本應用如圖4所示。Wang等將傳感器網絡應用于深海環(huán)境監(jiān)測平臺中,WIFI無線技術在SOPC的高速可編程上有了新的突破,這一技術在農業(yè)的智能生產中也開展了應用;Qi等研究利用WIFI的無線傳感器網絡(WSN)與Zigbee網絡結合在農業(yè)生產的信息獲取上開展了應用;Otoniel等提出了一種自動監(jiān)測系統(tǒng)基于一個低成本的WIFI技術的圖像傳感器,周期性的捕捉和發(fā)送農田作物的病蟲害信息到遠程控制站。2.2.3基于無線傳感器網絡技術的農田信息檢測系統(tǒng)GPRS是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務,具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、自如切換等優(yōu)點,廣泛應用在手持式儀器設備、農業(yè)物聯(lián)網等領域,GPRS無距離限制,但需要通信費用。Antonio等提出了一個基于無線傳感器網絡技術的農田信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該作物的檢測系統(tǒng)由GPRS網絡與集成檢測電路構成,通過傳感器和GPRS通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸,滿足了作物信息實時獲取的要求。GPRS在農業(yè)上的應用如圖5所示。2.2.4藍牙通信在農業(yè)上的應用藍牙是一種短距離無線通訊技術,帶藍牙功能的設備之間可以透過藍牙而連接起來,傳輸速度可以達到1MB/s,而且不容易受到外界干擾源的影響,使用的頻譜在各國都不受限制。因此,藍牙在農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)中的應用潛力較大,藍牙通信在農業(yè)上的基本應用模式如圖6所示。藍牙技術在食品、農業(yè)、化工和制造業(yè)中都有應用,Reaves等設計了對8個獨立噴嘴快速控制器,在不同的季節(jié)都能夠準確操作定位,并采用藍牙技術完成控制器與傳感器設備之間的無線數(shù)據(jù)傳輸,以及設備之間的控制。2.2.5農業(yè)物聯(lián)網網絡的發(fā)展特點上述4種作為物聯(lián)網常用的通信方式各有特點,在不同的應用場景下可以發(fā)揮各自優(yōu)勢,揚長避短,也可以將這4種通信方式進行組合,達到高效、遠程傳輸?shù)哪康摹?種通信方式的各自性能比較如表1所示。從發(fā)展角度而言,WIFI網絡因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強、抗干擾能力強等優(yōu)勢,將會發(fā)展成農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)傳輸層的重要媒介,也將是農業(yè)物聯(lián)網傳輸層的重要研究方向。在農業(yè)生產應用上,隨著作物的生長不斷變化容易對無線信號遮擋與干擾,而且農業(yè)物聯(lián)網布點密度稀,很容易使原通信網絡中的某個節(jié)點從網絡中孤立出來,而這個節(jié)點又擔負著很多設備的通信路由任務,一旦發(fā)生某個節(jié)點的損壞后被網絡孤立,極易導致網絡的局部甚至大部分癱瘓。因此,針對農業(yè)生產實際環(huán)境特殊性,解決以上問題將是農業(yè)物聯(lián)網傳輸層的重要研究方向。2.3農業(yè)物聯(lián)網有效通信硬件設計為解決農業(yè)物聯(lián)網節(jié)點損壞或因植物生長、環(huán)境變化導致有效通信距離變短而被網絡孤立,最后導致網絡的局部癱瘓甚至大面積癱瘓,聶鵬程研究了一種主動誘導式組網方法。主動誘導式自組織農業(yè)物聯(lián)網協(xié)議的組網原理是:利用上位機誘導網絡遍歷、最小路徑組網、深度路由預防算法、深度路由處理機制和消息機制等方法實現(xiàn)農業(yè)物聯(lián)網的組網通信方式。提升了深度路由能力和網絡傳輸效率和網絡性能,經過測試該網絡性能如圖7所示。主動誘導式組網設備也與一般Zigbee設備結構不同,設計了一個可程控的無線信號放大器。當無線信號受環(huán)境影響而使有效通信距離變短而被網絡孤立后,通過程控放大器增大發(fā)射功率,直到重新聯(lián)入網絡。其硬件結構如圖8所示。為兼顧農田物聯(lián)網設備的成本,大規(guī)模農田信息采集中的物聯(lián)網節(jié)點在有效通信范圍內很難找到多個信息點可建立通信轉發(fā)的機制。因此,針對這種情況提出通過軟件控制發(fā)射器功率來增大通信有效半徑的方式,達到與其他節(jié)點建立聯(lián)系的目的,并最終進入自組織網絡,傳輸數(shù)據(jù),其原理如圖9所示。3農業(yè)物聯(lián)網技術的應用農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)應用層是實現(xiàn)農業(yè)信息化與智能化的關鍵,目前,農業(yè)物聯(lián)網主要在農業(yè)生產過程中的種植業(yè)、水產養(yǎng)殖與畜牧業(yè)、農產品加工、運輸與流通領域中的進行廣泛應用。3.1農業(yè)物聯(lián)網在農業(yè)中的應用3.1.1利用物聯(lián)網技術監(jiān)測作物病蟲害在大田種植業(yè)中,農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)主要實施對田間作物信息、土壤信息、環(huán)境信息的不間斷監(jiān)測,以土壤水分信息作為自動灌溉的參數(shù)實現(xiàn)大田中的自動灌溉或灌溉提示,將植物與環(huán)境信息作為作物病蟲害預警預報信息。其基本物聯(lián)網應用模式如圖10所示。