物联网农业信息化
物联网农业信息化（精选十篇）
物联网农业信息化 篇1
我国是一个农业大国, 但还算不上一个农业强国, 虽然拥有世界上最多的农业人口, 最大面积的农业设施 (温室) , 但无论从农产品的生产、加工、流通环节还是从产量、品质等方面都与世界先进水平有着不小的差距。造成这种现状的原因很多, 其中科技含量低, 生产技术落后, 管理水平低是最主要的原因。
随着社会的快速发展, 信息技术发展迅猛, 极大地推动了几乎所有领域的发展。这股“信息化浪潮”也肯定会对农业产生革命性的影响, 农业信息化已经成为了提高我国农业生产水平的重要内容和手段。
1 物联网在农业生产中的应用前景
农业生产的主体由“人”和“物”组成, 传统农业生产是以生产者为绝对核心, 农民几乎完全依靠自身的劳动来解决生产环节中的所有问题, 这势必会带来技术水平低, 重复劳动, 生产效率低等问题。进入工业化社会后, 机械化、自动化技术和产品大大降低了农业生产者的劳动强度, 部分解决了“人”与“物”之间的矛盾。进入互联网时代后, 人们所需要了解的信息得到了充分的交流, 农民可以方便地了解许多以前不能了解到的相关信息, 拓展了视野, 促进了“人”与“人”之间的沟通和交流。但“物”与“物”之间, 比如农作物与其生长环境、生产设施之间还无法达成有效的交流, 而物联网技术的出现恰好能解决这一问题。
物联网技术在农业生产中有着非常广泛的应用前景, 比如农作物的实际生长状况 (茎粗, 株高, 叶面积) , 温室生长环境 (温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量) , 农业生产设施 (温室环境调节设备, 灌溉设备, 施肥机) 这些农业生产中物物之间的重要信息如果能相互交流, 互相协调, 很容易形成农作物生长的最佳环境, 使其始终处于最佳生长状态。物联网技术的推广和普及将极大地提高我国农业信息化的水平, 从而推动农业生产和流通领域进入高速发展阶段。
2 目前农业物联网技术发展存在的主要问题
当然, 在我国目前推广农业信息化和物联网技术还存在着许多的问题, 主要有如下几点:一、由于长期以来的粗放式农业生产模式, 所以信息化所需要的缺乏大量农业基础数据;二、缺乏有效的生产指导各培训手段;三、通讯手段落后, 很容易形成“数字鸿沟”和“信息孤岛”, 信息流动困难, 难以共享。四、投资主体单一, 盈利困难;五、科研与实践脱离, 成果转化率低。因此我们在推广农业信息化技术和产品的同时一定要考虑我国具体国情, 不能完全照搬国外的经验。
3 物联网技术在农业信息化中的应用实践
近年来, 我们与中国农业大学, 北京市农科院等单位在农业信息化、物联网等领域进行了较为深入的研究, 并推出了一系列相关的系统和产品。主要有:
3.1 智能温室自动控制系统
位于温室内部的空气温湿度、光照强度、二氧化碳含量, 土壤温度等传感器将温室环境信息采集并传输给温室智能控制器, 控制器将这些数据汇总后上传给位于主控制室内的主控电脑, 主控电脑对所有这些数据进行汇总, 存储, 分析并根据内部的知识库和专家系统进行智能决策, 决策结果转化为具体的控制命令被回传给温室控制器, 并启动相应温室环境调控设备的运行, 比如如果发现温室内的温度不断升高, 已高于温室内农作物生长的最佳温度, 智能控制系统会自动将“开通风窗”命令发送给开窗电机打开温室通风窗以达到降低室内温度的目的, 如果发现这些方法不能将温度降低至合理水平, 系统会“智能”地做出打开“强制通风模式”, 关闭通风窗, 打开强力通风扇并开启湿帘降温系统……。整个系统完全自动运行, 不需人工干预。
3.2 自动灌溉控制系统
分布于整个灌溉区域的数十及到数百个土壤嫡情传感器不断在将土壤中水分的实际含量通过无线的方式传递到汇集结点, 汇集结点将这些数据汇总后通过GPRS无线模块传输到位于管理机构的网上服务器中, 后台服务软件结合农业专家系统、农业基础数据库、地理信息系统对这些数据进行分析, 并实时控制现场各灌溉阀门的开启和关闭。由于灌溉区域内各采集点采用了无线接力传输, 无需布线, 覆盖面积大, 使用起来非常方便, 很适合大田灌溉模式, 具有很好的应用前景。
3.3 病虫害预警及远程诊断系统
在实现网络覆盖的农村的基层生产单位中设立数据采集点, 提供专用设备 (现场数据及图像采集器) 或直接采用智能手机等设备及时将发生病虫害的现象、种类、面积、发生发展趋势以数据、语音、图像等方式上报给设在监管部门信息中心的服务器中, 由植物保护专职工作人员负责管理整个系统的运行, 他们随时监测和分析这些汇总过来的数据, 全面掌握全国各地各种病虫害的发生发展变化状况以便及时采取相应的对策, 抑制大规模灾害的发生。该系统还能以短信、语音、电子邮件、图片等形式对一线的农业生产者提供对病虫害的防治方法和手段, 解决农业生产者遇到的实际问题。
3.4 农业气象监测及自然灾害预警系统
在广大的农村设立小型气象站, 随时采集当地的空气温度、湿度、光照强度、风向风速、降雨量等气象数据, 后台气象服务软件根据这些大量的第一手气候资料建立起农业气候模型并做出分析和预测, 对大风、暴雨、降雪、冻害等有可能对农作物生长造成巨大损失的自然灾害发出早期警报, 并以多种方式方法将这些信息及时发布到农业生产的第一线, 指导农民抵制病虫害的发生和发展, 减少因此造成的损失。
4 结论
随着科技技术的进步, 农业信息化涉及的农业生产领域越来越广, 技术水平越来越高, 许多信息领域的新产品、新技术一经推出不仅在信息产业、工业、交通、电力以及社会生活等领域得到广泛应用, 在农业领域同样能得到重视和发展。从某种意义上来讲, 农业领域比其它领域更需要这些高新科技的技术和产品。这是同我国具体国情分不开的。我国地域广阔, 基础设施落后, 只有最新的无线移动通讯网等最新的网络技术才能有效覆盖生产区域。“三网融合”技术就是最先根据我国农村的实际发展情况提出来并逐步推广到其它领域中的;农业生产过程周期长, 农产品种类多, 气候条件复杂, 模型建立困难, 所以只有采取大规模数据采集、存储、分析的“云计算”技术才有可能实现有效的分析和研究;影响农作物生长因素非常多、环境参数, 自身生长状况等参数必须能及时了解和分析, “物联网”技术正好大有可为。
参考文献
[1]推进物联网产业快速有序发展, 工业和信息化部部长, 苗圩《物联网周刊》
物联网在宜宾农业信息化中的的应用 篇2
摘要:物联网技术是近几年来计算机科学界的热闹研究领域，其应用研究受到当前国家科技发展的重点关注。目前关于物联网的研究已经涵盖多个方面，但是对它在现代农业信息化应用的研究不多，而物联网在农业中对实现智能化系统，最大限度地降低劳动力成本，让传统的劳动密集型农业逐步向现代化集约型农业和信息化农业转变有关重要的作用。本文通过研究物联网技术，并以宜宾市为个案进行研究，并就物联网技术在农业信息化领域中的应用做出一些阐述，以期为物联网技术的应用提供参考。
关键词：物联网；农业信息化；应用 0 引言
物联网（The Internet of things）【1】是2009年计算机科学界热门的话题，也是国家科技发展的重点。物联网技术是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统与激光扫描器等信息传感设备，按照设定的系统，将所有物品与互联网连接起来，进行信息交换与通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、查询与管理的网络系统。其主要包含了3个层次（图1）
具体的说，物联网就是把IT技术充分应用在各行各业之中，把一些感应器嵌入到各种物体中，然后将由这些连接物体组成“物联网”与现有的互联网进行整合【2】。而现代信息的载体有很多：报纸、电视、广播、互联网、手机等，各个载体通道都有其所长，在农业信息化建设的过程中要充分地利用各个载体之间的优势，对其进行相互利用，相互促进。目前宜宾的农业信息的商品化、标准化还没有完全形成，对于农业信息服务机构与农业生产者之间的信息交易还没有达到市场化，宜宾多数农业生产者大多觉得不需要，对生产生活无作用，或者是不会使用等。因此，本文通过宜宾的个案分析，研究物联网技术在现代农业信息化中的应用，为我国经济欠发达地区的农业发展应用现代科技提供依据。
目前物联网在农业和农村信息化领域已经有了初步应用，如传感技术在精准农业的应用、智能化专家管理系统、远程监测和遥感系统、生物信息和诊断系统、食物安全追溯系统等。通过物联网的实时传感采集和历史数据存储，能够摸索出植物生长对温、湿、光、土壤的需求规律，提供精准的科研实验数据；通过智能分析与联动控制功能，能够及时精确地满足植物生长对环境各项指标的要求，达到高幅度增产的目的；通过光照和温度的智能分析与精确干预，能够使植物，特别是名贵花卉的花期完全遵循人工调节。目前，关于农业物联网应用的发展项目有很多，比如：土壤养分、墒情监测，为作物选择和耕种方式提供指导；粮情信息监测，为监管部门科学决策保护粮食安全提供有效数据；农业大棚温室监控、田间自动化管理，通过连续监测土壤湿度数据，实现多点同时滴灌补水；二维码动物溯源，通过食品追溯标签使消费者全面了解产品信息，确保食品安全【3】。宜宾市农业信息化现状及分析
1.1宜宾市农业发展的基础
宜宾市【4】位于四川盆地南缘，四川、云南、贵州三省结合部，金沙江、岷江、长江三江汇流地带。东临泸州市，南接云南昭通市，西界乐山市和凉山彝族自治州，北靠自贡市，地形整体呈西南高、东北低态势。宜宾属中亚热带湿润季风气候,多年平均温度17.5℃，年均降水量1070.4毫米，年均日照时数976.2小时，无霜期270天，夏无酷暑，冬无严寒，气候温和，雨量充沛。因此宜宾市具备很好的发展现代农业的条件。宜宾市按照构建现代农业产业文明理念，推进宜宾农业整体发展、“5+ 1”主导产业发展、优势产业区域性开发战略，目前当地蚕桑、茶叶产业、以五浪液白酒需要的粮食基地发展战略策划已启动。同时，围绕2020年以前宜宾市整体创建国家现代农业示范区目标，启动创建第三批国家现代农业示范区的相关工作。与农业息息相关的宜宾现代农业“5 + 1”产业发展（2013-2015）三年实施方案和8个保障性方案也已编制完成。2013年全市农村产业结构不断调整、优化，特色优势产业不断发展、壮大。特色茶产业继续快速增长，着力打造“宜宾早茶”和“川红工夫”两个区域品牌，成功举办第四届宜宾早茶节和首届川红工夫中秋推介会，茶叶种植面积、总产量实现快速增长，分别达到72.1万亩，3.22万吨，比上年增长13%、19%。茶产业总产值达到67.63亿元，增长43.5%。五浪液酿酒专用粮基地建设高效推进。宜宾县、高县被评为全省现代畜牧重点培育县。竹林产业持续增长。蔬菜、水果、特色水产等均取得新的成绩。
1.2宜宾市农业信息化的现状
近年来，宜宾市把农业信息化建设作为农业工作的重点，建设“市有信息中心、县有服务平台、乡（镇）有信息站、村有作息员”的四级联动式的农业信息服务体系。网络平台模块建设了宜宾市农经网、宜宾农业特色网站平台和一些企业农业网站，全市农业部门和气象部门建成了两个市级和18个县级农业信息平台。与此同时，企业农业网站建设也有了很大的规模，已经建立并开通了一批网站。比如长宁县多数的竹艺产品都有自己的网站，高县的“早白尖”、“川红功夫”茶等茶企业都通过网上销售，产品多数销往广东、北京等地，有力的促进了我市的经济发展。宜宾市农业局与中国电信公司合作，开通“农家乐”电话语音自动热线和农业专家人工服务热线。全市九个县市区建设农业专家服务站，接受农民群众电话咨询。市农办与中国移动公司宜宾分公司合作，建设“农信通”手机农业信息服务平台，充分利用已有的通信平台，通过手机短信、互联网等方式，为农民提供受精技术服务、政策法规、市场需求、价格行情、天气信息等。电视台也不定期开展农业专题讲座和利用“村村通”工程搞好农业电视节目制作等视频信息。实现了政府部门主导、行业协会积极介入、通讯企业主动融入、农民朋友广泛参与的运作模式。物联网技术在宜宾市农业信息化中的应用
当前，以信息技术为主导的一些重要领域即将发生革命性突破，便于互联网正在向下一代升级，物联网和云计算等新技术发展迅猛。【5】其中快速发展的物联网技术在实现农业集约、高产、优质等方面都有极其重要的影响，也将对宜宾农业信息化提供坚实的基础，值得大力推广应用。宜宾的现代农业具有对象多样，地域广阔，偏僻分散，远离都市社区，通信条件落后等特点，因此在多数情况下，农业数据信息的获取非常困难，随着电子技术，无线网络催生了物联网技术的发展，把物联网关键技术应用搭建在一个农业物联网智能化监控系统具有广阔的应用前景。
此外，农业生产过程中，避免不了天气因素的影响，如何做到恶劣天气的预警机制，从而做到提前防范进而减少损失？农业生产过程中，农产品生产者和市场需求之间的信息不对称，容易引发使农产品滞销，或人为的炒作，政府有关部门时候花很大力气去帮助促销或平抑也于事无补，如何规避这一信息不对称问题？农业生产过程中，大都凭经验生产，缺少专家指导，在遇到病虫害，天气因素，土壤生态变化等环境参数改变时如何应对？如何在这个时候引入专家指导？农业生产过程中如何配合国家政策的宏观调控和满足市场需求等？
基于找出解决上述这些问题的根本途径和方法，使这些问题在农业物联网中可以得到完美的解决，由此提出在生态特色种养进行示范应用，积累成功的经验，完善并加以推广。
本项目将以物联网为平台，以云计算为核心，采用模块化的思想，搭建成一个完整的农业物联网系统。系统将基于无线传感器网络技术采集农业生产现场数据，基于RFID标识与编码构建生产—加工—运输—销售全流程溯源管理，基于无线3G网络和以太网等构成广义泛在的物联网，中心数据处理和融合采用先进的云计算平台，以服务下载的方式植入用户手机这一云终端中。【6】
应用案例一：用户登录进入农业物联网信息平台，然后通过手机下载农业专家指导服务组件，首先相关农业生产现场参数上送到云计算中心，中心经过处理后，筛选出相应专家指导数据，在发送到用户手机终端，实现专家远程在线知道。应用案例二：用户登录进入农业物联网信息平台后，可选择安装农业天气预警组件，当用户的农业生产对象数据经过网络传送到云计算中心后，云计算中心自动分析这一农业生产对象的最适宜温湿度条件，最适宜的天气因素，然后设置对应的天气预警阀值，通过对气象部门数据的分析和筛选，自动识别天气，温度等参数，实现自动预警功能。
应用案例三：针对农业生产过程中，农产品生产者和市场的信息不对称问题，在农业物联网系统中可以得到很好的解决，农业物联网平台内，农业生产，加工，运输到销售等环节实现全流程数据共享与透明管理，并将云计算服务平台整合的各地销售点的价格信息融合到产输信息指导服务组件中，可为政府宏观调控提供决策依据，为打击农产品囤积提供精确目标，为消费者提供决策信息。3．结论
物联网技术虽然是一个新型的交叉学科，但是它的4个关键技术RFID、传感器、智能芯片和无线传输网络都是比较成熟的技术，因此将物联网技术应用到农业信息中，在很大程度上将改变传统农业的发展，在现代农业得到迅速发展的同时，物物互联的物联技术在我国农业和农村信息化领域有很好的应有前景。
参考文献：
联接农业物联网 篇3
农业物联网优势突出
物联网技术的特点是通过把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能管理。那么，农业物联网在解决农业问题上的优势在哪里呢？
据了解，农业物联网主要依靠RFID（射频识别）、GPS（全球定位系统）、GIS（地理信息系统）、红外传感器等技术和设备对食品全生命周期的生长环境、运输过程、加工条件等进行全方位信息搜集，并对农产品的生产、运输、加工等环节进行全程监控。利用农业物联网，可以对农业生产过程中种子、化肥、土壤、气温、湿度、光度、化学成分、物理成分、空气组成、pH值、各种养分等进行监测，再结合图像、视频等的采集，有利于全面提升农业的科学生产水平。
