農業物聯網概述第1章1.1農業物聯網的概念和特征1.2農業物聯網的建設內容 1.3農業物聯網的基礎應用 1.4發展農業物聯網的意義 1.5農業物聯網的發展 1.6農業物聯網網絡架構 1.7農業物聯網關鍵技術 1.8國內外農業物聯網比較 1.9農業物聯網標準化及其相關政策 1.1農業物聯網的概念和特征1.農業物聯網的概念農業物聯網也稱為數字農業或智慧農業，就是將物聯網技術應用于農業領域。主要使用各種農業傳感器、射頻識別設備、視頻信息采集終端等各種類型的感知設備，大范圍實時采集與種植、畜牧、水產養殖、農產品加工、農產品流通等相關的農業信息，通過LoRa、NB-IoT等無線傳感器網絡、4G/5G移動通信、Wlan寬帶通信網絡、遠距離微波通信等技術，實現農業信息的多渠道傳輸和互聯，并利用邊緣計算等技術對信息進行匯總，借助人工智能處理獲取的精確信息，從而建立農業物聯網智能應用系統，提高農業生產和經營的系統化、自動化、智能化水平。2.農業物聯網的特征農業物聯網主要特征體現在以下幾個方面：（1）農業生產要素的分配與管理智能化。（2）農業生產和經營決策有據可依。（3）可全天候提供農業服務。（4）農業信息可信度高。1.2農業物聯網的建設內容具體來說，農業物聯網建設主要包含以下內容：（1）建設智慧農業生產體系。（2）建設農產品溯源體系。（3）構建智慧管理與服務體系。（4）提高農業裝備的智能化水平。（5）促進農業大數據和人工智能發展。1.3農業物聯網的基礎應用農業物聯網的基礎應用可以歸結為以下幾種：（1）智慧種植、養殖。（2）開放式種植場及養殖場管理。（3）生產自動化控制系統。（4）管理及運營。1.4發展農業物聯網的意義（1）為選擇、改善農產品生產環境提供科學依據。（2）提高農業種植養殖管理精準度。（3）提高農產品品質，減少污染。（4）把控農產品生長狀況和采收時間，協調投入產出比例。（5）使管理和運營效率得以明顯提高。（6）保障農產品的質量安全。（7）全面推動農業產業發展。1.5農業物聯網的發展1.5.1農業物聯網發展的基本情況1.國際數字農業聯盟國際數字農業聯盟由國際電信聯盟和聯合國糧農組織共同發起，致力于推廣數字農業應用，主要內容包括：·全球數字農業國家戰略計劃（NationalStrategy）·數字農業實行計劃（E-agricultureActionPlan）·數字農業框架建設（E-agricultureFramework）2.全球農業物聯網發展戰略國際電信聯盟和聯合國糧農組織合作研究制定了《農業物聯網戰略指南》，致力于開發有針對性的農業物聯網發展戰略，為各國發展農業物聯網提供一個框架，包括農業物聯網發展愿景、實行計劃、成果檢測、評估框架四個部分，其中的農業概念涵蓋了種植業、畜牧業、漁業、林業等領域。農業物聯網計劃的制定要結合國家、農村的發展目標和農業發展形勢，綜合考慮農業愿景、農業發展優先事項、信息通信技術部門的潛力、相關部門或群體的利益，分析發展農業物聯網的有利環境、可行性和現實差距，確保既立足于當前環境，又不限制任何可能性，遵循可持續發展的原則。1.5農業物聯網的發展1.5農業物聯網的發展3.全球農業物聯網發展情況許多國家發展農業物聯網的經驗表明，信息化技術是應對眾多農業發展挑戰的有效手段。很多發展中國家75%以上的人口依靠農業為生，當地政府投資了許多信息通信技術方案，用于提高公民的信息通信技術水平和促進農業綜合企業的應用開發，以此作為經濟增長的引擎，推動經濟向以知識為基礎的中等發展水平轉變。同時，將農業物聯網戰略嵌入到國家發展戰略之中，政府對信息通信技術的投入刺激了私人投資，為開發各種農業技術手段和應用程序創造了有利環境。