李春雷

摘 要：農業(yè)物聯(lián)網技術是實現(xiàn)精準農業(yè)的有效手段，論文描述了傳統(tǒng)農業(yè)物聯(lián)網的架構。隨著邊緣計算技術的出現(xiàn)，針對我國農業(yè)自然資源狀況，提出了一種針對基于邊緣計算的農業(yè)物聯(lián)網架構。

關鍵詞：農業(yè)物聯(lián)網；精準農業(yè)；架構；邊緣計算

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-02

0 引 言

農業(yè)物聯(lián)網的一般應用是將大量傳感器節(jié)點構成監(jiān)控網絡，通過傳感器采集信息，以幫助農民及時發(fā)現(xiàn)問題，并準確地確定發(fā)生問題的位置，使農業(yè)逐漸從以人力為中心、依賴孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

為切實促進工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，充分利用現(xiàn)代信息技術改造傳統(tǒng)農業(yè)，推動農業(yè)發(fā)展向集約型、規(guī)?；D變，農業(yè)部啟動了農業(yè)物聯(lián)網區(qū)域試驗工程，選擇有一定工作基礎的省市率先開展試點試驗工作。這對于探索農業(yè)物聯(lián)網理論研究、系統(tǒng)集成、重點領域、發(fā)展模式及推進路徑，提高農業(yè)物聯(lián)網理論及應用水平，促進農業(yè)生產方式轉變、農民增收有重要意義。農業(yè)產業(yè)兼具地域性、季節(jié)性和多樣性，由此決定了信息技術改造傳統(tǒng)農業(yè)的復雜性和艱巨性。在工程實施過程中，通過不斷研究物聯(lián)網技術在不同產品、不同領域的集成及組裝模式和技術實現(xiàn)路徑，逐步構建農業(yè)物聯(lián)網應用模式，促進農業(yè)物聯(lián)網基礎理論研究和產品研發(fā)。

從全國范圍看我國農業(yè)自然資源狀況，發(fā)現(xiàn)我國的氣候、土地、水和生物資源分別具有以下特點：

（1）光、熱條件優(yōu)越，但干濕狀況地區(qū)差異較大；

（2）土地資源的絕對量大，但人均占有量少；

（3）河川徑流總量大，但水土配合不協(xié)調。

根據(jù)不同地區(qū)的具體條件和資源的不同特點，制訂符合國民經濟全局利益和各種資源宏觀經濟效益的資源開發(fā)利用戰(zhàn)略，是合理利用和保護農業(yè)自然資源的前提。另外不同的地區(qū)由于人均占有可耕地面積和土地后備資源的不同，應該選擇不同的農業(yè)集約化程度和集約經營方式。農業(yè)物聯(lián)網覆蓋區(qū)域較大，農作物種類較多，如果將所有農田感知信息全部匯聚到信息中心處理，會對網絡造成較大的流量壓力，同時也提高了信息處理中心的軟硬件設計復雜度，降低了對事件處理的響應速度。

1 農業(yè)物聯(lián)網是實現(xiàn)精準農業(yè)的有效手段

精準農業(yè)是一個農業(yè)應用和實踐體系，包括信息采集-信息解碼-投入優(yōu)化-田間實踐的良性循環(huán)，其中信息和數(shù)據(jù)是精準農業(yè)最核心的部分，首先應采集作物相關信息及影響作物生長的外界信息，再通過一系列軟件應用技術進行信息的統(tǒng)計分析解讀，并以網站或手機APP的方式呈現(xiàn)給農業(yè)相關人員，包括種植者或農技服務人員等，來指導農業(yè)田間實踐活動，達到精準種植、精準灌溉、精準噴施等目的，以獲取最高的產量和最大的經濟效益。

美國是世界上最早提出并實踐精準農業(yè)的國家，也代表著這一領域最的最高發(fā)展水平。美國約有200多萬個農場，其中60%～70%采用了精準農業(yè)技術。通過農田地理信息系統(tǒng)提供的地理信息確定作物的最佳生產模型，依據(jù)不同作物的差異，決定是否采用衛(wèi)星定位，智能機械，智能施肥、灌溉、噴灑農藥等措施，最大限度優(yōu)化各項農業(yè)投入，保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境及土地資源。美國精準農業(yè)追求的并非高產，而是強調單位面積的投入與產出的最佳比例，強調效益，注重保護生態(tài)環(huán)境，以減少農業(yè)耕種過程中因化學物質濫用而造成的環(huán)境污染。以色列大部分地區(qū)干旱少雨，土地貧瘠，提高水資源利用率是以色列解決農業(yè)發(fā)展的最大問題，因此，節(jié)水技術研究一直是以色列農業(yè)科學中最重要的課題。滴灌與噴灌是以色列節(jié)水灌溉技術的主要形式，發(fā)展到今天，已經是第七代技術，被廣泛運用于溫室、沙漠地帶、綠化帶等區(qū)域。我國早在20世紀90年代就開始了精準農業(yè)的應用研究，先后在北京、上海、新疆、黑龍江等13個省市實現(xiàn)了大面積應用。以新疆生產建設兵團為例，從1999年提出精準灌溉、施肥、播種、收獲及環(huán)境動態(tài)監(jiān)控開始，到2003年已基本形成比較完善的精準農業(yè)技術體系，在棉花生產的大面積應用中獲得了極大的經濟、社會及生態(tài)效益。