例如，借助于物联网技术的发展，美国越来越多的生态农业的经营者们开始采用“精确耕种”技术，利用全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、连续数据采集传感器（CDS）、遥感（RS）、变率处理设备（VRT）和决策支持系统（DSS）等现代高新技术，获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间及时间差异性信息，使每平方米的土地都能够得到最准确的分析，并对其进行最佳耕种。
除提高农业生产效率和节约资源外，保障食品安全也是物联网技术的一项重要功能。长期以来，我国农业自动化水平低，对劳动力的需求量高，食品安全保障机制不完善，生产、运输、加工等环节难以有效监控，亟待通过新技术来提高生产效率和提高信息收集和处理水平。国家农业信息化工程技术研究中心相关负责人说，采用物联网技术，可以监控食品在被消费者食用前所经历的诸多环节，一旦发生安全问题，可以回溯确定是哪一个环节出了问题，因而也就更容易追查到责任人，从这一点上说，食品安全问题将更容易解决。
此外，物联网技术也有助于提高农业科研水平。“农业物联网是一个重要的服务系统，它不仅可以推动农业本身、农机、农艺、农技服务的进步，对于农业科学研究也有促进作用。”河北省农村信息化工程技术研究中心主任崔文顺认为，农业物联网不仅仅是农业监测控制系统，它更是人机结合的桥梁。
构建中国农业信息化的大格局
“农业信息化、农业物联网建设的研究成果将使农民获得可观的经济效益，推进农业发展方式的转变，真正让农民受益。”在2013中国农业网站发展论坛暨农业物联网技术与应用峰会上，农业部信息中心主任李昌建谈到我国农业物联网技术的发展前景时表示。
而为了把农业物联网公共性平台建设好，以此为契机构建中国农业信息化的大格局，国家开始加强农业物联网标准的研究与制定，并开始大力探索正确的商业模式，促进农业物联网技术的可持续发展，以达到共建、共享、互联、互通、协作、协同的目的。
2013年5月，农业部表示，为深入贯彻落实党的十八大精神及《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》要求，要加快推进农业物联网应用发展，促进农业生产方式转变，支撑农业现代化建设，农业部印发了《农业物联网区域试验工程工作方案》。
该工作方案中设立了我国农业物联网初始发展的内容，主要包括：开展农业物联网应用理论研究，探索农业物联网应用主攻方向、重点领域、发展模式及推进路径；开展农业物联网技术研发与系统集成，构建农业物联网应用技术、标准、政策体系；构建农业物联网公共服务平台；建立中央与地方、政府与市场、产学研和多部门协同推进的创新机制和可持续发展的商业模式；适时开展成功经验模式的推广应用。
与此同时，农业部也在2013年启动了农业物联网区域试验工程，组织天津、上海、安徽开展试点试验工作，为全国农业物联网发展积累经验。天津、上海、安徽三省市率先开展试点试验工作。天津是设施农业与水产养殖物联网试验区，上海是农产品质量安全监管试验区，安徽是大田生产物联网试验区。
在天津，农业部、中科院、天津市人民政府在2013年9月就共同推进天津市农业物联网建设签署合作协议。协议明确了由农业部负责农业物联网建设指导，组织专家团队提供技术支撑，及时总结推广天津农业物联网发展经验；中科院负责农业物联网重大技术攻关和全面技术支撑，重点在农业普适化感知、云计算、大数据处理等方面进行关键技术研发、集成及示范，组建专业化团队，开发适合天津本地需求的农业物联网平台。而天津市作为农业物联网区域试验的实施主体，负责已经建成的农业物联网区域试验平台的营运、管理，并以此为依托，组织全市农业物联网发展整体规划设计，组织各项技术研发、试验，为全国农业物联网建设积累经验、示范推广。
在上海，上海市农业委员会和上海市经济和信息化委员会发布了《市农委等关于上海农业物联网发展的实施意见》，拉开了上海农业物联网区域试验大幕。据了解，到“十二五”末，上海将以实施农业物联网示范工程为载体，建设10个农业物联网示范基地、10家农业物联网的应用示范企业、3个市级以上重点实验室或工程技术中心；力争在农业物联网应用核心技术上有突破，在感知、传输、处理、控制、管理和应用等技术领域取得具有自主知识产权的研究成果；扶持和推动物联网技术在农产品电子商务中的应用，农产品电子商务贸易额实现快速增长。
在安徽，由省农委牵头，省农科院和科技厅共同制订了安徽省农业物联网工程建设方案，并由技术攻关组制订了省农业物联网工程总体技术方案、传感器关键技术研究与系统集成工作方案。在具体实施过程中，安徽省农委制订了小麦“四情”（苗情、墒情、病虫情、灾情）监测指挥系统建设方案、农业种子物联网项目方案。安徽省在各示范县都制定了农业物联网发展工作领导小组，普遍提出建设农业物联网综合服务平台或政府决策指挥中心，在有条件的规模化养殖业、特色农业、高效农业和设施农业，选择3～5个产业开展农业物联网应用试点示范。
nlc202309032011
在新疆，物联网技术和新疆移动大通信网结合的新科技已在全疆遍地开花。新疆移动发挥移动通信“实时性、个性化、交互性、广泛性”的优势，积极推进“农业移动物联网”应用，开通温室大棚无线监控、自动化滴灌等多种农村信息化应用，帮助实现精准化的农业生产管理。同时，通过农信通服务、多种资费优惠，为农民提供“用得上、用得起、用得好”的通话和信息服务，帮助农民增收致富。据了解，全疆23个农牧团场、5个地州市的农田实现了田间数据自动采集、全自动滴灌控制。新疆移动物联网技术，正以信息化助力新疆“传统农业”向“现代农业”转变。
企业先导进入
自从物联网被正式列为国家七大战略性新兴产业之一以来，农业物联网由于可以实现农业生产、运输、加工等环节中人与人、人与物、物与物之间的感知和监控而获得了发展的良机。随着国家对农业物联网公共性平台的建设的重视，一大批企业发挥各自优势，积极布局农业物联网领域，携手打造具备专业影响力的交流与分享平台。
其中在农业物联网的基础设施领域，扮演着重要角色的网络供应商正在不遗余力地用网络专线对农业物联网的建设提供支持。
如自安徽省涡阳县被确定为省农业物联网工程首批13个试验示范县后，安徽移动涡阳县公司为农业园区引入2条百兆互联网专线，并提供多媒体箱、综合机柜、光纤收发器、交换机等设施设备。安徽移动设计的移动网络专线和专用数据SIM卡，可实时监控大棚室内温度、湿度和工人作业等实地情况，并实现自动洒水、调温等田间作业。与此同时，移动网络专线还可以时时传递、终端备份留存，使得蔬菜种植从育苗、成长到成熟的各阶段信息和视频资料得到保留。
在农业物联网基础平台建设中，由罗克佳华、中国优农协会、太原、朔州、运城等试点城市正式签订的“中国优质农产品信任系统及智慧电子商务基础（云）平台”已经开始运行。据悉，该平台是罗克佳华与世界500强公司Intel（英特尔）、IBM（国际商业机器）、EMC2（易安信）开展技术、资金合作共建的一项平台，该云数据平台的建立，将成为我国北方地区专业为农业等行业物联网应用服务的云数据中心。
借助于此平台，罗克佳华也将进一步加强农业信息化技术研发与应用，利用物联网技术实现农业生产中的自动化控制、监测、预报等功能。在农产品溯源方面，罗克佳华表示可以通过二维码应用，实现在农产品流通过程中对产地、品种、采摘、存储、加工、运输等各类信息的查询，充分提升监管机构的管理效率，保障食品安全。罗克佳华还计划通过实施全程监管、全程溯源，以远距离通信、动态定位、调度管理等技术结合云计算中心实时数据处理与服务能力，构建智慧电子商务基础（云）平台，促进农产品流通。
在设施农业的研究领域，由物联网结合设施农业的研究正逐渐深入。目前，物联网技术平台与建筑结构、配套系统、新能源与工厂化装备已经成为智慧温室的四大组成之一。据了解，智能化监控、自动化管理温室目前在北京已经建成了示范工程。国家科技部863项目《植物工厂化生产低碳设施与装备的研究》以及北京市科委“十二五”重点课题《盆花生产关键技术和装备的研发示范》由北京市农业机械研究所承担，这两项课题的核心即构建智慧温室的核心组成之一的物联网技术平台。
北京京鹏环球科技股份有限公司相关负责人表示，目前物联网技术已应用到智慧温室生产的不同阶段。在温室准备投入生产阶段，通过在温室里布置各类传感器，可实时分析温室内部环境信息，从而更好地选择适宜种植的品种；在生产阶段，从业人员可用物联网技术采集温室内温度、湿度等多类信息，来实现精细管理，例如遮阳网开闭的时间，可根据温室内温度、光照等信息来传感控制，加温系统启动时间，可根据采集的温度信息来调控等；在产品收获后，还可利用物联网采集的信息，把不同阶段植物的表现和环境因子进行分析，反馈到下一轮的生产中，从而实现更精准的管理，获得更优质的产品。
农业物联网终端用户中，多个地区的电子标签已经应用于生产和流通环节。比如上海市200多家蔬菜标准园的6万多亩蔬菜种植基地内，蔬菜就用了这样的“身份”——每一包蔬菜的采收、施肥、用药、灌溉、农药检测等信息都被记录在电子标签中，消费者只需要扫描包装上的二维码，就能了解到蔬菜生产的所有信息。在内蒙古锡林郭勒盟，每一块牛羊肉都有自己的二维码“身份证”，通过层层追溯，可查到牛羊出生、饲养、病疫、屠宰、加工、物流、销售等各个环节的信息。消费者用手机扫描二维码，即可以看到这块牛羊肉从繁育到上餐桌所有环节的信息。
多利农庄是上海最大的有机蔬菜种植基地，中欧国际工商学院也正在与多利农庄联手打造中国首个农业物联网示范基地。多利农庄庄主张同贵表示，公司正通过生产体系和运输体系的信息化管理，实现全程智能化，使消费者可以通过产品的条形码完全了解其生产、来源和运输等相关信息，同时还可减少农产品的消耗，提高农民的收入。
农业物联网产业发展还需加力
随着我国农业由传统生产模式向信息化、智能化方向的发展，国家高度重视物联网技术在农业领域示范与应用。近两年，通过科技支撑计划、中小企业创新资金、科技型企业周转金等多个项目的支持，我国正在努力开展农业领域物联网关键技术的研发、示范与应用。
但是我国的农业物联网产业是一个弱势产业，无论是自动化、智能化，还是远程控制，相比发达国家都存在很大的差距。目前，我国尚未形成一套符合国情的、合理的、具有针对性和开放性的物联网架构体系。另外，由于我国农业一直处于“做贡献”的地位，农业产业化程度低、农产品流通市场化程度低、农业现代化水平低、农村金融不完善、农业科技普及不完善等众多问题也限制了我国农业物联网的发展。
农业部信息中心主任李昌健表示，我国农业物联网在开发应用以及产业发展中还存在一些问题，比如与国外相比，我国传感器品种不够多，主要集中在对温度、湿度的监测上，对其他环境因子关注较少，尤其对生物本体的感知还很缺少；另外，在政策方面，各方面对农业物联网的投入还远远不够。人们对农业物联网的认知不足；而在如何确定经营主体，找到可持续发展的建设运行模式上，我国目前也没有清晰的答案。
相关业内专家也表示，未来我国农业信息化发展过程中特别需要对农业物联网产业的顶层设计，农业物联网作为信息化的重要组成部分，其作用已经不完全限于农业本身，更体现在拉动整个国民经济、提高整个信息化水平。我国农业部已经认识到农业物联网作为信息化的重要组成部分，其作用已经不完全限于农业本身，更体现在拉动整个国民经济、提高整个信息化水平。所以农业部目前已经提出了农业信息化具有顶层设计意义的四个目标：包括农业生产智能化、经营过程网络化、宏观管理透明化和信息服务便捷化。
而在具体的实施层面，相关专家表示，当前我国应首先发展设施农业和规模化养殖业的农业物联网的应用，其次要结合企业实际发展水平和自身需求，不能贪大求全。未来，我国农业物联网的建设除了开展设施农业基地的物联网应用外，还要强化在农产品加工、包装、物流配送领域进行物联网的建设，以实施对食品追溯信息进行整理、分析、评估、预警，完善农产品安全监管体系。
物联网助力农业信息化发展 篇4
1 物联网农业信息化发展模式
物联网 (Internet of Things, IOT) 是以互联网为依托的新一代信息技术, 也是互联网的延伸和拓展, 它不仅可以实现人在任何时间、任何地点、使用任何网络与任何人与物进行信息交换和互动, 更能使人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活。物联网技术随着信息科技的发展而不断的成熟和完善, 而农业与其他行业一样, 对信息有着同样的需求和依赖。目前, 物联网在现代农业领域中的应用多在监视农业灌溉、土壤空气变更及大面积地表检测, 收集温度、湿度、风力、大气、降雨量等信息, 并进行综合分析, 从而进行科学预测, 帮助农民进行科学种植, 并提高抗灾减灾能力。
借助物联网技术, 济宁市嘉祥县农业部门在统筹城乡农业经济发展中, 坚持“政府主导、市场运作、整合资源、共建共享”的基本原则, 充分整合利用现有资源, 建设了一个全覆盖的农村信息服务体系, 打造一个高承载力的农村信息综合服务平台。同时, 建立了“一条道路, 两个载体, 三个环节”的服务推广模式, 一条道路是指围绕县、乡镇农业支柱产业, 以信息化推动农业产业化发展, 实现农民增收;两个载体是指专业种植合作社和农业龙头企业, 这两个载体都具有农业信息集散地的功能, 可以带基地, 连农户;三个环节是指支柱产业+龙头企业+市场, 实现订单农业, 让农民生产有计划、有目标、有信心, 形成产、供、销一条链的服务模式。这样一来, 物联网技术的应用不仅能调控作物生长环境, 提高其产量和品质, 更能指导农产品的生产与销售, 从而更好更快地推动传统农业像现代农业的转变。在农业生产方面, 济宁市嘉祥县的一些大棚种植户在物联网技术的帮助下, 可以足不出户就能通过手机了解大棚内蔬菜种植的一切信息。在销售方面, 嘉祥县祥丰种业在成立了“嘉祥县祥丰蔬菜专业种植合作社”后, 不断发展壮大, 以日光温室大棚为起点, 联网全县冬暖大棚, 将生产的蔬菜进行整合销售, 以点带面, 拉动嘉祥县蔬菜产业的发展。为把全县蔬菜产业做大做强, 建设了全国先进的蔬菜种植、销售基地, 并联合县农业部门加大了技术和资金投入力度, 与科研院所联合加强了农业 (蔬菜) 种、管、销信息化综合服务平台建设, 建立了蔬菜智能种、管、销系统。该系统通过物联网、移动信息化等技术, 为广大菜农解决在蔬菜生产、种植、购销过程中遇到的技术问题, 把新技术、新成果运用到蔬菜生产、销售各个环节中, 帮助蔬菜种植户科学种植、创新管理、网络销售, 实现种植、管理、销售一条龙信息化服务。这种智能种、管、销系统是基于移动无线网络和传感设备的结合而实现的, 主要包括种植环节指导、销售环节信息化调度两大功能。种植环节指导主要是通过对大棚的种植环境 (温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤含水量等) 的监控, 集成各类蔬菜生长环境需求信息库, 实现对农民从选种到收获全程技术指导。销售环节信息化调度主要是通过销售门户的建设, 将全国各主要城市当日蔬菜价格进行集中发布, 让菜农在充分了解市场行情后有目的地进行售前洽谈;将蔬菜收购与短信发布进行结合, 实现蔬菜客商上门收购, 并开发了蔬菜收购统计、蔬菜存储监控等应用。蔬菜智能种、管、销应用信息服务平台建成后, 既保证了蔬菜的品质, 又为全县菜农提供了种、管、销一条龙服务, 为打造全县安全蔬菜示范基地奠定了坚实的基础, 有效促进了农业增效、农民增收。
2 物联网农业信息化发展限制因素
基于先进的物联网技术, 有效提高了农业信息化水平, 促进了传统农业向现代农业的转变, 并进一步向智能农业迈进, 逐步实现智能农业从概念化到产业化的转变。这种农业发展方式的转变, 可以实现各类农业资源的高效利用和改善环境这一可持续发展目标, 不但可以提高农业现实生产力, 而且可以实现农业的优质、高产、低耗和环保的可持续发展。目前, 农业物联网技术应用总体还处于初步应用阶段, 物联网的发展尚不成熟, 存在关键技术产品及集成体系成熟度较低、农业物联网应用标准规范缺失、有效的运营机制和模式尚未建立、专业人才缺乏等问题。在农业生产中仍有许多方面的因素制约其发展, 主要表现在以下几点:
2.1 农村劳动力科技文化素质低