除此之外，政府還設立了幫助偏遠地區農民獲取農業信息的社區服務中心，以提高農業部門的服務水平，政策的引導和支持在發展中國家農業物聯網的發展過程中發揮了重要作用。1.5農業物聯網的發展1.5.2全球農業物聯網發展面臨的挑戰農業物聯網發展潛力巨大，但目前在國內外農業產業中所占比重較低，其發展普遍面臨著諸多挑戰：（1）缺少農業專家，相關政策缺少對農業價值鏈參與者的激勵，大多數農業勞動者前往城市尋找有薪工作，農業勞動力急劇減少。（2）由于城鎮化的發展，農業勞動力成本大幅提高。（3）農業勞動力平均年齡快速增長。（4）農業和非農業部門之間合作基礎薄弱，對農業的投資少，農業預警機制、病蟲害管理系統、食品安全和質量管理設施等配備不足。（5）數據統計不及時；信息共享機制不健全。（6）部分農村和邊遠地區寬帶通信基礎設施落后。（7）農業標準化和數據庫建設較弱。1.5農業物聯網的發展1.5.3農業物聯網的發展趨勢和特點1.發展趨勢根據國際電信聯盟和聯合國糧農組織的報告，大部分國家農民在獲取農業信息、應用信息化技術方面處于劣勢，農業物聯網的發展需要政府的引導和支持，并充分發揮農業科技公司的作用，大力推廣農業物聯網應用，提高農業產業的技術含量。在現代化農業的發展過程中，農業生產管理科學化、智能化、網絡化、集約化的趨勢日益明顯。1.5農業物聯網的發展2.發展特點（1）技術壁壘高。（2）開發空間大。（3）產品定制需求增加。（4）技術要求日漸規范。1.6農業物聯網網絡架構農業物聯網網絡架構分為三層，即感知層、傳輸層、處理和應用層，如圖1-2所示。圖1-2農業物聯網網絡架構1.7農業物聯網關鍵技術1.農業信息感知技術（1）傳感器技術。（2）射頻識別技術。（3）北斗/GPS技術。（4）無線遠程視頻監控技術。2.農業信息傳輸技術傳感器以自組織的方式構建無線傳感器網絡匯聚傳感器采集的信息，接著交由Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、LoRa、4G和5G等無線通信網絡將信息傳輸至處理平臺。3.農業信息處理技術農業信息處理涉及數據庫設計、數據挖掘、云計算、神經網絡、圖像處理、地理信息系統等技術。1.8國內外農業物聯網比較1.8.1國內外農業物聯網應用現狀1.國內外農業物聯網應用情況物聯網目前已應用在農業育種、農作物種植、畜禽及水產養殖、農產品質量安全管理、農業資源調控等方面，并取得了一系列成果，不斷推動農業產業往標準化方向發展。2.我國農業物聯網市場需求（1）我國農業生產技術及效率亟待提升。（2）我國農業生產模式亟需改進。1.8國內外農業物聯網比較1.8.2國內外農業物聯網性價比比較從以下幾個方面對目前國內外農業物聯網的性價比加以比較：1.技術及創新（1）技術研發和創新能力。（2）“產學研”結合程度。2.產品及應用（1）建設完整物聯網平臺的能力。（2）農業物聯網應用成本。（3）農業物聯網應用示范。3.技術標準和知識產權（1）農業物聯網標準和技術規范。（2）知識產權數量。1.9農業物聯網標準化及其相關政策國際上的農業物聯網標準化工作開展較早，相比之下國內物聯網標準化體系建設進程嚴重滯后，農業物聯網產業化因此受到了限制。為解決上述問題，農業部在2011年開始組織建設并完善農業物聯網標準體系，成立農業物聯網行業應用標準工作組和農業應用研究項目組負責該項工作的具體落實。后續發布的《農業物聯網區域試驗工程工作方案》對制定農業物聯網行業應用標準和產品使用規范作出了要求。農業物聯網區域試驗工程也于2013年正式啟動，隨后連續幾年在山東、新疆、江蘇、黑龍江等全國八個省市進行了農業物聯網技術集成應用示范試點建設。