1 物聯網的發展概述

　　1.1 物聯網的概念及發展

　　物聯網是由多項信息技術融合而成的新型技術體系，被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。物聯網（Internet of Thlngs，IoT）是通過射頻識別（RFID）、傳感器網絡、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，并觸發相應事件的一種網絡。物聯網通過基于“物-物”通信模式（M2M）的短距無線自組織網絡，實現物體與物體之間的相互連接和交互。

　　物聯網最初的概念起源于美國麻省理工學院（MIT）于1999年提出的無線射頻識別系統（RFID）。RFID將物體與物體之間用射頻識別的通信技術連接在一起，實現對物體智能化的識別，并通過接人互聯網，實現對物體遠距離的定位、監控和管理。同時，隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟，以RFID技術和傳感器網絡技術為感知基礎的物聯網架構也應運而生。繼互聯網實現了人與人的遠程交互之后，物聯網將實現物與物、人與物之間的遠程交互。目前，全球范圍內的各個重要國家都將物聯網的發展確定為國家戰略的重點。2008年起，已經發展為世界范圍內多個研究機構組成的Auto-ID聯合實驗室組織了 “Internet of Things”國際年會。2009年6月18日，歐盟執委會發表了《Internet of things——an action plan for Europe》，描述了物聯網的發展前景，在世界范圍內首次系統地提出了物聯網發展和管理設想，并提出了12項行動保障物聯網加速發展。美國國家情報委員會（NIC）發表的“2025年對美國利益潛在影響的關鍵技術”報告中，把物聯網列為六種關鍵技術之一。我國也在《2010年政府工作報告》中提出了利用物聯網技術推動經濟發展方式的轉變，物聯網將成為國家經濟技術發展的戰略支柱之一。

　　1.2 物聯網的體系架構

　　根據歐盟第七框架項目CASAGRAS2給出的物聯網體系架構（圖1略），物聯網應該具備4個層次：①感知層。在感知層中，各種物體通過嵌入RFID和無線傳感器等感知器件，自組地形成局部網絡，獲取自身狀態或周圍環境信息，并通過接入網將信息傳入傳輸層。在有些系統中，感知層可以根據收集的信息進行一些初步的處理和響應。②傳輸層。通過各種電信網絡（包括寬帶無線網絡、光纖網絡、蜂窩網絡和各種專用網絡）與互聯網的融合，實時準確的接收感知層的信息，并將該信息送至處理層進行計算處理。③處理層。利用互聯網絡的資源，采取云計算的方式提供數據存儲、處理、決策、控制等功能，實現全球物體之間的深度互聯和互動。④應用層，在農業、軍事、環境災害監測、物流供應鏈等不同領域建立各種具體應用。

圖1 物聯網體系結構

　　1.3 物聯網在農業中的應用

　　我國農業正處于傳統農業向現代農業的轉型時期，網絡信息化技術在這一時期將發揮獨特而重要的作用，也為現代農業發展提供了前所未有的機遇。農業物聯網可以把感應器嵌入農業機械、土地、灌溉系統等各種物體中，然后將“物”與互聯網整合起來，通過智能分析，實施實時的管理和控制。這樣，人類可以以更加精細和動態的方式管理農業生產，提高資源利用率和生產力水平，促進可持續發展。

　　物聯網在現代農業中的應用范圍主要體現在以下幾個方面：（1）應用無線傳感器網絡建立農業精準控制系統。進行農作物田間及溫室環境控制和信息反饋，用其檢測作物的環境信息，監測收集土壤的溫度濕度、大氣氣壓、風速、作物生長情況等數據，并對這些信息進行處理，為農業專家進行決策并制定農田變量作業處方提供主要數據源和參數；也可自動觸發相關行為，如智能灌溉或自動調節溫度，保證作物良好的生長環境。（2）應用RFID技術建立現代養殖業食品供應鏈跟蹤與可追溯體系。將RFID技術用于畜禽的個體標識，并結合無線傳感網絡、手持移動設備和PC機數據庫技術等構建RFID養殖管理信息系統，以跟蹤豬肉產品的生產、加工、批發以及零售等各個環節，實現畜禽數據的有效追溯和數據及業務的共享。（3）農用傳感器還可以應用于移動信息裝備制造產業、農業資源管理、農業信息網絡服務產業、農業自動識別技術與設備產業、農業精細作業機具產業和農產品物流產業，實現農業生產自動化、智能化。