目前农村青壮劳动力大量流入二三产业, 务农人员年龄老化, 一些新技术、新成果和标准化使用技术难以被生产者接受应用, 不利于先进农业生产技术的推广普及, 传统农业生产方式难以得到根本改变, 一些陈旧落后的观念和意识还在一定程度上支配着人们的思想和行动, 成为影响现代农业发展的最大障碍。
2.2 农业标准化程度不高
传统农业在我国农业发展中的地位根深蒂固, 大多数地方仍然是精耕细作的小农经营模式, 尤其是在一些不发达地区, 想要转变这种传统并不是一朝一夕的事情。这种传统的生产模式, 地块不集中, 生产结构不合理, 产品单一, 质量可控程度低, 难以实现生产标准化管理和产业化经营。
2.3 政策投入不足
由于区位、信息、经济基础等条件差异, 加上农业经营机制、人才机制、融资机制不尽完善, 对资金、技术、人才等生产要素的吸引力不够, 经济增长点匮乏。在有限的经济总量与拮据的财力状况下, 县乡两级政府根本无力拿出更多的资金用于农业, 财政对经济发展的支撑能力不高, 影响了农业发展质和量的提升;由于区位差异, 不少地方在招商引资方面缺乏投资竞争力, 农业招商项目难以落户。
为了实现农业的信息化、现代化发展, 在现有的基础上, 需要进一步做好以下几个方面的工作:强化基础设施, 努力打造农业信息服务大平台;健全网络体系, 发展壮大农业信息服务队伍;建立科学有效的运行机制, 不断强化农业信息服务功能;加大宣传培训力度, 增强全民农业信息化理念;加大政策扶持, 进一步加强农业信息化的组织领导。深入开展农业物联网技术应用示范项目, 加快建设应用示范基地, 探索产业化应用模式, 逐步实现规范化管理、企业化运作、综合化服务、多元化投资、产业化发展。在生产、技术、市场各领域和产前、产中、产后各环节提供全方位的信息服务, 使信息优势转变为经济优势, 进而推动农业农业结构调整, 实现农业增效、农民增收和农村经济的可持续发展。
摘要：物联网技术的应用和普及将大力推进农业信息化的发展, 并在促进农业现代化、农业增效、农民增收等方面发挥积极的作用。
基于物联网的智慧农业系统的设计 篇5
题 目: 基于物联网的智慧农业系统的设计 院(系): 计算机与通信学院 专业年级: 11级物联网1班 姓 名:
郭盛功
学 号: 112801012 指导教师: 马维俊
摘要..................................................................................................................................................3 1 绪论.............................................................................................................................................4
1.1 农业物联网技术.............................................................................................................4
1.1.1 农业物联网产生背景.........................................................................................4 1.2 物联网技术在农业种植环境中的应用.........................................................................5
1.2.1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理.................................................5 1.2.2 物联网技术实现农产品质量安全有效监管.....................................................5 基本原理.....................................................................................................................................6
2.1硬件方面............................................................................................................................6
2.1.1芯片SHT10介绍....................................................................................................6 2.1.2 CC2530介绍..........................................................................................................7 2.2 软件方面.........................................................................................................................9
2.2.1 ZigBee技术..........................................................................................................9 2.2.2 ZigBee特点........................................................................................................11 2.2.3 ZigBee协议栈结构..........................................................................................12 2.2.4 无线传感器网络...............................................................................................15 3 农业物联网种植环境监控系统设计.......................................................................................17 3.1 农业物联网种植环境监控系统关键技术...................................................................17 3.2 农业物联网种植环境监控系统建构...........................................................................17 3.3农业种植监控系统构建..................................................................................................18 3.3.1 系统硬件构建...................................................................................................18 3.3.2 系统软件构建...................................................................................................18 3.3．3 编码...................................................................................................................20 四 总结...........................................................................................................................................22 五 参考文献...................................................................................................................................23 六 致谢信.......................................................................................................................................24
基于物联网的智慧农业系统设计
摘要
智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
基于Zigbee技术的智慧农业解决方案，成本低廉，是一般人都能负担的价格；控制更简单，让每一位刚接触的人都能轻松使用；功耗更低、组网更方便、网络更健壮，给您带来高科技的全新感受。您的温室大棚规模越大，基于Zigbee技术的智慧农业解决方案在使用中，要准确及时地操控所有设备，最值得关注的应该就是网络信号的稳定性。鉴于温室大棚的网络覆盖区域比较广泛，我们贴心为您呈现物联无线组网！智慧农业能有效连接物联Internet通信网关和超出物联Internet通信网关有效控制区域的其它Zigbee网络设备，实现中继组网，扩大覆盖区域，并传输网关的控制命令到相关网络设备，达到预期传输和控制的效果。基于先进的Zigbee技术，物联无线中继器无需接入网线，就可自行中继组网，扩散网络信号，让您的网络灵活顺畅运行，保障您的所有设备正常运行。主要采集温湿度，从而控制农植物的水分和光照。
关键词：Zigbee，CC2530，智慧农业，云计算，物联网绪论
农业是关系着国计民生的基础产业，我国传统农业在向现代农业发展中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量，改善生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。因此，关于农业物联网技术的研究势在必行。物联网是以感知为目的的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。物联网可以很好地应用到诸多领域，农业即是其中之一。
文章在农业物联网的背景下，设计了农业中最为关键的种植环境智能化检测系统，一方面对其中的关键技术种植检测硬件系统和软件系统进行设计，主要包括农业物联网监管系列传感器，无线传感器网络通过模块采集温湿度光照登信息，经由无线收发模块传输数据，通过后台管理实现对环境信息的远程控制，随时进行调整和处理，实现对环境信息的远程控制。另一方面是设计了农业物联网下种植环境监控平台。文章旨在设计出基于物联网技术的农业种植环境监控系统，能够极大地推进高现代农业的自动化、智能化水平，降低资源占有率，提高农产品的生产效率及产品的质量。
1.1 农业物联网技术
1.1.1 农业物联网产生背景
农业信息技术是我国现代农业科技的重要内容，大力推进“信息化与农业现代化融合”是我国现代农业发展方向。“农业物联网”即利用物联网技术，即通过相应的智能传感器设备实时监控农业种植环境，并将各个相应的数据通过数据采集设备，经过无线网络系统传送到信息控制中心，进而对农业种植环境进行调节，智能控制农作物健康生长所需环境如温度、湿度以及光照、土壤温度、含水量，及时灌溉系统。实现农业种植综合生态信息的自动检测，对环境进行自动监控。1.2 物联网技术在农业种植环境中的应用
1.2.1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理
通过在农业种植系统中安装相应的只能控制系统，实现对整农作物种植环境中各个参数的实时监控，及时掌握农作物生长环境的一些参数，并根据参数变化适时调控来掌控农作物最佳的生长环境，将生物信息获取方法应用于无线传感器节点，为温室精准调控提供科学依据。
1.2.2 物联网技术实现农产品质量安全有效监管
农业物联网技术能够通过广泛采用电子标识、条形码、传感器网络、物联网中间件和网络平台技术等关键技术，实现产品从生产、储运、交易信息的透明化和实时监控，从而实现农产品从农田到餐桌的全程可管可控，农产品质量安全有效地监管。基本原理
本实验将使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据，并通过CC2530内部的ADC得到光照传感器的数据。最后将采样到的数据转换然后在LCD上显示。其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC的过程。对光照的采集使用内部的AIN0通道。
2.1硬件方面
2.1.1芯片SHT10介绍
SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。SHT10 引脚特性如下：
1.VDD，GND SHT10 的供电电压为 2.4~5.5V。传感器上电后，要等待 11ms 以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。
2.SCK 用于微处理器与 SHT10 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK 频率。
3.DATA 三态门用于数据的读取。DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态，并仅在 SCK 时钟上升沿有效。数据传输期间，在 SCK 时钟高电平时，DATA 必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中。
向 SHT10 发送命令：
用一组“ 启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当 SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平，紧接着 SCK 变为低电平，随后是在 SCK 时钟高电平时 DATA 翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”，和五个命令位。SHT10 会以下述方）式表示已正确地接收到指令：在第 8 个 SCK 时钟的下降沿之后，将 DATA 拉为低电平（ACK位）。在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后，释放 DATA（恢复高电平）。
测量时序(RH 和 T)：