近年來，國家“一帶一路”戰略規劃為農業物聯網標準建設、項目示范、國際合作提供了制度保障，農業物聯網標準建設工作取得了重大進展。物聯網農業信息感知第2章2.1傳感器及其農業應用2.2拉曼光譜技術 2.3射頻識別技術（RFID） 2.4二維碼技術 2.5無線視頻監控 2.6北斗衛星導航系統2.7遙感技術（RS） 2.1傳感器及其農業應用2.1.1傳感器概述1.傳感器的概念傳感器是檢測信息的裝置，它最基本的功能是把信息轉換成電信號，以便進行處理和分析。傳感器的內部結構中包含了敏感元件、轉換元件及信號調節與轉換電路。傳感器的組成如圖2-1所示。圖2-1傳感器的組成2.1傳感器及其農業應用傳感器的分類方法眾多，用途、工作原理、輸出信號、制造工藝等都可以作為其分類方式，較常用的分類方式如表2-1所示。表2-1傳感器分類2.1傳感器及其農業應用2.傳感器的數據處理和傳感器校準1）傳感器數據處理傳感器感知到信息后，會依照設定的規則，把這些信息轉換為電信號，再進行輸出。主控設備接收到信號后對其進行處理分析，提取有價值的數據，再通過其他方式傳送這些數據。2）傳感器校準傳感器校準指的是在明確傳感器輸入與輸出關系的基礎上，使用標準儀器標定傳感器，其內容包括傳感器的工作特性、環境特性、物理與幾何參數等。將標準儀器產生的已知量作為被標定傳感器的輸入，將所得輸出量與輸入量作比較，即可了解傳感器的性能。3.傳感器選擇傳感器的性能是由精度誤差、穩定性、可靠性、參數一致性、量程范圍等共同決定的，同時，環境檢測對傳感器的性能要求較高，不同區域對傳感器的檢測性能也有不同程度的影響。其次，所檢測環境的溫度變化、濕度變化、雷雨降水、空氣鹽霧腐蝕、雷擊靜電及周圍其他干擾因素也會影響傳感器的監測結果。此外，傳感器檢測數據結果還與數據處理電路和傳輸電路有關。2.1傳感器及其農業應用2.1.2傳感器產業1.傳感器產業現狀我國對傳感器的使用需求大，市場規?？蛇_數百億元。但現在國內自主生產的傳感器還遠遠不能滿足這些需求，產生這種現象的最主要原因在于國產傳感器普遍在靈敏度、準確性、穩定性等方面存在問題，且由于傳感器及相關專業人才數量少，傳感器研發進展緩慢，使其發展和應用都受到了極大的限制。2.1傳感器及其農業應用為了改變國內傳感器產業相對落后的局面，可從以下幾方面入手：（1）政策與管理方面。（2）資金方面。（3）行業方面。（4）技術與人才方面。2.傳感器產業化問題及解決策略目前國內傳感器產業發展的問題有以下幾點：（1）科技成果轉化率較低，產業化基礎薄弱。（2）對國外技術的依賴程度高。（3）市場競爭力不足。（4）成本優勢不明顯。（5）行業不被重視。（6）融資困難。2.1傳感器及其農業應用2.1.3農業傳感器農業傳感器是發展農業物聯網的基礎設施之一，也是構建農業物聯網完整信息鏈必不可少的設備。農業傳感器采集農業生產信息，是農業物聯網系統正常運行的前提，農業傳感器的性能也會影響整個農業物聯網系統的運行水平。1.農業傳感器類型農業傳感器主要有環境監測類傳感器和生命信息感知傳感器兩類。2.農業傳感器現狀我們以水產養殖方面的應用為例，談談農業傳感器發展的現狀。水產養殖使用到的傳感器可以稱之為漁業傳感器，其應用也多已成熟，但將這些使用成熟的農業傳感器引入到水產養殖領域卻存在成本價格、行業性、穩定性、后期維護諸多需要解決的問題。就目前的情形來說，以上幾個問題不解決，很難推動養殖戶對傳感器的大規模使用，更談不上產業化。2.1傳感器及其農業應用3.國內外農業傳感器對比與進口傳感器相比，我國自主研發的傳感器在性能水平及產業化程度等方面均有所不足，具體表現在監測精度、配套無線傳感網絡技術、監測數據種類、誤差消除、性能評價標準、制造工藝等方面。4.農業傳感器應用（1）育苗育種。