　　2 農業物聯網中關鍵技術的發展

　　近年來，物聯網的關鍵理論、技術和應用成為業界和學術界的研究熱點，涵蓋了從信息獲取、傳輸、存儲、處理直至應用的全過程。物聯網應該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、海計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。農業物聯網中的關鍵技術也主要集中在傳感器網絡技術、身份識別技術、通信技術、智能處理技術等方面。

圖2 精準的農業控制系統

　　2.1 傳感器網絡技術

　　無線傳感器網絡是物聯網中感知事物、傳輸數據的重要手段，可以構成物聯網的重要的觸角和神經。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡在農業信息化領域中得到了廣泛的應用，如精準農業、智能化專家管理系統、遠程監測等方面。

　　基于無線傳感器網絡的精準農業控制系統可以實現環境的實時在線監測。系統由無線傳感器網絡、無線網關和監測中心三部分組成（圖2略）。分布在監測區域的傳感器節點采集環境數據，數據包括土壤溫度、濕度、大氣氣壓、風速、作物生長情況等。傳感器的類型可以根據需要監測的農田參數進行選擇，如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、光照強度傳感器等。傳感器節點以ZigBee自組網方式構成傳感器網絡，并通過一跳或多跳的無線通信方式將數據發送至無線網關。無線網關接收傳感器節點傳送來的數據，通過其他外部的網絡（Internet或GPRS）將數據傳送到監測中心。監測中心負責對目標監測區域發出各項環境指標的查詢請求命令，并對收集上來的數據進行分析處理，為農業專家決策并制定農田變量作業處方提供主要數據源和參數。

　　目前，全國已在多個省份建立起設施農業數字化技術、大田作物數字化技術和數字農業集成技術等綜合應用示范基地。一些先進的農用傳感器也在應用實驗階段，如電化學離子傳感器，用于土壤中氮、磷、鉀和重金屬含量的快速檢測；生物傳感器，用于禽流感快速檢測、商致病性細菌檢測；氣敏傳感器，用于食品品質、氣體污染、排放監測等。

　　今后，農業傳感器技術將朝著微型化、低功耗、高可靠性的方向發展，能否降低構建傳感器網絡的成本，降低傳感器的功耗，延長傳感器網絡的生命周期是傳感器網絡能否在農業中得到廣泛應用的關鍵。此外，如何提高傳感器網絡的可靠性也將是研究的重心。現有無線傳感器網絡空間范圍查詢處理算法能量消耗較大，且當節點失效時查詢處理過程易被中斷，無法返回查詢結果。劉亮等提出了一種能量高效的算法ESA，減少了傳感器節點發送的數據消息數目，降低算法分發查詢消息消耗的能量。同時，設計了一種利用節點冗余恢復查詢處理過程的算法，降低_了算法因節點失效而中斷的概率。

　　2.2 身份識別技術

　　物聯網需要在感知層中對大量的物體進行個體標識，即身份識別技術。射頻識別RFlD（Radio Frequency Identification）標簽技術已成為物聯網中對物體感知識別的主要技術，并且通過與互聯網、通訊等技術相結合，可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享。

　　RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無須人工干預。RFID系統由電子標簽、讀寫器和中央信息系統三個部分組成，電子標簽可分為依靠自帶電池供電的有源電子標簽和無自帶電源的無源電子標簽。RFID系統的工作原理（圖3略）是：當電子標簽進入讀寫器發出的射頻信號覆蓋的范圍內后，無源電子標簽憑借感應電流所獲得的能量發送存儲在芯片中的產品信息，有源電子標簽主動發送某一頻率的信號來傳遞自身的產品信息。當讀寫器讀取到信息并解碼后，將信息送至中央信息系統進行數據處理。