发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度 RH，‘00000011’表示温度 T）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约 11/55/210ms，分别对应 8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度，最多有±15%变化。SHTxx 通过下拉 DATA 至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发 SCK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输 2 个字节的测量数据和 1 个字节的 CRC 奇偶校验。需要通过下拉 DATA 为低电平，uC以确认每个字节。所有的数据从 MSB 开始，右值有效（例如：对于 12bit 数据，从第 5 个SCK 时钟起算作 MSB； 而对于 8bit 数据，首字节则无意义）。用 CRC 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用 CRC-8 校验，控制器可以在测量值 LSB 后，通过保持确认位 ack 高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHTxx 自动转入休眠模式。通讯复位时序：
如果与 SHTxx 通讯中断，下列信号时序可以复位串口：当 DATA 保持高电平时，触发SCK 时钟 9 次或更多。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。2.1.2 CC2530介绍
CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一个片上系统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530 芯片结合了RF 收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他模块的强大的功能。如今CC2530 主要有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。
CC2530包括了1个高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051控制器，它具有32/64/128 kB可选择的编程闪存和8 kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2μA，在32 k晶体时钟下运行，电流消耗小于1μA。
CC2530芯片使用直接正交上变频发送数据。基带信号的同相分量和正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通滤波，变频到所设定的信道上。当需要发送数据时，先将要发送的数据写入128B的发送缓存中，包头是通过硬件产生的。最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz，后经天线发送出去。CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收发开关，芯片内部已集成了收发开关。
CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电压为2.7v到3.6v。
CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。天线的最大增益为＋3.3dB，天线面积为25.7×7.5mm。该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz～2.480GHz）。
图1.CC2530芯片引脚
CC2530芯片引脚功能
AVDD1 28 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接 AVDD2 27 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接 AVDD3 24 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接 AVDD4 29 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接 AVDD5 21 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接 AVDD6 31 电源（模拟）2-V–3.6-V 模拟电源连接
DCOUPL 40 电源（数字）1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应。DVDD1 39 电源（数字）2-V–3.6-V 数字电源连接 DVDD2 10 电源（数字）2-V–3.6-V 数字电源连接 GND-接地 接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的连接到GND P0_0 19 数字I/O 端口0.0 P0_1 18 数字I/O 端口0.1 P0_2 17 数字I/O 端口0.2 P0_3 16 数字I/O 端口0.3 P0_4 15 数字I/O 端口0.4 P0_5 14 数字I/O 端口0.5 P0_6 13 数字I/O 端口0.6 P0_7 12 数字I/O 端口0.7 P1_0 11 数字I/O 端口1.0-20-mA 驱动能力 P1_1 9 数字I/O 端口1.1-20-mA 驱动能力 P1_2 8 数字I/O 端口1.2 P1_3 7 数字I/O 端口1.3 P1_4 6 数字I/O 端口1.4 P1_5 5 数字I/O 端口1.5 P1_6 38 数字I/O 端口1.6 P1_7 37 数字I/O 端口1.7 P2_0 36 数字I/O 端口2.0 P2_1 35 数字I/O 端口2.1 P2_2 34 数字I/O 端口2.2 P2_3 33 数字I/O 模拟端口2.3/32.768 kHz XOSC P2_4 32 数字I/O 模拟端口2.4/32.768 kHz XOSC RBIAS 30 模拟I/O 参考电流的外部精密偏置电阻 RESET_N 20 数字输入 复位，活动到低电平RF_N 26 RF I/O RX 期间负RF 输入信号到LNA RF_P 25 RF I/O RX 期间正RF 输入信号到LNA XOSC_Q1 22 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚1或外部时钟输入 XOSC_Q2 23 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚2 2.2 软件方面
2.2.1 ZigBee技术
蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，统称为ZigBee。
简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。
ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。
根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（indus-trial，scientific and medical，ISM）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250Kb／s；另外两个频段为915／868MHz，其相应的信道个数分别为10个和1个，传输速率分别为40Kb／s和ZOKb／s，868MHz和 915MHz无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控（BPSK）调制技术。2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控（O－QPSK）。
在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16b短地址或者64b长地址，可容纳的最大设各个数分别为216和264个，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。
ZigBee设备为低功耗设各，其发射输出为 0～3.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设各可以自动调整设各的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设各能量。
为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
2.2.2 ZigBee特点
ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设各使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：
（1）数据传输速率低
只有10～250Kb／s，专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。
（2）功耗低
工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。设各搜索时延一般为 30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee设各非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间＋休眠时间）之比小于t％的情况，电池的寿命甚至可以超过1年。（3）数据传输可靠
ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA－CA碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竟争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。（4）网络容量大
ZigBee的低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。
（5）自动动态组网、自主路由
无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加人新的传感器节点。（6）兼容性
ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。
（7）安全性
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接人控制清单（ACL）来防止非法器仵获取数据。
在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。
（8）实现成本低
模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。2.2.3 ZigBee协议栈结构
ZigBee技术的协议栈结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层。
在ZigBee技术中，PHY层和 MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，其中，PHY层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。
PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量监测，链路质量，信道选择，清除信道评估，以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。同样，MAC层也提供了两种类型的服务：通过MAC层管理实体服务接人点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元。
MAC层的具体特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。除此以外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。
ZigBee技术的网络／安全层主要用于ZigBee的WPAN的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发应用。
图2 ZigBee协议栈结构图
1.物理层
物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。
2.媒体访问控制层
媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持ZigBee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。
3.网络层
网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳(one—hop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址等。并且，网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。
网络层要求能够很好地完成在IEEE 802．15．4标准中MAC子层所定义的功能，同时，又要为应用层提供适当的服务接口。为了与应用层进行更好的通信，网络层中定义了两种服务实体来实现必要的功能。这两个服务实体是数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。网络层的NLDE通过数据服务实体服务访问点(NLDE—SAP)来提供数据传输服务，NLME通过管理服务实体服务访问点(NLME—SAP)来提供管理服务。NLME可以利用NLDE来激活它的管理工作，它还具有对网络层信息数据库(NIB)进行维护的功能。在这个图中直观地给出了网络层所提供的实体和服务接口等。
NLDE提供的数据服务允许在处于同一应用网络中的两个或多个设备之间传输应用协议数据单元(APDU)。NLDE提供的服务有：产生网络协议数据单元(NPDU)和选择通信路由。选择通信路由，在通信中，NLDE要发送一个NPDU到一个合适的设备，这个设备可能是通信的终点也可能只是通信链路中的一个点。NLME需提供一个管理服务以允许一个应用来与协议栈操作进行交互。NLME需要提供以下服务：①配置一个新的设备(configuring a new device)。具有充分配置所需操作栈的能力。配置选项包括：ZigBee协调器的开始操作，加入一个现有的网络等。
4.应用层
应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。应用支持子层维护了一个绑定表，可以定义、增加或移除组信息；完成64位长地址（IEEE地址）与16位短地址（网络地址）一对一映射；实现传输数据的分割与重组；应用支持子层连接网络层和应用层，是它们之间的接口。这个接口由两个服务实体提供：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。APS数据实体为网络中的节点提供数据传输服务，它会拆分和重组大于最大荷载量的数据包。APS管理实体提供安全服务，节点绑定，建立和移除组地址，负责64位IEEE地址与16位网络地址的地址映射[4]。
ZigBee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。用户在开发ZigBee产品时，需要在ZigBee协议栈的AF上附加应用端点，调用ZDO功能以发现网络上的其他设备和服务，管理绑定、安全和其他网络设置。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个ZigBee节点上，其端点编号固定为0。
AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。2.2.4 无线传感器网络
WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力。然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在1970年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案。而现在，大多数传感器网络只连接了不到100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外一个原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。不过这些问题并不是不可逾越的，一些无线传感器网络的产品已经上市，并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
农业物联网种植环境监控系统设计
3.1 农业物联网种植环境监控系统关键技术
物联网技术应用在农业种植环境监控系统控制中，关键技术为一下两部分：意识感知层的进行无线数据感知与采集，而是通过网络传输层远程智能化控制对采集到的数据通过计算机分析，控制农作物生长所需的空气、温度、水分等，进而实现精准农业。
3.2 农业物联网种植环境监控系统建构
基于物联网技术的农业种植环境监控系统如
图3 基于物联网技术的农业种植环境监控系统框图
基于物联网技术的农业种植监控系统核心包括以下几部分：
感知层：数据感知与采集，实现种植环境中的土壤湿度、空气温度湿度、光照及自动灌溉系统的实时感知的试纸传送到ZigBee协调器节点上；
应用层：该系统负责对采集的数据进行存储、信息处理和控制指令的下达，为用户提供分析 决策依据，用户可随时随地提供电脑灯终端进行查询。3.3农业种植监控系统构建
3.3.1 系统硬件构建
1）无线节点模块：ZigBee是基于IEEE802.11.4协议的一簇展集，主要针对于低成本、低功耗的射频应用一部分是网关协调器及传感节点； 2）传感及控制模块：温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器； 3）电源板：提供无线节点模块和传感控制模块连接，同时为系统供电。农业种植环境监控系统硬件构建如图2所示。
图4 农业种植环境监控系统硬件构建
在以上设计的硬件系统中，以MCU为控制中心，电池模块对系统供电和连接，传感及控制模块对种植环境进行实施检测采集数据，通过ZigBee无线网络进行数据和信息并比对标准生长环境参数，各个硬件模块经由无线收发模块传输数据，实现对环境信息的远程控制。3.3.2 系统软件构建
系统的软件设计工作主要有：传感器节点程序设计如3所示，ZigBee协议栈程序设计如图4所示。
图5 传感器节点程序设计
图6 网络协调器软件流程图
3.3．3 编码
void main(){ int wendu;int shidu;char s[16];UINT8 adc0_value[2];float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);// 设置系统时钟源为 32MHz 晶体振荡器
GUI_Init();// GUI 初始化
GUI_SetColor(1,0);// 显示色为亮点，背景色为暗点
GUI_PutString5_7(25,6,“OURS-CC2530”);//显示 OURS-CC2530 GUI_PutString5_7(10,22,“Temp:”);GUI_PutString5_7(10,35,“Humi:”);GUI_PutString5_7(10,48,“Light:”);LCM_Refresh();while(1){ th_read(&tem,&hum);//从采集模块读取温度和湿度的数据
sprintf(s,(char*)“%d%d C”,((INT16)((int)tempera / 10)),((INT16)((int)tempera % 10)));//将采集的温度结果转换为字符串格式
GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s);//显示采集的温湿度的结果
LCM_Refresh();sprintf(s,(char*)“%d%d %%”,((INT16)((int)humidity / 10)),((INT16)((int)humidity % 10)));//将采集的湿度结果转换为字符串的格式
GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s);//显示采集结果 LCM_Refresh();
四 总结
本次为期两周的课程设计中，主要目的是设计一个基于物联网的农业种植环境温湿度数据采集系统。该系统是一个采用CC2530无线单片机进行温湿度的数据采集，并且结合Zigbee协议架构进行编程的设计，主要是基于CC2530的温湿度数据采集系统模块的设计，并在IAR集成环境开发环境中进行基于Zigbee架构的编程，节点模块的调试，最后，实现无线传感网络的构建。在基于Zigbee无线传感器节点模块上，可以实现数据的实时采集，处理以及传输等功能。
本设计可以实现在谷仓内的温湿度检测，工厂厂房内不同区域的温湿度控制以及大面积的温室培养等功能。
本次课程设计的完成，让我结道，在以后的工作中，还可以继续从以下几个方面着手，进行研究和改进：
1、减少节点的能量消耗。在无线传感网络中某个节点失效，不会导致整个网络瘫痪，减少节点的能量消耗是不可避免要面对的问题之一。
2、减少路由发现过程中的开销。这其实也是减少节点的能量消耗的一种措施，尽量减少在路由发现过程中所损失的能量。
3、路由选择。路由优化选择可以尽量避免不必要的路由请求的广播以及信息传输，做到这一点不仅可以提高效率，也可以在减少能量消耗方面做出贡献。
五 参考文献
[1] 孙利民 《无线传感器网络》.清华大学出版社.2005.[2] 张拓.无线多点温度采集系统的设计.武汉：武汉理工大学，2009.[3] 陈旭.基于zigbee的可移动温度采集系统.武汉：武汉科技大学，2009 [3] 雷纯 《基于ZigBee 的多点温度采集系统设计与实现》.自动化技术与应用.2010，29（2）43～47.[5] 王翠茹 《基于ZigBee技术的温度采集传输系统》.仪表技术与传感器.2008.No.7.103～105.[6] 景军锋《基于ZigBee 技术的无线温度采集系统》.微型机与应用.2009.No.23.33～35.[7] 《Zigbee协议栈中文说明》.[8] 《IAR使用指南》.周立功单片机有限公司.[9] 《Zigbee技术实用手册》.西安达泰电子.[10] 《IAR 安装与使用》.成都无线龙通讯科技有限公司.六 致谢信
这次课程设计，给我留下了很深的印象。虽然只是短暂的两周，但在这期间，却让我受益匪浅。
通过这次课程设计，使我物联网应用系统有了全面的认识，对课本的知识又有了深刻的理解，在之前物联网应用系统的学习以及完成课后的作业的过程中，对其有了一些基础的了解和认识。本次经过两周的课程设计，让我对物联网应用系统有了更深的理解，我把课上的理论知识运用到实际中去，让我更近一步地巩固了课堂上所学的理论知识，并能很好地理解与掌握物联网应用系统中的基本概念、基本原理、基本分析方法。
总的来说，通过这次课程设计使我了解了物联网应用系统的设计原理，设计步骤等方面有了了解。提高了分析和实践能力。同时我相信，进一步加强对物联网应用系统的学习与研究对我今后的学习将会起到很大的帮助！
农业物联网可靠性研究 篇6
关键词： 农业物联网；可靠性；标准；模型
中图分类号： TP311；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0009-04
物联网（internet of things，IoT）自提出以来，在各个领域的应用越来越多，其中，在农业领域的应用是其应用的重要领域之一，并逐渐形成了农业物联网。农业物联网（agricultural internet of things，Ag-IoT）是指运用各类农业信息感知设备，按照约定协议，广泛采集农业生产现场信息，通过有线或无线信息传输通道进行农业信息的可靠传输，将获取的农业信息进行处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标[1-3]。
农业物联网架构模型如图1所示，包括感知层、传输层（网络层）、处理与应用层等3个层次。其中，感知层由各类传感器、RFID等组成，实现对各类农业相关信息的识别和采集；网络层将感知层采集的各类农业相关信息，通过有线或无线方式，传输到应用层，同时，将应用层的控制命令传输到感知层，使感知层的相关设备采取相应动作；处理与应用层包括公共处理平台层和各类具体应用服务系统层，公共处理平台包括各类中间件及公共核心处理技术，如智能决策、诊断推理、预警等核心功能，而具体应用服务系统是基于物联网架构的农业生产过程架构模型的最高层，主要包括各类具体的农业生产过程系统，通过这些系统的具体应用，实现对农业生产过程的管理控制；公共技术是整个基于物联网架构的农业生产过程系统运行的基础和保障，如信息安全、网络管理、质量管理等；相关标准与规范是实现农业物联网技术应用的关键，目前国际上制定的标准规范主要是面向信息领域的，专门面向农业物联网的技术标准规范还较少，我国于2011年成立了农业物联网行业应用标准工作组及国家传感器网络标准农业应用研究项目组（WGSN-HPG3），专门研究农业物联网标准
规范[2-3]。
随着农业物联网的规模越来越大，越来越复杂，人们对其可靠性提出了越来越高的要求。农业物联网可靠性是指农业物联网在一个规定的工作环境下和规定的时间周期内，对用户服务要求持续满足的能力，即能有效应对规定范围内的各类事件，维持自身的稳定，实现农业信息的可靠感知、可靠传输、可靠使用。
由于农业物联网包括农业物联网硬件系统和农业物联网软件系统，所以，农业物联网可靠性包括农业物联网硬件系统可靠性和农业物联网软件系统可靠性。结合图1所示的农业物联网架构模型，我们提出了农业物联网可靠性构成模型。农业物联网可靠性构成模型包括感知層可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、业务可靠性、可靠性标准及可靠性管理等6部分可靠性内容，如图2所示。
论文基于图2所示的农业物联网可靠性构成模型，分别对感知层可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、可靠性标准及可靠性管理等部分进行了阐述，并对农业物联网的硬件可靠性和软件可靠性评估进行研究。
1 感知层可靠性
在农业物联网中，各类传感器和RFID是感知层上获取
信息的主要手段。由于农业物联网所处的环境不同，如水产物联网中的各类传感器和RFID长期处于水环境中用于感知水温、含氧量、水浑浊度等，温室大棚物联网中的各类传感器和RFID长期处于潮湿的环境中用于感知温度、湿度、日照时长、二氧化碳浓度等，畜禽养殖物联网中的传感器和RFID长期处于被动物携带震动或碰撞的环境中用于感知动物的体温、进食量等，这些不同的使用环境，对农业物联网感知层上的各类传感器和RFID提出了更高的可靠性要求。目前国内外对农业物联网传感器和RFID可靠性的研究，一是确保硬件不容易损坏，二是在硬件正常工作条件下，传感器和RFID能可靠地工作。对于硬件质量问题，更多的解决办法是采用良好的原材料和制作工艺，同时，在保证硬件正常工作前提下对其增加外包装，使其不容易腐蚀和损坏，提高其使用寿命。对于传感器和RFID可靠性工作方面，国内外研究较多。Yoon、Kim、Ahmad等提出了传感器和RFID节点的随机部署、确定性部署、网格部署等方法；田立勤等提出了1种基于均匀分簇的可扩展的模块化传感器节点部署方法[4]；杜秀娟等基于数字喷泉码进行了水下传感器网络可靠性研究[5]；谭杰等提出了1种RFID多标签碰撞检测方法，并进行了电路实现和测试验证[6]；左开中等提出了1种可靠的无线射频识别群组标签认证协议[7]。
2 网络层可靠性
农业物联网网络是基于互联网、电信网等搭建的网络，目前采用有线信息传输和无线信息传输2种传输方式。农业物联网网络除了具有其他领域网络的特征之外，还具有自身领域的特征，如感知层节点众多且类型不同、多对一通信模式、网络环境复杂、通信节点的移动性（如畜禽养殖物联网）、多种通信技术融合（ZigBee技术、GPRS、Wi-Fi网络、蓝牙技术等）等。国外从事网络可靠性研究的主要有美国弗吉尼亚大学计算机学院、英国利兹大学交通研究所等，主要在吞吐量、网络拥塞、网络延时等方面进行研究，并进行网络可靠性的测试[8]。国内除了对传统网络的可靠性研究之外，对农业物联网网络的可靠性研究也逐渐开始，并取得了一定的成果。这些研究充分考虑到了农业领域的特点，如墙体厚度及材料对网络性能和可靠性的影响，大田作物高度、地形、田间遮挡物对网络通信和可靠性的影响，果园中的树冠形状及天线的高度对网络信号和网络可靠性的影响等[3]。李道亮等针对水产养殖、大田种植等不同环境，研究采用不同频段无线传感器网络以提高网络性能和可靠性[9]；郭秀明等建立了1个以果树的生育期、传播距离、天线高度等为参数的信号传输模型，以提高网络性能和可靠性[10]。聂鹏程等研究了1种主动诱导式组网方法，解决农业物联网节点损坏或因植物生长、环境变化导致网络的局部瘫痪甚至大面积瘫痪，以此提高网络可靠性[11]。
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3 处理与应用层可靠性
3.1 公共处理平台可靠性
公共处理平台包括各类中间件及公共核心处理技术，如智能决策、诊断推理、预警、数据处理、过程调用、容错等核心功能。公共处理平台中的各类中间件能否可靠地接收网络层传输的数据，并可靠地将处理后的数据传递到应用服务系统，是至关重要的。目前，各类中间件产品已比较成熟，并在许多网络系统中都有比较成功的应用。在众多的中间件产品中，RFID中间件值得关注。
随着农业物联网的发展，越来越多的RFID标签及读写器被使用。之前，多数农业物联网应用服务系统直接与前端的RFID连接，为了避免因前端的RFID读写器的种类发生变化而重新编写和调试程序，国内外提出了RFID中间件。RFID中间件是RFID读写器与应用程序之间沟通的桥梁，RFID中间件读取RFID读写器中获取的数据，进行数据整合和过滤，并把处理后有用的数据提交给应用服务系统，供其使用。这样不仅提高了开发效率，而且也降低了维护成本[12-13]。IBM、Oracle、Sun等软件公司都推出了各自的RFID中间件产品，一些国际标准化组织机构还推出了RFID相关标准和规范，EPCglobal提出了EPC网络架构模型，并为每个层次制定了协议和规范，以此保证RFID中间件服务的规范性和可靠性。RFID中间件的可靠性主要包括及时可靠地对RFID设备的发现/配置/监视/控制、对数据的可靠处理、满足不同用户的需求等3方面内容。为此，SUN RFID中间件通过将中间件划分为RFID事件管理、RFID配置管理、RFID管理控制台、RFID信息服务等4个部分，来提高其RFID中间件的性能和可靠性；Oracle/BEA RFID中间件通过设计合理的系统架构来提高其可靠性。陈旭辉等人提出了1种改进的基于RFID中间件的冗余数据清洗算法[13]；姜建国等提出了1种基于有限状态机的RFID流數据过滤与清理技术[14]。
3.2 应用服务系统可靠性