物聯(lián)網在農業(yè)領域中有著廣泛的應用，從農產品生產的不同階段來看，無論是種植培育階段還是收獲階段，都可以用物聯(lián)網技術來提高其工作效率和精細管理程度。在種植和培育階段，可以用物聯(lián)網技術手段采集溫濕度信息，進行高效管理，從而積極應對環(huán)境變化，保證植物育苗在最佳環(huán)境中生長。在農作物生長方面，可以利用物聯(lián)網實時監(jiān)測作物生長的環(huán)境信息、養(yǎng)分信息和作物病蟲害情況。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，將實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與專家經驗相結合，配合控制系統(tǒng)調理作物生長環(huán)境，改善作物營養(yǎng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)作物的病蟲害爆發(fā)時期，維持作物最佳生長條件。在技術成熟與成本下降，國內農業(yè)面臨人力不足、農田灌溉浪費與缺水并存、農業(yè)科技投入不足且農業(yè)耕作粗放的背景下，精準農業(yè)成為國內農業(yè)轉型升級的風向，而農業(yè)物聯(lián)網技術是實現(xiàn)精準農業(yè)的有效手段。

2 傳統(tǒng)農業(yè)物聯(lián)網架構

早期的農業(yè)物聯(lián)網主要由無線感知節(jié)點、無線匯聚節(jié)點、通信服務器、基于Web的監(jiān)控中心、農業(yè)專家系統(tǒng)組成。眾多無線自組織感知節(jié)點可實時采集空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度、土壤溫濕度等作物生長環(huán)境信息，并經由無線匯聚節(jié)點通過GPRS或3G上傳至互聯(lián)網實時數(shù)據(jù)庫，由專家系統(tǒng)分析相關數(shù)據(jù)，將生產指導建議以短消息的方式發(fā)送給農戶。傳統(tǒng)農業(yè)物聯(lián)網架構如圖1所示。

基礎層為基礎數(shù)據(jù)采集層，通過各類無線感知節(jié)點自組織形成局域網絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及返控。數(shù)據(jù)采集層主要實現(xiàn)對基礎層無線傳感網絡數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及返控命令的發(fā)送，同時對基礎層的無線傳感網絡節(jié)點進行自動管理。通信服務器負責提取網關數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)采集傳輸層），并對提取的數(shù)據(jù)進行解析、處理和入庫，是應用層和下位機相連接的紐帶。應用平臺對提取出的數(shù)據(jù)進行整理、分析及處理，界面人性化，方便管理者操作，實現(xiàn)了所有人機對話功能。

3 基于邊緣計算的農業(yè)物聯(lián)網

3.1 邊緣計算

近幾年，隨著物聯(lián)網技術的規(guī)?；瘧煤托畔⒓夹g的發(fā)展，智能邊緣計算出現(xiàn)了，它提出了一種新模式，即讓物聯(lián)網的每個邊緣設備都具備數(shù)據(jù)采集、分析計算，通信及智能處理能力。邊緣傳感器不再需要持續(xù)不斷將各種傳感數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)中心，而可以自己判斷各種感知數(shù)據(jù)，只在讀數(shù)出現(xiàn)重大變化時才聯(lián)系數(shù)據(jù)中心，決定采取何種操作。

新的智能邊緣計算可利用云對邊緣設備進行大規(guī)模安全配置、部署和管理，并根據(jù)設備類型和場景分配智能的能力，讓智能在云和邊緣之間流動。智能化已開始為各行業(yè)創(chuàng)造經濟和社會價值，農業(yè)智能化以農田數(shù)據(jù)的智能分析為基礎，可實現(xiàn)智能決策和智能操作，讓農業(yè)專家系統(tǒng)走向田間地頭，實時指導廣大農民科學耕作。

云計算適用于非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務決策場景，而邊緣計算在實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策等方面發(fā)揮著不可替代的作用。邊緣計算與云計算是行業(yè)數(shù)字化轉型的兩大重要支撐，兩者在網絡、業(yè)務、應用、智能等方面的協(xié)同將有助于支撐農業(yè)物聯(lián)網創(chuàng)造更大的價值。

3.2 基于邊緣計算的農業(yè)物聯(lián)網架構

由于邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網絡邊緣側，各種資源如網絡、計算、存儲更靠近用戶，能夠就近提供邊緣智能服務，以滿足用戶敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的需求。基于邊緣計算的農業(yè)物聯(lián)網架構如圖2所示。

基于邊緣計算的農業(yè)物聯(lián)網架構更適宜實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地支撐本地業(yè)務的實時智能化處理與執(zhí)行；由于邊緣計算距離終端用戶更近，在邊緣節(jié)點處實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的過濾和分析，因此效率更高；人工智能與邊緣計算的組合出擊讓邊緣計算不止于計算，更多了一份智能；在進行云端傳輸時通過邊緣節(jié)點進行一部分簡單數(shù)據(jù)處理，減少設備響應時間與從設備到云端的數(shù)據(jù)流量。

4 結 語

未來物聯(lián)網將是運行在統(tǒng)一標準平臺上的開放系統(tǒng)，農業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展也將沿著這條技術路線前行，現(xiàn)在開始建設新的農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)時，就要盡可能避免將其建設為封閉獨立系統(tǒng)，要為未來平滑升級奠定基礎。希望各種新的信息技術能夠盡快在農業(yè)領域得到應用，為祖國糧食安全做出貢獻。

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