农业物联网体系架构及其技术应用与效益分析
农业物联网体系架构及其技术应用与效益分析
0 引言
自美国麻省理工学院( MIT) 自动识别中心( Auto－ID Center) 教授凯文·艾什顿( Kevin Ashton) 于
1999 首次提出物联网( Internet of Things，IoT) 概念以来，美国、欧盟、日本、韩国和中国等国
家和地区高度重视物联网技术的发展和应用，纷纷将其纳入产业发展规划或政策支持范围，并
将其视为全球经济新的增长点。
物联网技术也从最初物流领域的应用逐步扩展到交通、医疗、工业、农业等领域，取得了明显
的进展。其在农业领域的应用也称为农业物联网，受到我国各级政府的高度关注，当前通过项
目和基地示范建设的方式，取得了明显的阶段性成效。但当前学界对农业物联网的研究还主要
集中在技术实现和商业模式等领域的探讨，而对农业物联网自身社会经济效益的研究较少。为
此，通过对农业物联网技术架构及其技术应用的解析，探讨其技术应用所带来的社会经济效
益。
1 文献回顾
农产品的供给和安全事关人类基本生活质量和安全，世界各国都高度重视农业生产效率的提升
和食品安全保障。近年来，信息技术尤其是物联网技术为提高农业生产效率和保障食品安全提
供了重要契机。
“早期农业利用信息技术主要基于 3S”技术对农地定位、测量土地面积、监测土壤营养状况和作
“物长势、预测产量。发达国家除了注重 3S”技术的应用外，还加强了农业信息化体系建设，如
专家系统、市场信息发布系统等。物联网技术的发展为实现更加精确化、数字化和智能化的物
联网农业提供了条件。
不少学者在不同技术及其应用领域进行探索研究，如射频识别技术( ＲFID)、传感器件在现代
化农机中的嵌入应用技术、智能生产监控技术、设施农业中的技术应用、作物营养无损感知和
自组织网络技术等。部分学者对农业物联网技术应用情况做综述类研究，还有部分学者对物联
网企业的商业模式展开研究。以上这些研究对于揭示农业物联网的技术细节、可能的应用领
域、关键技术及其难点、未来发展方向以及企业如何应用农业物联网实现商业价值等方面具有
积极意义; 但对农业物联网技术如何给人类带来社会经济价值以及带来哪些社会经济价值缺乏
系统解释。
2 农业物联网体系架构及其技术应用
2 ．1 农业物联网体系架构
在农业物联网体系架构层次划分上，大多学者采用物联网技术通用架构层次划分法，将其划分
为感知层、传输层和应用层3 个层次。笔者认为，这种通用划分法主要有两个缺陷: 一是无法
表征物联网技术在各具体产业应用中的特色和差异; 二是无法体现具体用户的特征和差异。为
了克服这种缺陷，笔者将农业物联网体系架构划分为5 个层次，即用户层、应用层、传输层、
感知层和对象层。其各层的功能、构成和逻辑关系如图1 所示。
1) 用户层。部分学者在对用户层的认识上容易局限在农业生产者这一核心用户范畴，而忽视产
业中其他环节的用户。笔者认为，农业物联网的用户不仅包括农业生产者，也包括系统管理
员、远程专家、物流运输者、农产品加工者、经销零售商、终端消费者等各个环节使用者，各
环节用户使用的技术类别和实现的技术功能有所差异。
2) 应用层。应用层主要包括 3 部分: 一是终端设备; 二是由各模块集成的管理信息系统; 三是云
端中心。其中，终端设备主要指农业物联网各级用户使用的各类网络计算机、智能手机、其他
手持终端以及其他身份识别标签读取设备。集成管理信息系统主要包括环境感知、无损感知、
过程感知、灾害感知、专家咨询、安全溯源、视频监控及专家系统等功能模块。云端中心主要
指提供云计算、云存储、云服务和云应用的物联网云端中心。
3) 传输层。传输层主要指网络传输层，具有两种主要网络传输类型: 一是无线网络传输。包括
无线传感网 络 ( 如Zigbee、WiFi、6LoWPAN、Bluetooth、3G、GP ＲS 等无线网络传输技术)
和卫星通信网络( 如遥感技术) ; 二是有线网络传输: 包括有线广域网( WAN) 、局域网( LAN) 和
个域网( PAN) 等网络传输技术。具体传输过程主要是由传感器件、遥感设备和身份识别技术标
签等获取感知监测对象的各种数据信息，传入无线传输网络，经由其通过网关传入有线网络，
由有线网络传入物联网云端中心进行加工和存储等。
4) 感知层。感知层是利用卫星遥感技术、射频识别、二维码、传感器件、GPS 等技术实现对农
业生产监测对象实施感知和监控的环节。遥感技术可以用来对土地资源的营养状况、墒情、作
物长势等信息进行实时感知监测。射频识别和二维码技术可以将标识物的信息通过读卡器传入
无线传输网络。传感器件( 如温、湿、光、PH 值、光谱等传感监测仪器) 通过对农业生产监测
对象所处环境或其自身进行实时信息监测，以便于进行预警或施加影响，以适应其生长需要。
5) 对象层。对象层是指农业物联网的作用对象，不同农业产业其具体作用对象不同。一般根据
农业产业大类可以将作用对象分为4 种: 设施农业、水产养殖、畜禽养殖和大田作物。其中: 在
设施农业领域农业物联网技术应用最为广泛; 在水产养殖和畜禽养殖领域的应用近年发展较快;
在大田农业领域，除了智能灌溉技术外，其技术应用水平还较低，不少技术应用还处在探索阶