应用服务系统是基于物联网架构的最高层，主要包括各类具体的农业生产过程软件系统。目前，各类农业物联网应用服务系统在国内外许多地方都有成功的应用。国外较早将物联网应用到农业领域，并开发了许多成功的应用服务系统，以欧美为代表的发达国家，利用“5S”技术[地理信息系统（geographical information system，GIS）、遥感（remote sensing，RS）、全球定位系统（global positions system，GPS）、专家系统（expert system，ES）和决策支持系统（decisions support system，DSS）]对农作物生产进行精细化管理和调控，并对农产品流通进行产品标志、物流分销配送和零售端销售进行管理。国内近几年成功的应用也较多，中国农业大学李道亮教授主持完成了水产养殖环境智能监控系统，中国海洋大学研制了海洋生态环境监控系统，北京市大兴区开始示范推广精准农业系统并应用到温室环境参数的监控上。
在通用应用服务软件系统可靠性方面，IEEE将软件可靠性度量标准分为下一次失效时间、风险因素回归模型、剩余的缺陷数量、减少到特定缺陷数量的总测试时间、网络的可靠度、缺陷密度、测试覆盖率、需求依从性、失效率、故障密度、需求追踪性、平均失效时间。罗元剑等、耿技等从软件可靠性解析模型和软件可靠性启发模型2个方面进行研究，期中，软件可靠性解析模型包括指数模型、对数模型、数据域模型、Littlewood-Verrall模型、Markov链模型、随机Petri模型等，软件可靠性启发模型包括基于神经网络和基于遗传编码的软件可靠性模型2种[14-15]，通过这些不同的软件可靠性模型，对软件系统进行可靠性评估。
软件可靠性研究主要包括软件可靠性分析、可靠性设计、可靠性度量和可靠性测试等。国外的马里兰大学、纽卡斯尔大学等在软件可靠性方面做了许多研究。国内的清华大学、北京航空航天大学等单位研发了可靠性分析、设计技术及软件可靠性测试工具，并在一些软件项目中得到应用。刘东艳等人研发了软件可靠性仿真测试平台，该平台能够模拟被测软件系统的真实运行环境，不但能够检测目标软件运行过程中存在的故障，而且测试结果的真实性和可信度也有一定保证[8]。
针对物联网系统可靠性测评，中科院软件所研发了传感测试系统，工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心进行了物联网系统安全可靠性研究，中国软件测评中心发布了物联网系统设计咨询及系统测评，给出了物联网可靠性的核心指标，包括故障率、生存性、鲁棒性、可恢复性、抗毁性，并对物联网系统可靠性级别进行了划分。李维等研制了由检测指标、条件指标和判定指标3部分组成的物联网可靠性测评指标体系[8]。许海洋等提出了在软件设计阶段，采用MARTE建立软件的系统模型，对智能灌溉系统中嵌入式软件的可靠性进行验证[16]。
4 综合可靠性
研究人员一般把硬件可靠性、网络可靠性以及软件可靠性这三者作为独立的组成部分，分别进行研究。然而，农业物联网是包括硬件、网络和各类软件的一个完整的系统，其可靠性不仅包括硬件可靠性、网络可靠性及软件可靠性，而且还包括三者之间的相互作用及其相互影响。所以，农业物联网综合可靠性研究，需要将硬件、网络和各类软件作为一个整体进行研究。James等从网络技术的角度，分析了无线通信链路层、传输层和路由、应用层、系统结构层等物联网的可靠性；Atzori等采用多视角物联网分析方法，从系统角度研究物联网系统和技术的可靠程度[8，17]。
国外目前对物联网测试研究较多，并研发了相关的测试工具。已有的相关工具可以分为硬件可靠性测试工具、网络系统可靠性测试工具以及软件可靠性测试工具。针对物联网网络系统可靠性测试的方案有Crossbow公司的MoteWorks、美国加州大学的SCALE、哈佛大学的MoteLob、美国俄亥俄州立大学的Kansei等，主要测试网络系统的吞吐量、丢包率，而且一般需要对系统的硬件或软件进行修改方可完成测试。
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如上所述，由于农业物联网是硬件、网络和软件的综合体，在此，我们设计了1种农业物联网综合可靠性评估模型，将农业物联网看作是一个层次系统，首先评估每一个层次的可靠度（如硬件层可靠度是硬件1可靠性、硬件2可靠性、…、硬件n可靠性的综合，网络层、处理层、应用层可靠度以此类推），然后根据每个层次在系统中的重要程度及对系统可靠性影响程度赋予每层不同的可靠性权值来确定各个层次对整体系统的可靠性影响，从而评估出农业物联网的综合可靠性。综合可靠性评估结构如图3所示。
假设1：农业物联网的硬件层（感知设备）、网络层、处理层、应用层是串联的，如图4所示，各个层发生故障的概率是互相独立的，且任一层次发生故障都将直接影响到农业物联网的可靠运行，且各个层次被执行的概率是相同的。
假设2：农业物联网的硬件层（感知设备）、网络层、处理层、应用层是并联的，如图5所示，各个层发生故障的概率是互相影响的，且任一层次发生故障不会直接影响到农业物联网的可靠运行，只有当所有层均发生故障，农业物联网才会终止运行。
假设3：农业物联网的硬件层（感知设备）、网络层、处理层、应用层既不是简单的串联，也不是简单的并联，而是串联和并联共同存在的复杂网络。
对于农业物联网串联结构，假设每个层次的可靠度为 Ri（i=1，2，3，4），则农业物联网的综合可靠度为R=∏4 i=1Ri。
对于农业物联网并联结构，假设每个层次的可靠度为 Ri（i=1，2，3，4），每个层次的权重因子为ωi（i=1，2，3，4），则农业物联网的综合可靠度为R=∏4 i=1ωiRi。
对于农业物联网串联和并联共存的结构，农业物联网的综合可靠度为R=∏m i=1∑n j=1ωjRj（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；且n≤4，m≤4）。
对于每层内部的可靠度的计算，也可以按照串联、并联、串联并联共存这3种情况分别讨论计算。
5 可靠性標准及可靠性管理
标准是实现物联网技术应用的关键。然而自农业物联网出现以来，国内外专家学者逐渐认识到，农业上信息化的标准很少。2009年以来，物联网标准化已经成为国际标准化组织工作的热点，国外的ISO/IEC、ITU、ETSI、IEEE、ZigBee等组织机构都在积极参与制定物联网及相关技术标准，并发布了部分相关标准。我国物联网标准化工作起步较晚，近几年，我国相继成立了传感器网络标准工作组、电子标签标准工作组、中国通信标准化协会（CCSA）泛在网技术工作委员会（TC10）、中国物联网标准联合工作组等，制定符合我国实际的框架体系及国家标准[18]。
针对RFID标准，国际上比较成熟的有ISO/IEC、EPCglobal标准，在感知设备的接口方面有IEEE1451 标准，在传输网络方面有ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi 和IEEE802 通信网络标准等。目前，专门面向农业领域的物联网技术标准还较少，为推进农业物联网应用，国内成立了农业物联网行业应用标准工作组和国家传感器网络标准农业应用研究项目组（WGSN-HPG3），以期基于国家物联网框架体系及国家标准体系，结合农业特点，制定我国农业领域的框架体系及国家标准。
根据图1所示的农业物联网架构模型，结合《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》，农业物联网分为感知层、网络层、处理层和应用层。所以，不仅在这4层的每一层制定标准规范，而且还要制定一个总体标准规范。根据我国实际，将农业划分为5个主要领域，即大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域，并分别制定大田种植物联网标准体系、设施园艺物联网标准体系、畜禽养殖物联网标准体系、水产养殖物联网标准体系、农产品物流物联网标准体系等。结合农业生产情况，以农业产前、产中、产后整个农业产业链为主线，农业物联网标准体系框架相关要素如图6所示。除此之外，杨林等还对农业物联网基础通用标准、技术标准、农业物联网标准等进行了简要的分析说明[18]。
以上所述均为农业物联网硬件标准、技术标准、建设及使用标准，基本没有涉及可靠性标准，农业物联网可靠性标准基本空白。然而，只有通过可靠性标准才能在农业物联网可靠性的评价、考核、确认等方面更加具有科学性、完整性和严谨性，保证农业物联网正常和可靠地运行。结合图2和图6，我们认为，农业物联网可靠性标准应该包括感知层可靠性标准、传输层可靠性标准、处理层可靠性标准、应用层可靠性标准和综合可靠性标准，并分别制定大田种植物联网、设施园艺物联网、畜禽养殖物联网、水产养殖物联网、农产品物流物联网等可靠性标准，以此指导农业物联网的建设，保证农业物联网的可靠运行。
根据系统的思想，一个完整系统的正常可靠运行，应该是包含“三分技术，七分管理”。农业物联网的可靠运行应该也是遵循这样的规律，即农业物联网的可靠运行，除了包含必要的技术支持之外，更多的是结合可靠管理的思想、手段和方法，对农业物联网的运行进行可靠性管理。鉴于目前农业物联网本身还处于发展的初期及示范阶段，还没有形成完整的国际及国家标准规范，所以农业物联网的可靠性管理研究基本处于空白时期，但纵观其他领域可靠性管理的发展及现状，我们预计，农业物联网的可靠性管理总体上应该围绕可靠性管理技术指标、可靠性管理方法、可靠性管理考核指标、可靠性管理经济指标、可靠性管理责任分工及激励机制、提高管理人员的专业素质、开发相应的管理软件等展开研究。
6 总结
农业物联网的研究及应用引起了全世界的重视。在对农业物联网深入研究的过程中，人们越来越重视农业物联网可靠性方面的研究，即研究农业物联网能有效应对规定范围内的各类事件，维持自身的稳定，实现农业的信息可靠感知、可靠传输、可靠使用。本文首先提出了农业物联网可靠性构成模型，包括感知层可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、业务可靠性、可靠性标准及可靠性管理等6部分可靠性内容，然后分别对其中的感知层、网络层、处理与应用层（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、可靠性标准及可靠性管理等部分进行了阐述，并设计了1种综合可靠性评估方法，该方法综合考虑了农业物联网结构的并联、串联、并联和串联共存等情况。
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农业物联网可靠性方面的研究已经引起人们的重视，不过，农业物联网可靠性研究目前基本处于起步阶段，许多内容还没有开始进行研究，如农业物联网的前期可靠性分析、可靠性设计、可靠性评估和度量、可靠性维护及管理等。相信随着研究者们的关注，农业物联网可靠性的相关方法、技术、标准及规范会逐渐成熟，并能指导农业物联网健康、可靠发展。
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物联网农业信息化 篇7
1物联网技术
物联网技术利用全球定位系统、激光扫描技术、红外感应器、射频识别等设备, 根据系统的要求, 将互联网技术和物品有效结合到一起, 通过数据的通讯和交换, 进行智能的识别、追踪、查询、定位、管理。
2农业信息化建设应用
由于社会的发展, 高科技网络技术的应用, 信息传播应用的载体持续增多, 包括网络、广播、手机、电视等, 不同的载体具有独特的优势。农业信息化建设工作中合理利用不用资源的优势, 通过有效的结合, 提升综合管理水平。将物联网技术应用到信息化建设中, 需要考虑不同的方面详细分析。
2.1农业节水灌溉
农业生产中对于物联网技术应用效果比较明显的为节水灌溉方面。国内的水资源分布明显不均匀, 在总体上逐步呈现匮乏状态。农业的发展离不开水资源的应用, 技术工作者需要利用时代下最先进的技术手段研究出更加合理的灌溉方式, 节约有限水资源的应用, 同时满足农业灌溉的基本应用标准。物联网技术的发展应用, 实现农业灌溉的自动化, 通过系统有效的控制操作全程。整个控制系统基本含有四个环节, 第一环节为信息资源的收集整理, 工作人员对于作业区域的水资源总体情况有所了解, 第二环节为分析加工, 利用技术系统对于手机到的信息有效分析处理, 部分无作用的信息综合解决, 有效资源高效整合;第三为实践指导, 综合后的有效信息为灌溉的实际应用提供数据支持, 确定出具体的灌溉方法和灌溉量。最后为信息回馈, 物联网系统对于灌溉后实际的生长效果进行有效反映, 使用人员在数据系统中直接接收信息。系统制定出具体的用水计划, 对于灌溉的进度有效保存, 将灌溉信息直接反馈给使用者, 系统内部包括水泵、电气控制柜、集中控制室、总控室, 在资源投入、经济投入、人力投入方面实现科学化管理, 具有较高的实用性价值。
2.2提供信息资源
农业生产人员对于和农业相关的信息非常关心, 例如最新的粮油价格、化肥资源信息、种子问题等, 结合各方面农业生产人员需要的信息, 建立完整全面的、最新的信息资源系统, 让需求者根据自身需要进行查询, 为农业发展提供优质的资源信息。
2.3安全管理
随着社会中各种食品安全质量问题频发, 人们对于食品的质量重视程度越来越高, 消费者对于农业产品的质量要求提升, 国家相关的政府部分对于食品的安全质量监督管理力度增大, 农业生产面向科学化和规范化的方向发展。物联网技术的应用提高监管水平, 使用RFID技术对于整个农业生产过程, 最终的销售环节进行全面的有效控制管理。国内从2009年开始将该技术应用在猪肉生产行业中, 通过电子身份管理, 对于猪的饲养、防疫、加工、最后的销售、流通等所有环节进行有效的管控, 保证猪肉产品的质量, 该技术未来将应用到其他领域, 提供便捷化的服务。
2.4质量安全追溯
物联网技术应用在质量安全管理中起到重要的作用效果, 高水平的技术体系在食品安全追溯中广泛应用, 体系包括信息的收集、传输、查询三个不同的层次。信息采集环节中, 农业工作人员将生产的基地划分成不同的模块, 对于不同的模块进行编码, 配备对应的IC卡, 生产环节中不同的产品都有对应的电子标签, 利用系统的控制对于每次的施肥、除草、浇水环节进行记录, 利用操作终端实现数据的快速收集和整理, 避免消耗过多的人力资源和经济费用, 且保证收集数据的准确性。信息传输过程中, 通过使用IC卡对于信息收集后, IC卡自身成为信息传播的中间环节, 传输的最终目标为区域的农业数据库, 定期的对于卡中的资源收集处理, 利用RFID技术实现信息的最终导入, 构建物联网数据平台。在农产品进入到市场进行流通后, 需要的人员通过物联网查询具体的追溯码, 利用追溯码的转化制定出具体的产品标签, 将标签准确的粘贴到农产品包装上, 消费人员利用物联网系统对于需要的资源信息进行检索。
2.5农业信息共享
信息的共享促进农业工作人员和企业之间的沟通, 利用有效的交流促进技术的研究, 提供思想发展的空间。国内需要建立不同层次水平的信息系统, 为相关政策信息的传达提供有效的方式, 政府通过信息系统了解民意的反馈, 通过各方面的有效合作促进农业行业的快速进步。详细的实施中, 在市级建立农业信息中心, 县级构建农业服务平台, 乡或是镇上设置农业站, 通过系统的设置保证工作责任的明确, 职责的细化。
2.6精细化发展
农业信息化建设发展中, 精细化是发展的方向之一, 工作人员对于整个的生产过程展开全面、定量、细化的空间管理。利用遥感、定位、通信、手段对于生产的区域性环境和各项资源条件综合性处理, 分析土壤、空气湿度、气候、温度等各个方面的作用, 结合具体结果制定专业化的方案, 不足的方面进行补充, 通过有效的控制, 确定具体的生产目标, 对于可能发生的各种问题进行预测, 保证规范化、优质的管理, 实现更高的经济效益, 保证环境资源应用和经济的和谐发展。
2.7虚拟农业
