物联网技术在都市农业中的应用

物联网技术在都市农业中的应用 摘 要：都市农业是我国现代农业的重要组成部分，物联网技术为都市农业提供了先进的技术支持。论述物联网自治控制系统在都市农业中的应用模型，介绍物联网感知层、传输层、应用层在该模型中的应用关键点。 关键词：都市农业；物联网；自治系统；应用模型 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-02 0 引 言 农业自身的生物性、变革性和区域性决定了都市农业的多样性，我国都市农业主要有产业型、休闲型、科技型、文化型、示范型、公园型等几类。 1 都市农业 与农村农业相比，都市农业具有以下几个明显的特点。 （1） 区位好，效益大，投资渠道多力度大，都市农业大多位于市区、市郊和交通要道的两侧，地价成本高，离市场近，运输距离短，人流量大。相比农村地区，生活在都市圈中的人，信息更加灵通，他们的言行相对影响较大。而都市农业在为农产品供给带来便利的同时，更丰富了人们的业余生活，发挥了休闲娱乐的功能，是对社会元素的一种必要补充。因其在时空上的天然优势，农产品在市场定价上也颇具竞争力，发展都市农业，兼顾了经济、社会、生态等多方面的效益。 （2） 科技含量高，农工结合强，有较高的工业化程度，经营管理先进。 （3） 都市农业融生产、休闲、娱乐、观光为一体，有巨大的投资潜力，除了有国家“菜篮子”工程、地方市政专款投入外，还吸引了大批自筹或合作的资金投入。 都市农业信息化主要有精准农业型发展模式1，2、经济功能型发展模式、生态观光型发展模式、综合示范型发展模式，其中精准农业型是都市农业信息化最主要的发展模式。在都市农业中，物联网技术为环境信息和动植物信息监测温室环境中的信息采集，节水灌溉提供了必要支持。 2 物联网技术在都市农业中的应用 都市农业也不例外，耕种、田间管理、农产品流通是最核心的环节。受自然环境、条件的制约，精准作业对都市农业来讲显得尤为重要。阳台、天台栽种、智能大棚、生态园区等引入相宜的传感网络，进行实时检测监控是生产本身的需要，也是人们及时掌握农作物生长情况的需要，结合上层应用系统，能掌握最佳游览观光时机。应用模型主要包含感知层、传输层和应用层。其体系结构如图1所示。 2.1 感知层 感知层处于整个体系结构的底层，是整个自治控制系统、信息生态系统原始信息的根本来源3。感知层的核心由大量的传感器构成。 传感器担负着采集水体水质、酸碱度、含氧量，土壤植被氮磷钾等元素含量与分布、土壤温湿度、电导率、紧实度、墒情、肥力等状况，太阳辐射强度与时长，环境空气温湿度等数据的任务。把采集到的观测量通过物理变换，得到一定形式的电信号，再通过RFID、电磁感应传感器、光谱、卫星遥感、红外线等装置传输到相应处理模块。农业传感器要求保持高度的一致性和较强的适应性，以确保整个系统反应快、效率高。由于工作环境的特殊性，要求传感器结实耐用，性能稳定，抗干扰能力强；由于农田面积大，传感器部署量多，从降低成本的角度出发，这就要求单个传感器成本低廉。 在智慧农业中常见的传感器主要有温湿度传感器，气体传感器，光传感器，霍尔磁性传感器以及营养元素传感器等4，5。 温湿度传感器一般部署在智能大棚、植物根系部的土壤处、植被、植物外表以及农产品储运设备中。 光照传感器主要是为了检测太阳的有效辐射，一般采用硅兰光伏探测器，具有灵敏度高，安装方便，防水性好，检测范围广等优点。 营养元素传感器主要用于检测土壤墒情、类型、肥力状况、氮磷钾以及微量元素的含量，这对指导精准施肥意义重大。 气体传感器在智能大棚以及农产品储藏中应用较多，比如检测N2、CO2、NH3含量等。 随着科技的发展，新型传感器，比如光纤传感器、MEMS微电子传感器、仿生传感器、电化学传感器等也开始出现在都市农业中6。 2.2 传输层 都市农业因其环境条件的制约，且具体应用个性化突出，在传输层应采用有线通信和无线通信相结合的模式，使其互为补充。 在都市农业中，区域因素对传输层方案制定影响较大，一般可分为广域分散型、区域集中型和区域分散型三种。 （1） 对于广域分散型，宜采用GPRS 、CDMA、3G、4G、PSTN、ATM等通信方式，适宜于野外布点，覆盖范围广，布网简单，但是在终端需要增加额外的通讯模块。 （2） 对于区域集中型，比如智能大棚，小园区等，可采用Ethernet、WiMax、WLAN网络，利用路由或交换机方式，这种方式具有接入简单、高速、多终端共享、成本低廉等特点，但是只适宜于固定场合。 （3） 对于区域分散型，可采用有线+无线相结合的模式，通过有线接入广域网，无线接入局域网的形式。无线接入可采用RS 485和ZigBee、6LoWPAN、UWB、WiFi、Bluetooth、CAN总线等模式。无线传感网络 （Wireless Sensor Network，WSN）融合了分布式信息处理技术。WSN由一系列传感器构成，每个传感器充当数据中转或簇头节点（Cluster Head Node）的作业，每个传感器包括数据处理模块，数据采集和控制模块，通信模块以及供电模块，如图2所示。 簇头节点除了采集数据，还要收集该范围内其它节点的数据，经过汇总后发送到汇节点或基站7。 图2 物联网传输层 2.3 应用层 应用层处于整个都市农业信息生态系统的上层，包括基础平台、应用平台和应用系统三部分。 （1）基础平台主要负责物联网应用治理，数据标准制定以及安全监控。 （2）应用平台即整个信息生态系统的数据中心，负责向各上层应用提供数据接口、流程序列，提供数据支持和实用工具。 （3）应用系统对各子系统的数据进行收集、清洗、去噪、规范化、模式识别、处理与优化、结合专家系统和智能算法对作业现场调度、实施自动化控制、提供多种形式的可视化知识表达等。 随着移动互联网的发展，通过手机、平板电脑、物载设备应用系统越来越频繁，开发Android或者IOS平台等移动应用客户端是大势所趋。能给管理者、观光游客在农业活动过程中带来极大地便利并获得更好地用户体验。 3 结 语 都市农业兼具精准农业和智慧农业的特点，涉及专业领域知识众多，其关键点有传感网、地理信息、生物技术、GPS定位、卫星遥感以及自动化控制和大数据分析，物联网技术结合移动互联网在都市农业中有广泛深入的应用。 参考文献 1刘爱民， 封志明， 徐丽明. 现代精准农业及我国精准农业的发展方向J.中国农业大学学报， 2000， 5（2）： 20-25. 2聂洪淼， 焦运涛， 赵明宇. 物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计J.自动化技术与应用，2012，31（10）：89-92. 3余华， 孙艳红， 车银超， 等. 无线传感器网络在现代农业中的应用J. 安徽农业科学，2010， 38（4）： 2172-2174. 4曹红兵， 魏建明， 刘海涛. 无线传感网中多传感器特征融合算法研究J. 电子与信息学报. 2010， 32（1）： 166-171. 5孙