圖3 RFID工作原理圖

　　RFID技術在農產品質量安全監管中的應用越來越普及，在農產品質量安全追溯中的研究也取得了一定進展。RFID技術在農產品可追溯系統的應用可深入農產品原料、產品加工、物流銷售各方面。在農畜產品飼養環節上，RFID技術可以用來標漢動物、記錄和控制瘟疫等，主要有項圈電子標簽、紐扣式電子耳標、耳部注射式電子標簽以及通過食道放置的瘤胃電子標簽等方式來記錄動物的信息。耿麗微等提出并建立了一種基于無線射頻識別技術的奶牛的身份識別系統。該系統通過采用瘤胃式動物電子標識來為每頭奶牛建立一個永久性的數碼檔案，實行一畜一標，并通過采用RFID技術以及單片機與PC機的通信技術對存儲奶牛信息的電子標簽進行遠距離識別，從而及時的實現對每頭奶牛的監控與管理。研究結果表明RFID系統讀卡器的識讀率為100%，識讀距離可達到8m以上。任守綱等設計了基于無線射頻識別技術的肉品銷售跟蹤及追溯體系，包括跟蹤系統和追溯系統。跟蹤系統通過在銷售節點上的產品電子代碼系統，對附有無線射頻識別芯片標簽的肉品信息進行跟蹤。追溯系統通過對象名解析服務（ONS）服務器，查出肉品銷售相關節點實體標記語言（PML）服務器的地址，進而獲得肉品的流通信息，接著將這些信息與節點的地理信息相結合，通過地理信息系統（GIS）軟件進行直觀展示。羅清堯等采用超高頻無線射頻識別技術，設計了適合生豬胴體的RFID 標簽，開發了電子標簽在線讀寫系統，實現了生豬屠宰流水線上豬只胴體的RFID標識和遠距離自動識讀。通過生豬溯源耳標信息采集、RFID胴體標簽信息與屠宰廠Intranet溯源數據記錄系統的自動關聯，實現了生豬屠宰過程中溯源關鍵點的生豬屠宰標識信息的可靠采集、傳輸與處理等。

　　隨著物聯網的發展，RFID技術面臨著成本問題、識別準確度、作業環境影響、編碼系統全球標準化、隱私權和安全性等方面的挑戰。同時，發展高可靠性的、更為先進的身份識別技術，如DNA生物身份識別技術與物聯網技術的結合等，將會是研究的熱點。

　　2.3 通信技術

　　物聯網中的通信技術根據其作用不同大致可以分為兩類：一類為無線通信技術，即物聯網中短距無線自組織網絡內物與物之間的通信，如無線射頻識別技術 RFID，WSN中常用到的低功耗的近距離無線組網通訊技術ZiBee，此外還有UWB、Wifi、Wimax、Bluetooth、6LoWPAN等技術；一類為從無線通信到傳統電信網絡或互聯網的網絡接入技術，包括GSM、TD-SCDMA等蜂窩網絡，WLAN、WPAN等專用無線網絡，Internet等各種網絡，物聯網的網絡接人是通過網關來完成的。物聯網中的無線通信技術將繼續致力于滿足微型化、低功耗、高可靠性的要求，如低功耗射頻芯片、片上天線、毫米波芯片的研究電將成為熱點。

　　2.4 智能處理技術

　　針對物聯網感知層收集的海量數據，處理層將對這些數據和信息進行分析和處理，云計算的“云端”就在處理層，主要通過數據中心來提供服務對物體實施智能化的控制。云計算是一種新興的計算模式，是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需服務。云計算主要采用數據挖掘、模式識別、搜索引擎、數據分析、人工智能等技術，向物聯網提供大容量、高性能的決策判斷和處理控制等功能。目前，云計算面臨著安全性和標準化的挑戰。由于應用系統部署在公共云上，其中包含大量的用戶敏感信息，所以如何設計不同場景、不同等級的隱私保護技術將是為物聯網安全技術研究的熱點問題。目前云計算并沒有統一標準，不同云之間缺乏互操作性，當用戶從一個云計算環境遷移到另一個環境時面臨巨大的困難。盡快建立開放式云計算標準，才能保證中國云計算產業持續健康的發展。

　　3 小結

　　物聯網是由多項信息技術融合而成的新型技術體系，被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。農業物聯網技術的應用是現代農業發展的需要，也是未來農業發展水平的一個重要標志，它將是未來農業發展的方向。本文根據物聯網體系結構，分析了農業物聯網中的傳感器網絡技術、身份識別技術、通信技術、智能處理技術等關鍵技術，并指出其存在的挑戰及發展方向。農業物聯網的發展必將為現代農業帶來一次全新的改革，提高全球農業產品的數量和質量，提高農民的收入，增強食品安全，實現農業自動化、智能化。

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