吳才聰?shù)妊芯苛艘苿庸芾淼淖√帿@取技術,通過在田間設置無線傳感器獲取田間信息和定位位置,并通過Zigbee技術將信息傳輸?shù)絇DA,將PDA拍攝的圖像等信息通過GSM/GPRS傳輸給遠程服務器實現(xiàn)茶園GIS信息遠程管理。夏于等利用農業(yè)物聯(lián)網技術監(jiān)測小麥生長環(huán)境,診斷小麥苗情,融合小麥生理生態(tài)特性和作物氣象災害指標分析,實現(xiàn)了小麥生產過程和主要氣象災害的精準監(jiān)測、快速診斷。楊信廷等研究了利用Zigbee網絡實現(xiàn)了作物環(huán)境與長勢遠程監(jiān)測。3.1.2果蔬種植智能化統(tǒng)一監(jiān)測和試驗驗證何勇等利用農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)實現(xiàn)對果樹、蔬菜園區(qū)的環(huán)境信息、土壤信息、和植物信息進行實時動態(tài)監(jiān)測,通過獲取的環(huán)境溫濕度、光照、土壤水分等信息后,通過智能決策系統(tǒng)實現(xiàn)果蔬種植的智能化肥水變頻管理,如圖11所示。3.2農業(yè)物聯(lián)網農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)在設施農業(yè)中的應用國內外研究很多。在設施農業(yè)中,物聯(lián)網技術將會發(fā)揮越來越重要的作用。設施農業(yè)可以將信息與智能化系統(tǒng)全面結合,實現(xiàn)農作物生長環(huán)境的最優(yōu)控制和肥水按植物需求智能化管理分配。何勇等在73021部隊農場實施的設施農業(yè)物聯(lián)網應用系統(tǒng),如圖12所示。物聯(lián)網采集設備實時獲取溫室內的空氣溫濕度、光照、土壤溫、濕度,作物葉綠素、氮素含量等信息,通過無線傳輸?shù)娇刂浦行暮?通過智能化決策控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫室內的天窗、遮陽、通風、濕簾、卷膜與卷簾等自動智能控制以及溫室內自動肥水管理,智能噴藥等控制。為溫室內作物提供最佳的生長環(huán)境,對作物產量和產品品質有明顯提升。3.3畜禽業(yè)的物聯(lián)網在水產養(yǎng)殖行業(yè),農業(yè)物聯(lián)網也充分發(fā)揮了實時信息監(jiān)測與在線監(jiān)控的優(yōu)勢。水產行業(yè)的農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)主要實時獲取養(yǎng)殖水體的各項重要參數(shù),如溶解氧、pH值、氨氮、亞銷酸鹽等含量,通過實時獲取的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)養(yǎng)殖水體增氧、換水或其它消毒、排污等自動化控制。大大降低了水產養(yǎng)殖風險,其應用如圖13所示。在畜禽業(yè)方面,國內外也開展了大量的物聯(lián)網系統(tǒng)應用研究。如大量使用RFID與電子標簽技術實現(xiàn)對動物群體的個體進行識別與跟蹤,使用物聯(lián)網技術對畜牧、畜禽養(yǎng)殖舍內的環(huán)境實時檢測與自動化調控,在畜牧、畜禽的生活習慣、行為動態(tài)監(jiān)測與福利養(yǎng)殖中發(fā)揮了重大作用。3.4物聯(lián)網技術在食品加工行業(yè)的應用,可以實現(xiàn)加工監(jiān)控近年來我國食品安全頻頻暴出重大安全問題,其原因主要是缺少科學管理與質量監(jiān)控體系,農業(yè)物聯(lián)網技術的發(fā)展將在食品安全加工領域發(fā)揮重大的作用。白紅武等研究了QR二維碼技術與物聯(lián)網技術、安全溯源技術,開發(fā)了農產品質量安全溯源系統(tǒng)。形成一個具有三方滿意和消費者評級功能的便民服務平臺。Marra等應用了物聯(lián)網技術獲取罐頭內部的傳熱數(shù)據(jù),獲得了罐裝食品在熱殺菌中的熱傳導模型。農產品加工區(qū)利用物聯(lián)網技術實現(xiàn)對加工車間的環(huán)境監(jiān)測和智能化管理。應用物聯(lián)網技術構建食品加工監(jiān)控系統(tǒng),對中心區(qū)的環(huán)境、設備的衛(wèi)生狀況進行嚴格的監(jiān)控,建立安全實時可靠的農產品加工監(jiān)控系統(tǒng)與警報系統(tǒng)。另外,在農產品運輸過程中,利用農業(yè)物聯(lián)網設備進行跟蹤與監(jiān)控,實現(xiàn)物流車輛內環(huán)境信息實時監(jiān)控,建立農產品電子標簽識別體系,構成一個集電子標簽識別技術與安全溯源技術及加工環(huán)節(jié)物聯(lián)網監(jiān)控技術于一體的農產品加工、流通智能化管理體系,實現(xiàn)農產品生產、流通的嚴厲監(jiān)管,保障食品安全。4農業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展趨勢農業(yè)物聯(lián)網技術將深入農業(yè)生產全過程,并在農業(yè)生產管理中發(fā)揮巨大作用,具體將會在以下幾方面具有較好的應用前景。4.1農業(yè)物聯(lián)網生態(tài)傳感器的開發(fā)農業(yè)傳感器技術作為農業(yè)信息感知的“眼睛”在農業(yè)物聯(lián)網信息感知系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色。新型農業(yè)傳感器的開發(fā)將是農業(yè)物聯(lián)網產業(yè)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展,將越來越多地關注成本低、性能好、能耗低、技術先進的農業(yè)作物與土壤信息檢測傳感器。MEMS農業(yè)傳感器也將成為重要研究領域之一,一批新型的農業(yè)IT企業(yè)將會形成規(guī)模。4.2物聯(lián)網發(fā)展與應用的潛