段。
综上所述，农业物联网技术应用作用原理可以总结如下: 农业物联网应用射频识别、二维码、
电子耳标等身份识别技术，以及卫星遥感技术、传感器件技术和 GPS 等感知和监测技术对农
业生产对象进行实时感知和监测，并将感知和监测信息通过传输层传到物联网云端中心进行加
工和存储。农业物联网用户借由各种终端设备使用集成管理信息系统各个模块，访问物联网云
端中心，获取其所要感知和监测的数据，以达到实时感知和监测目标对象及其环境的目的; 并
根据需要对环境或对象本身施加影响，从而使农业生产、流通和交换等各环节更加远程化、智
能化、数字化和可溯源化。
2 ．2 农业物联网技术应用
当前，农业物联网技术主要应用于设施农业、水产养殖、畜禽养殖和大田作物 4 大领域。从其
实现的技术功能来看，主要应用在 4 个方面: 一是农产品安全溯源; 二是精准化农业生产管理;
三是远程、自动化农业生产管理; 四是农产品智能储运。
1) 农产品安全溯源。使用射频识别、二维码和电子耳标等身份识别技术，可以对农产品进行身
份标识，并对农产品的生产、加工、交换和流通等各环节进行全程跟踪记录，进而将记录的数
据信息存储在农业物联网云端中心的服务器上，供终端消费者实时验证查询。农业物联网农产
品安全溯源这一技术功能已在多个地方得到广泛应用。例如，江苏省宜兴市应用二维码技术对
螃蟹、白菜等农产品进行安全溯源; “ ”江阴市应用电子耳标技术构建 放心肉安全信息追溯平
台，实现食品安全溯源功能。
2) 精准化农业生产管理。传统农业的生产管理主要基于感性经验，不管是在生产投入、过程管
理还是结果统计上，都呈现粗放型特征。农业物联网技术的应用则可以实现生产投入、过程管
理和结果统计三位一体的精准化生产管理。在生产投入上，农业生产者可以通过遥感、传感器
件等技术对生产作业的土地、水域、空间或养殖对象进行准确信息参数感知，进而精准确定
水、肥、药、食等要素的投入水平，实现投入精准化。江苏省宜兴市在水产养殖上采用农业物
联网技术，实时监控池塘内的溶解氧含量等水质参数，在溶解氧含量最佳的时候进行精确投
喂，实现投入的精确化。在过程管理上，通过对生产对象及其环境的实时信息感知，对生产对
象或环境施加影响，使生产对象处于精确优化的生长状态，实现生产管理过程精准化。当前，
不少地方的智能温室大棚可以实时感知温室内的温度、湿度和光照，生产者可以根据精确数据
信息及时调整环境参数; 通过使用光谱分析技术可以对作物的营养状况实时感知，为生产过程
“中的营养投入决策提供科学依据。在结果统计上，借助 3S”和传感器件技术可以精确测定农业
生产的产出结果。例如，在农业收割机械上嵌入传感器件，可以精确统计农产品的收成数据;
在奶牛挤奶收集设备上装上计量传感器，可以精确统计奶牛的产奶量。
3) 远程、自动化农业生产管理。农业物联网技术与信息控制、人工智能和自动化控制等技术结
合，实现农业生产管理的远程化和自动化。如在智能温室大棚中，通过农业物联网智能控制技
术，可以实现智能自动打开、关闭遮阳板来调整光照强度，通过智能自动打开、关闭加热设备
或通风设备来调节温度。江苏省宜兴市的智能水产养殖监控系统可以根据池塘水中溶解氧的含
量自动或远程增氧，甚至进行远程自动化投喂。这种远程、自动化生产管理方式使得生产者即
使远在外地，也可对生产对象进行远程自动化管理。这种自动化还体现在对气候或病虫灾害的
智能化监测预警上; 而远程化则体现在农业生产者可以借助农业物联网实现远程专家咨询功能;
农业生产者通过农业物联网系统立即将病虫害等症状信息发给远程专家，远程专家就可以及时
进行远程诊断和处理。
4) 农产品智能储运。智能储运功能分为智能物流和智能存储两个方面。智能物流通过应用身份
识别和 GPS 等技术对农产品进行远程标识和跟踪，实现对农产品的非接触式物流管理，即无
需手动扫描识别和搬运等，而借助于自动控制技术实现农产品的智能自动化分类、分拣、装
卸、上架、追踪和销售结算等。
智能存储应用方面，由于农产品的存储需要控制温度、湿度、光照等条件，来实现保鲜和防
摘要：
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农业物联网体系架构及其技术应用与效益分析0引言自美国麻省理工学院(MIT)自动识别中心(Auto－IDCenter)教授凯文·艾什顿(KevinAshton)于1999首次提出物联网(InternetofThings，IoT)概念以来，美国、欧盟、日本、韩国和中国等国家和地区高度重视物联网技术的发展和应用，纷纷将其纳入产业发展规划或政策支持范围，并将其视为全球经济新的增长点。物联网技术也从最初物流领域的应用逐步扩展到交通、医疗、工业、农业等领域，取得了明显的进展。其在农业领域的应用也称为农业物联网，受到我国各级政府的高度关注，当前通过项目和基地示范建设的方式，取得了明显的阶段性成效。但当前学界...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
价格：免费
属性：4 页
大小：20.23KB
格式：DOCX
时间：2024-04-14