农业信息化中虚拟农业是物联网应用的重要部分, 虚拟农业基本依靠虚拟现实的技术方式, 通过VR技术构建出实际的环境感受, 其的交互作用能力非常高, 利用系统直接演示出农作物的受病侵害状况、生产状况、自然灾害状况等。在虚拟的状态下展开专业的实验, 避免设计中消耗过多的精力和时间, 降低农业生产的残留物, 是促进农业进步的关键技术。
总而言之, 加大物联网技术在农业应用中的理论研究与实践探索力度, 总结国家农业发展的实际经验, 充分发挥物联网技术的优势作用, 促进农业信息化建设的脚步, 由此推进我国农业的可持续发展, 开创新的局面, 带动我国经济步入新的台阶。
参考文献
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物联网农业信息化 篇8
关键词：农业信息化,物联网,应用
一、国外文献综述
(一) 发达国家农业信息化发展情况
1、美、法两国不同的农业信息化服务模式。美国实现集约化的农业信息化生产方式, 依托的是高度发达的农业信息服务体系, 主要体现在:“政府投入型”为主的投入模式, 包括重点投资基础设施而不是农作物和提供低息贷款;“政府主导型”的组织模式, 包括政府主导的农业信息化组织结构和完善的法律规章制度体系;现代信息技术的信息传播方式, 包括网络媒体、电话服务和图书馆查询。
法国作为欧盟最大的农业生产国, 与美国相比, 虽然起点比较低但是发展速度快, 这得益于其成功的农业信息化服务体系:一是“政府型+商业型”的投入模式, 这种双方面的资源投入扩大了资金来源, 相关企业通过这种方式进行投资获益, 也鼓励了他们继续投资;二是“多方合作型”的组织模式, 法国服务主体众多, 包括各级农业部门、农业事业联盟、农产品加工业协会、农商会等, 他们在服务内容、对象、规模上各自有所侧重, 形成互补;三是“传统+现代”的信息传播服务模式, 除了网络媒体、电话、图书馆之外, 主要还有会议、广播、报纸、刊物、传真等形式, 呈现出分散、直接、多渠道的特征;四是不断完善的法律法规等制度保障体系。
2、美、德先进的农业信息化技术体系。美国在物联网技术和信息化其他技术集成的基础上形成了成熟的精准农业, 主要应用的技术有农业数据库系统、遥感技术、地理信息系统。同时, 先进的农业信息网络技术使得近20%的农场主选择网上交易, 农业电子商务占总电子商务的8%, 在所有行业中排行第五。
德国在农业信息采集、存储、处理决策和发布控制方面均运用了物联网技术和其他信息化技术, 并注重技术之间的集成, 以保环境促发展为目的。
(二) 物联网技术应用情况。Michael Chui、Markus Loffler and Roger Roberts (2010) 认为可以通过物联网技术加强对员工行为的感知, 以此来改善公司管理。同时, 运用物联网的传感器驱动的决策分析, 将物联网技术应用于石油和天然气行业, 可以降低开发成本。RFID技术应用于零售业可以改善供应链管理、缩短零售周期、提高供应链可见度、提高企业知名度和未来盈利能力。未来在零售行业中RFID技术有望取代条形码技术, 因为它不需要操作人员的视线关注并能够提供更多功能, 提高了处理速度和效率。而专业技术的缺乏、不确定性和复杂性也是RFID技术带来的风险。
二、国内文献综述
(一) 我国农业信息化发展情况。在农业信息化服务体系方面, 我国采用的是“政府主导型”投入模式, 主要包括:属于无偿放款的拨款方式;使资金得到高效、有偿使用的贷款方式;补贴、补助和贴息方式。组织模式是以国家农业部门为主导, 其他涉农部门为辅。信息传播模式在传统方式的基础上, 不断投入使用先进的农业信息传播方式, 比如“三电合一”、“百万农民上网工程”、“农报110”等。在农业信息化技术体系方面, 我国农业信息采集、传输、存储、处理决策方面的技术得到深化, 借鉴国外先进经验, 探索了一系列适合我国农业信息化发展的项目, 使相关技术落地生根;一些集成化技术已应用于精准农业。
广东省发展农业信息化在区位、资源、政策、经济上占有得天独厚的优势, 已经初步建立了比较健全的省、市 (地) 、县 (市、区) 和乡镇四级农业信息网络体系。河北省也已初步建立了全省性、区域性和特色农业网站三大类网站, 并在“十二五”期间全力推进全省农业信息化“114 工程”, 进一步完善农业信息化体系。
(二) 物联网技术应用于农业方面的研究。物联网技术的感知、传输技术已成功应用于大田种植、设施园艺以及农产品物流等方面。传感器可以感知采集目标检测区内的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等, 为精准农业、温室种植环境监控提供了有效的解决方案。中国移动依托土壤墒情和作物用水规律研发出智能化滴灌控制系统, 解决了新疆石河子垦区农业灌溉用水利用率低的问题。利用二维条码和RFID技术可以建立农产品质量安全追溯系统。中国电信建立智能农业仓储管理与溯源平台, 提升了企业食品安全意识和消费者信任感。北京派得伟公司参与了科技部“农业物联网测控系统”重大项目, 实现了农业传感感知、传输通讯和分析处理功能。
农户可以通过移动客户端查看数据进行相关操作, 在此基础上还可以发布农产品供求信息, 通过音视频互动方式与农业专家进行线上交流, 为作物病害进行远程诊断。
(三) 物联网技术在生活方面的应用情况
1、交通领域。利用物联网技术建立公交无线视频监控平台, 通过安装GPS定位系统和车载监控系统实现对车辆的实时监控和调度。另外, 物联网技术还可以控制车辆行驶状态、在高速公路上不停车使用ETC收费, 等等。
2、房地产领域。通过互联网等通讯技术将传感器安置于地产开发涉及到的人员和物体、机器及各种终端设备, 将小区医院、幼儿园、停车场等公共场所、设施的信息上传、汇总, 实现人与物、物与物的互通, 达到远程控制和智能化管理。
3、医疗领域。未来的小区以及家庭内部将建立起与医疗机构的互通互诊的健康检查系统, 使医生通过网络就可以对在社区内的患者进行简单的诊治。浙江大学附属一院何前锋提出了简约数字医疗物联网, 认为医疗物联网是以医生、病人、药品、医疗器械为代表的“物”, 同基于一定标准的工作流程的“网”之间信息的交互。
4、物流领域。物联网技术改变了物流信息的采集方式, 改变了从生产、运输、仓储到销售各环节的物品流动监控、动态协调的管理水平, 极大地提高了物流效率。通过物联网技术可以建立集物流配载、电子商务、资金质押、信息跟踪、仓储管理、安保警备、海关安检等功能为一体的综合的物流信息服务平台。
(四) 物联网发展仍存在的问题
1、信息集成技术落后, 信息共享渠道不通畅。使用物联网技术产生的大量数据, 用目前的存储方法保存会占用很大的硬盘空间, 存储成本也比较高。同时, 由于部分乡村通讯手段非常落后, 很容易形成“信息孤岛”问题, 信息难以实现共享、流通困难。相关产业、相似流程的信息不能共享, 缺少借鉴、重复作业增加了成本, 提高了失败率。
2、商业模式待完善, 相对成本较高。目前, 我国农业物联网商业模式有三种:政府支持的示范性项目、物联网企业做的示范性推广项目、国有大型农业物联网项目。在这三种模式下, 不论由谁提供资金, 都存在着相对成本高、产业链成员参与不主动的问题。所以, 构建稳定共赢、规模化、有利可图的物联网商业模式是推广物联网技术非常重要的部分。
相对成本较高:一是人力成本较低;二是采纳物联网技术的成本较高。用整套的物联网技术来代替人工劳动力, 投入必然会增加, 尤其是在农业生产中, 这一点成为阻碍物联网技术推广的重要因素。
3、开放性不足, 规模化应用少。目前, 我国物联网技术应用主要局限在小规模、企业内部, 大规模的、企业之间的甚至是跨境的应用并没有非常成功的案例。
4、技术标准不一致。物联网技术作为新兴技术, 在初期推广的过程中, 信息采集、传输、人机互交接口的技术标准不一致, 各个标准组织比较分散, 缺乏统一协调, 导致上下游企业之间不能进行有效的合作。对于厂商而言, 缺乏统一的技术标准参照, 不能进行大规模生产, 进而影响终端产品的稳定性和成本。
5、相关法律法规仍有待健全。工信部虽在2011 年提出《物联网“十二五”发展规划》, 就我国2011~2015 年物联网发展的主要任务、保障措施等给出了明确的指示, 但针对各省市具体环境、现实背景的更细化的政策文件仍有待完善。各级政府也缺少比较详细的物联网发展规划, 使得物联网技术推广大多只是纸上谈兵。
(五) 影响物联网发展的因素研究。总结众多专家学者的观点, 基于Tornatzky和Fleischer提出的技术组织环境 (TOE) 分析框架分析物联网发展的影响因素。
1、技术本身特性 (T) 。主要包括技术的复杂性、兼容性、感知效益和成本等。首先, 物联网技术的复杂性与接触物联网技术的一线人员本身的素质、能力挂钩。在各行业 (尤其是农业) 中推广物联网技术, 实地操作人员对该技术的理解程度、熟练程度直接影响到推广成效。若技术太过复杂, 会增加了人员操作的难度、降低操作人员的信心, 导致抵触心理的产生;其次, 物联网技术的兼容性决定了推广的规模。兼容性好的技术可以快速、有效地与原有企业、其他上下游企业业务流程契合;最后, 感知效益和成本是物联网技术推广的决定性因素。带有明显营利性质的企业最看重的因素:一是应用物联网技术是否减少了人力成本、提高了运行效率;二是增加硬件设施成本以及相关维护成本是否不大于原先的人力成本。
2、所处组织特征 (O) 。就是指企业规模、高层支持、技术知识、供应链企业间相互信任等方面。规模较大的企业, 在面对新技术的推广、实验时有足够的资金支持, 包括购买硬件设备和聘请专业人员等;承担新技术实验失败风险的能力也比小规模的企业要大些。高层决策人员对物联网技术的关注和支持程度, 相关人力、物流、财力的支出程度, 也影响着物联网技术是否会被采纳。供应链企业之间较好的利益分配机制和风险分担机制, 对采纳物联网技术有正向促进作用;而众企业若想共同推进新技术的采纳, 就需要相互之间的信任和协作。
3、周围环境因素 (E) 。主要包括竞争压力和政府支持。竞争压力一方面是由于同业企业采纳物联网技术, 激烈的竞争导致企业不得不采纳以跟上行业的整体步伐;另一方面是合作企业要求而应用物联网技术。另外, 政府方面在出台一系列政策支持物联网技术发展和推广的基础上, 还需拨出专项资金来帮助更多的企业进行物联网改革。政府政策的倾斜往往是具有超越一切其他因素的影响力的。
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物联网农业信息化 篇9
关键词：物联网,云计算,农业信息服务
0 引言
当前,世界农业在完成工业化转变的同时,需要实现农业信息化的跨越式发展,农业信息化已成为当今世界农业发展的一个基本趋势,从我国的农业发展来看,农业信息化是推动我国农业发展与变革的重要因素,是保持国民经济持续健康发展的基石。近几年来,我国农业信息化的发展重点是农业信息化基础设施建设和农业信息服务。通过几年来持续不断地建设,农业信息化基础建设已经取得很大的成果,如工业和信息化部的“村村通”工程、农业部的“金农工程”和“三电合一工程”等。这些基础设施的建设和完善,为农业信息服务提供了坚实的基础。但现阶段,我国的农业信息化过程中还存在着“重硬轻软”、信息质量低、不能满足农民现实生产需要、农民实际应用信息不多以及信息对农业、农民、农村影响不大等问题[1]。
在农业信息服务领域,因其行业和服务对象的特殊性,使其在信息的表达、获取和利用效率上依然存在着一些不足。信息服务可分为主动服务与被动服务。主动服务指信息服务平台主动地向用户提供各类知识,一般以知识库和推送技术实现。在农业信息服务领域,利用云计算的海量存储和统一管理等方法,已基本形成了一个高度集成和虚拟化的计算资源—“农业信息云”。在云端已积累了大量的农业信息,但存在着专家知识多实际数据少、信息资源多精确分类少、知识数量多有效利用少等问题。推送技术作为信息服务领域的一个重要方法,在农业信息服务领域也发挥着重要的作用,但目前的信息推送技术仍存在用户合理分类难、用户兴趣更新难和个性化不足等缺陷。被动服务则是指用户主动到平台上来寻求知识,而农民做为一个特殊的群体,文化水平普遍不高,无法很好地表达信息诉求,从而导致了信息匹配度不高等问题。物联网作为第三次信息革命的重要组成部分,在农业上已经得到了一些应用(如大棚内温湿传感器的使用、农产品追踪溯源技术和农业信息传送等),但就目前来看,物联网的许多技术(如RIFD、全面感知等)在农业信息服务中还没有得到很好的整合和利用,制约了农业信息化的进一步发展。
针对这些问题,本文结合物联网与云计算中的关键技术(如RFID、嵌入式终端、云存储、WEB 2.0等),探讨如何在物联网和与计算的交叉环境下构建高效、方便、快捷的农业信息服务模式,以解决在农业信息服务中存在着的实际数据少、推广渠道不畅、信息诉求不明等现实问题。
1 物联网与云计算概述
1.1 物联网
按照2005年国际电信联盟(ITU)的定义,物联网(The Internet of things)是指在任何时间、任何地点,互联任何物品、提供多种形式信息访问和信息管理的网络,其主要解决的问题包括物与物(Thing to Thing)、人与物(Human to Thing)以及人与人(Human to Human)之间的互联[2]。这其中包括两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。与传统的互联网相比,物联网有其鲜明的特征:
1)它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器(如温度传感器和压力传感器等),每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性地采集环境信息,不断更新数据。
2)它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。物联网上传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议。
3)物联网不仅仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据,以适应不同用户的不同需求,发现新的应用领域和应用模式。
1.2 云计算
云计算(Cloud Computing)是网格计算(Grid Computing)、分布式计算(Distributed Computing)、并行计算(Parallel Computing)、效用计算(Utility Computing)、网络存储(Network Storage Technologies)、虚拟化(Virtualization)和负载均衡(Load Balance)等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统,并借助Saa S、Paa S、Iaa S、MSP等把强大的计算能力分布到终端用户手中。虚拟化、弹性规模扩展、高可靠性和安全性以及分布式是云计算的主要特点。
1.2.1 虚拟化
云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”,而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行,但实际上用户无需了解,也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一个手机,就可以通过网络服务来实现所需要的一切,甚至包括超级计算这样的任务。
1.2.2 弹性规模扩展
云计算提供了一个巨大的资源池,而应用的使用又有不同的负载周期。根据负载对应用的资源进行动态伸缩(即高负载时动态扩展资源),低负载时释放多余的资源,将显著提高资源的利用率。该技术为不同的应用架构设定不同的集群类型,每一种集群类型都有特定的扩展方式,然后通过监控负载的动态变化,自动为应用集群增加或者减少资源。
1.2.3 高可靠性和安全性