（2）種植養殖。（3）農業機械。（4）農產品分類與儲藏。2.2拉曼光譜技術1.拉曼光譜技術拉曼光譜技術是一種用來檢測物質結構成分的技術，它以拉曼光譜效應為基本原理，通過檢測光譜特性來分析物質特征，以比對拉曼光譜間的差異實現對不同物質的辨別。2.拉曼光譜技術在農業領域的應用與傳感器技術相似，拉曼光譜技術可以作為農業物聯網感知技術，感知農業信息供農業生產管理使用或投入建立農產品溯源系統。雖然拉曼光譜技術在農業領域的應用開始較晚，但因其具有無須樣品預處理、非接觸式快速檢測、光譜成像分辨率高等優點，所以在農產品農藥殘留檢測、畜產品品質檢測、糧食質量安全檢測、農產品營養成分檢測等方面得到了廣泛應用，具有普通檢測方式所無可比擬的優越性。2.2拉曼光譜技術3.拉曼光譜技術農業應用存在的問題拉曼光譜檢測具有效率高、實用性強等特點，農業領域也已經有了這方面的應用，且具有極大的應用發展空間。各種類型的拉曼光譜設備逐漸高精度化、小型化、便攜化，實際使用也更為便利，但就目前而言，拉曼光譜技術在檢測穩定性等方面的性能仍有待優化。2.3射頻識別技術（RFID）使用射頻識別技術能夠在不與物體接觸的情況下識別物體，并以電磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式獲取目標對象的信息。1.RFID的特征（1）操作便捷。（2）標簽容量大。（3）安全性高。（4）受環境影響小。（5）重復利用率高。

2.RFID系統組成及其工作原理（1）系統組成。RFID系統一般由射頻識別標簽、射頻讀寫器和信息系統構成。2.3射頻識別技術（RFID）（2）工作原理。RFID系統的工作原理如圖2-3所示。射頻讀寫器通過天線發送射頻信號與射頻識別標簽實現非接觸耦合（NoncontactCoupling），驅動射頻識別標簽通過內部天線發送數據信號，射頻讀寫器依序接收信號并進行解碼，校驗數據的準確性后將其發送至信息系統進行進一步處理。圖2-3RFID系統工作原理2.3射頻識別技術（RFID）3.RFID在農業中的應用（1）農產品種植管理。（2）畜禽養殖管理。（3）農產品溯源。2.4二維碼技術二維碼技術是對文字、圖像等信息進行數字化編碼和自動識別的技術。二維碼也叫二維條碼（2-dimensionalbarcode），它由黑白兩色的幾何圖形遵循一定的規律排列而成，在水平、垂直方向都可以表達信息。2.4二維碼技術1.二維碼應用系統二維碼應用系統是以二維碼存儲和表示信息的計算機信息系統，由二維碼生成設備、二維碼標簽、二維碼識讀設備和信息處理系統構成，如圖2-4所示。圖2-4二維碼應用系統構成2.二維碼技術在農業中的應用在農業領域，二維碼主要作為一種信息載體和信息傳輸接口，用于農產品溯源，以保障農產品質量安全，提高數據查詢和共享效率。2.5無線視頻監控無線視頻監控將監控技術與無線傳輸技術相結合，通過無線傳輸技術來傳輸圖片、視頻、聲音等信息，解決了傳統監控系統布線繁瑣的問題，具有技術先進、高效靈活、經濟適用等特點，監控系統建設將主要朝著無線化方向發展。1.無線視頻監控的特點（1）成本低。（2）實用性強。（3）擴展、移動方便。（4）網絡信號易受影響。2.無線視頻監控系統組成無線視頻監控系統（WirelessVideoMonitoringSystem）由信息采集系統、無線數據傳輸系統、信息管理系統組成。2.5無線視頻監控3.無線遠程多節點視頻監控系統(PMP+WLAN)無線遠程多節點視頻監控系統應用MeshWLAN組網技術，采用無線通信和點對多點無線技術，運用信號頻率調制解調技術減少設備之間的無線干擾，實現大范圍的無線遠程視頻監控，大大節省了設備成本。用戶可以