在云计算模式下,数据存储在云中,应用程序在云计算中心运行,计算由云端来处理,所有的服务分布在不同的服务器上,在云端使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性,在出现问题的节点可以实现自动终止,并启动其他节点进行替代(即自动处理失败节点),保证了应用和计算的正常进行。
1.2.4 分布式
云计算中的分布式包括分布式存储与分布式计算两大内容。分布式存储系统是指将数据分散存储在云环境中的多台独立的设备上,它采用可扩展的系统结构,利用多台存储服务器分担存储负荷,利用位置服务器定位存储信息,不但提高了系统的可靠性、可用性和存取效率,且易于扩展;基于云平台的最典型的分布式计算模式是Map Reduce编程模型,它将大型任务分成很多细粒度的子任务。这些子任务分布式地在多个计算节点上进行调度和计算,从而在云平台上获得对海量数据的处理能力[3]。
2 交叉环境下的农业信息服务新特点
2.1 信息呈爆炸性增长
在信息社会的环境下,人们发布信息的方式异常丰富,发布信息的门槛大幅度降低,除了传统的电视、报纸、广播等,网络和手机信息等成为了人们发布信息的重要渠道,这使得任何人都能成为信息的发布者。而物联网的建设则使得信息发布的主体不再仅仅局限于人类,任何物体都可以成为信息的发布端。信息数量的急剧膨胀也带来了信息爆炸的问题。信息爆炸是指人们对当代社会大量出现并加速增长的各种信息现象的描述,表现在5个方面,即新闻信息飞速增加、娱乐信息急剧攀升、广告信息铺天盖地、科技信息飞速递增和个人接受严重“超载”。
在农业信息领域,信息爆炸还体现有以下4个方面的特点:一是政府和农业科技人员发布的信息多,农户发布的信息少;二是广告及各类介绍的信息多,对农户的生产生活进行直接指导的信息少;三是理论知识多,实际数据少;四是信息的个性化服务被淹没在信息的海洋中。信息爆炸所带来的信息过载、资源迷向等问题阻碍了信息服务的具体应用。
2.2 信息高度数字化
数字化信息是指以数字化码方式将图、文、声像信息存储在光电介质上,通过计算机或有类似功能的设备进行阅读使用,用以表达思想、普及知识和积累文化,并可复制发行的大众传播媒体[4]。云计算的大规模存储与物联网的感知功能使得农业信息呈现出了高度的数字化趋势,大量的农业书籍和专家知识被数字化,通过农业信息网站和专家系统,可以很方便地查询到相关信息;多媒体技术的发展进一步推动了信息数字化的速度和规模,通过多媒体技术,农业信息数字化不再局限于文字的信息化,音频、视频、图片等这些农户喜闻乐见的表现形式被添加到信息数字化库中,极大地丰富了农业信息服务;传感器的使用则将自然信息等数字化程度较低的信息纳入了信息数字化的快车道中。信息的高度数字化为农业信息服务提供了坚实的基础。
2.3 终端设备多样化
终端可分为信息采集终端与呈现终端,在信息服务中起着非常重要的作用。在传统的信息服务中,呈现终端多采用广播、电视、电脑等。随着嵌入式和3G网络的进一步发展,芯片制造技术得到大幅度改进,网络带宽成倍增加,大量的新终端开始应用于信息服务领域,如手机、触摸屏、数字电视等;信息采集终端则由传统的电话、扫描仪、人工录入等向传感器以及摄像头等新型终端衍变。如图1所示,丰富多彩的终端设备的应用极大地拓展了信息采集方式与信息服务的表现形式。
2.4 信息需求个性化
在信息的爆炸性增长和信息数字化的推动下,信息服务平台积累了大量的信息,当这些信息的数量超过一定的值之后,必然就会带来信息冗余、信息过载等问题。信息资源具有非常强的目标导向性,同样的信息内容在不同的个体手中表现出各不相同的价值。信息价值的体现在于个体用户的判断[5],因此如何在信息的海洋中找到符合用户需求的个性化信息就变的至关重要。在农业领域,不同地域、不同时间、不同个体之间对信息的需求都各不相同,这个不同不仅体现在信息内容上的不同,也包括表现形式上的不同。例如,在南方,人们关注的信息多是水稻与油菜,到了北方则是玉米和小麦。3-4月份之间,大家普遍需要的是育苗的信息,到了六七月份,则希望有病虫害的防治和收割相关的信息。农业科技人员喜欢文字等信息,而普通的农户则倾向于图片、视频等简单易懂的信息。因此,在农业信息服务领域,需要更加彻底与完善的个性化服务。
2.5 个体信息服务成本下降
信息服务的成本可分为硬件成本和使用成本。在硬件成本上,虽然近年来“电脑下乡”等活动的展开使得农民购买电脑等信息设备的价格降低,但是对于收入水平较低的农民来说,电脑等设备的价格依然较贵,无法做到大规模的普及;在使用成本上,传统的农业信息服务存在着使用不方便、操作困难等问题,电视机、广播等虽操作简单,但是节目播出内容与时间相对固定,不能很好地满足个体的使用需求;电脑操作复杂,而农民的知识水平偏低,不能准确地在电脑上表达自己的诉求,电脑的维护需求(如安装系统、查杀病毒等)对于农民来说更是天方夜谭。随着云计算平台的逐步建成与完善,大量的计算与复杂的操作将会转移到云端,农户只需一个简单的终端,如手机、触摸屏等,就能方便快捷地得到需要的信息。这些设备的价格远远低于电脑、电视等传统设备,且操作非常简单,降低了信息服务的门槛。云平台的建设虽然成本高昂,但随着使用人群基数的增加,云计算平台的个体服务成本会大幅下降。
根据对物联网与云计算环境下的农业信息服务特点的详细分析与研究,结合当前的农业信息服务体系,本着充分整合现有资源并进行创新设计的原则,本文尝试构建一个全方位、多角度、立体化、智能化、人性化与个性化的农业信息服务模式,着重研究在农业信息服务领域中物联网与云计算技术的整合,模式结构如图2所示。此模式主要由信息采集模块、网络模块、云计算模块和信息服务展现模块等组成。
3 农业信息服务模式构建
3.1 信息采集模块
信息采集模块根据其作用可以划分为两部分,即信息收集和辅助表达。信息收集是指采集农业环境下的各类信息(如温度、光照、营养元素含量等),并将采集到的信息通过网络传送到云计算中心进行存储和分析。辅助表达则是指辅助用户准确及时地进行信息的表达和交互,从而快速找到用户需要的信息。
3.1.1 信息收集
由于农业生产存在着地域的广阔性和环境因素的复杂性等特点,导致了传统的农业信息采集一直以来都非常耗时耗力,需要布置大量的人力物力进行繁琐的操作。针对这些情况,结合物联网技术,可以在田间地头布置大量的传感器(如TDR-3土壤水分传感器[6]、DS18B20温度传感器以及各类探测土壤营养含量和气象信息的传感器),形成一个立体的传感器网络。另一方面,可以结合监控技术,在大棚、试验田等对信息实时性要求较高的小范围农业环境中安装摄像头、相机、红外探测仪等设备,对农业信息进行快速处理和判断,如可以用相机对油菜等作物进行定期拍照,并传送到云终端,根据油菜的叶色准确快速地分析出植株的氮含量[7]。
3.1.2 辅助表达
当前,我国农民的文化水平普遍偏低,还不能很好地利用信息设备进行信息的表达,从而导致其无法准确地找到需要的信息。所以在农业信息服务领域,信息的准确表达是一个非常关键的环节。为此,可以利用信息采集模块丰富的信息采集功能,通过“一加一”简两个方面,辅助用户表达信息。
“加”是指添加信息关键词。信息的搜索离不开关键词,关键词越精确越详细,搜索到相关信息的可能性也就越大。利用物联网的传感器技术和定位技术,可以辅助农民用户表达更多的关键词。如当用户输入“病虫害防治”时,大量的信息将会涌现,其中必然有很多的信息与用户的需求无关,这就会导致信息过载;而在物联网与云计算环境下,云计算平台会通过GPS采集用户的地理位置信息、温湿传感器等采集用户的具体环境信息、摄像头、照相机等采集用户的作物信息等,辅助用户添加关键词,找到与用户诉求密切相关的信息。
“简”是指简化信息输入。利用手写板、触摸屏和完备的目录系统等简化用户的输入,此简化并不会减少采集到的用户信息量,反而会使用户输入的信息量增加。如不会打字的农民用手写板则可以充分表达自己的需求,触摸屏和目录系统则可以使用户仅需要简单的触碰各级目录就能找到自己需要的信息。
3.2 网络模块
本模式综合运用ADSL,WIFI,3G和WSN等网络,构造一个稳定性高、实时性强、易于搭建的可无缝对接的网络系统。
3.2.1 有线网络
在进行远距离和大规模的数据传送时(如各级云计算中心的互联、农业信息服务局域网的构建等),有线网络将能很好地保证传输的速度和稳定。在有线网络端,将采用现有的ADSL网络,通过路由器和Internet实现各级设备的互联。
3.2.2 无线网络
无线网络分为无线传输网络和无线传感器网络。
3.2.2. 1 无线传输网络
无线传输网络以WIFI,3G等技术为主体,以无线局域网为主要实施方向,实现数据的便捷、快速、安全的传输。在无线技术进一步成熟之后,原有的大容量高速度有线网络完全有可能被无线网络取代,这时就可以在偏远山区等不易实现有线接入的地方通过无线的方式接入网络,扩大农业信息服务的范围。
3.2.2. 2 无线传感器网络
无线传感器网络主要用来收集农业生产环境中的信息(如温度、湿度、CO2浓度、土壤营养元素含量等),并把这些信息通过无线网络(如Zig Bee)传送到无线传输网络节点,再通过有线网络传输到云中心,进行数据的存储和分析。
3.3 云计算模块
云计算的架构可以分为3个层次,即表示层、管理层和硬件资源层。
3.3.1 硬件资源层
硬件资源层由大量的服务器和PC机组成,提供文件存储和计算的功能。这些硬件资源在内部由高速局域网联通,通过容错机制和负载调度,使得整个系统的运行不依赖于某个具体的节点,对外界展现为一个单一的系统,农户只需知道云端的入口,就能访问到这些硬件资源,而不必关心这些硬件的具体实现。在硬件端,云计算的另一个创新点是将节点的失效当做常态来处理,使其可以使用大量的PC机来构建硬件层,大大地降低了云平台的硬件建设成本。
3.3.2 管理层
管理层负责对硬件资源进行管理,主要包括资源监控和负载调度两个方面的内容[8]。负载调度主要负责保持硬件资源中节点的负载平衡,以实现容错机制和系统的可伸缩性和高效运转。通过linux服务器集群和LVS调度技术,使用轮叫调度、加权轮叫调度、最小连接调度等调度算法,实现服务器的负载平衡。此时,如果系统的某个节点出现故障,云端将会自动屏蔽这个节点,并将节点上的数据和运算操作转移到其他的节点并通知管理员,在节点修复之后又自动将其纳入处理平台。此外负载调度还能避免平均负载过低带来的资源浪费等问题。
3.3.3 表示层
表示层直接与用户进行交互,向用户展示其搜索的信息和需要的应用。本模式使用WEB 2.0等技术建立与用户之间的交互,通过触摸屏、手机、电话、Email和RSS等向用户提供视频、音频、图片、文字和软件等丰富的信息和应用,并通过主动收集用户的使用习惯和被动听取用户意见等与用户进行交互,改进表示层的展现内容。
3.4 信息服务展现模块
结合物联网技术,在信息服务展现模块,将实现信息服务载体的多样化、信息服务内容的丰富化及信息服务对象的个性化。信息服务载体的多样化指信息服务的载体不再局限于书籍、电视和广播等,在物联网环境下,触摸屏、手机、PDA等成本较低且易于携带的设备将广泛应用到本模式中;信息服务内容的丰富化是指信息服务的内容除了文字以外,还将会以视频、音频、图片和动画等方式出现;信息服务对象的个性化是指通过使用物联网的RFID技术、智能芯片技术和智能识别技术等,构建一个完全的个性化信息服务模式,其主要包括智能识别和智能定位两个方面的内容。
3.4.1 智能识别
智能识别指在信息服务终端安装RFID扫描仪等扫描设备,以用户的身份证或者手机卡等作为识别对象的模式,在用户使用信息服务时,只需扫描自己的身份证或者手机,云平台就能自动识别出用户,将个性化的信息推送给用户,并记录用户的信息,如用户关心的种植品种、最常查询的病虫害知识等,以丰富和完善用户的个性化信息。
3.4.2 智能定位
智能定位是指通过GPS和传感器技术实现对用户的定位,以提供个性化信息的服务。通过嵌入在用户手机或者其他终端中的GPS模块,并结合传感器网络,确定用户所处的环境(包括地理位置和自然环境等),通过这些信息给用户提供个性化的信息服务。
4 结论
在前两次的信息革命中,我们因为种种原因没能成为领跑者,如今以物联网和云计算为代表的第三次信息革命又在全球范围内开始风起云涌,在当前物联网和云计算技术还未完全成熟之前,我们一定要及早谋划,抢占制高点,跻身到第三次信息革命的领导者行列。在此背景下,在我国这样一个农业大国里,农业信息化的发展显得更为重要。进入十二五,国家进一步明确了发展农业信息化的战略,提出了提高农业生产经营信息化水平的目标,这标志着我国农业信息化发展进入了新的阶段,信息服务模式的构建和个性化将成为下阶段农业信息化发展的重点。本文主要针对当前农业信息服务中存在的一些问题,结合物联网与云计算中的相关技术,提出了一种在物联网与云计算环境下的农业信息服务模式的建设方案。该方案较完整地整合了现有的物联网与云计算技术,并进行了适当的展望,有效地解决了当前农业信息服务中存在的实时信息采集困难、用户使用信息服务困难和信息服务个性化不足等问题。可以预见的是,随着物联网与云计算技术的不断发展,我国的农业信息服务必将走上一个高速发展的新阶段。
参考文献
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物联网农业信息化 篇10
射频识别技术RFID一般包括后台系统、阅读器及电子标签三部分,其基本原理见图1。阅读器需要查询数据时,向电子标签发送指令,标签按照指令回传信息,完成对数据的操作。RFID作为一种无线通信技术,主要通过无线信道进行阅读器和电子标签之间的通信,而无线信道的安全性使得信息的安全受到威胁。通常在RFID系统所使用的电子标签中,会存储有关农产品生产销售的相关信息甚至厂商的个人信息以及园林景区的重要基础数据,如果不能得到有效保护,有可能造成商业信息或重要信息的泄露,给经营者、管理者甚至消费者带来不必要的损失,因此,对于RFID系统的信息风险及其对策需要进行深入地分析和研究。
1 RFID存在的信息安全风险
1.1 信息泄露
在无线通信中,一般首先需要对通信双方的身份进行认证,以保证操作的合法性。其次需要对传输的信息采取某种加密手段以保证信息的安全。但在RFID系统中,电子标签和阅读器之间的通信一般未采取任何安全机制,不需要进行身份的验证,阅读器即可读取电子标签中存储的数据,从而导致商业信息或重要数据的泄漏[2]。
1.2 信息篡改
在RFID系统中,由于没有对通信双方的身份进行验证,也就没有办法对操作的权限进行限制,任何阅读器都可以读取电子标签中存储的数据,对于非法的访问者或攻击者,同样可以对所有开放的电子标签进行访问,或任意修改电子标签中的数据,对系统应用造成负面影响。
1.3 信息伪造
由于电子标签的开放性,可以采用不同的方法来伪造标签信息,以达到非法目的。一种方法是对合法的标签进行克隆,即非法用户对合法电子标签进行整体复制,克隆出与合法标签完全相同的电子标签。另一种方法是通过分析合法电子标签的数据存储结构,之后按照相同的数据格式与结构,将数据写入一个空的电子标签中,来模仿合法标签[3]。
对阅读器与电子标签之间的无线通信进行攻击可以有多种方式,研究者对于各种攻击手段也进行了深入分析和研究,结合RFID的系统特点,设计提出了一些较为有效的方法。
2 目前使用的RFID安全协议
针对RFID系统可能遭遇的安全风险,有效的解决方案是采用安全认证协议,目前RFID认证协议主要分为三类:
2.1 通过简单的逻辑运算进行认证
这种方式主要通过逻辑运算来实现通信双方的身份认证或信息加密,一般使用某种函数对标签和阅读器之间的PASSWORD进行简单加密,并使用随机数与逻辑运算对收发的数据进行处理,使得通过无线信道传输的数据,既能进行相互的身份认证,也能保证信息的安全。这类认证协议对标签的计算能力要求较低,但是安全性也较低[4]。攻击者可以在很短的时间内进行反向运算,从而对数据进行解密。
2.2 基于高级加密算法的认证协议
这种方法是使用比较成熟的高级加密算法对阅读器和电子标签之间的数据传输进行加密,加密算法包括高级加密标准AES、基于离散对数问题的公钥密码体制EIGamal和ECC加密算法等。这类认证协议的共同特点是具有较高的安全性,但同时计算复杂性也高,对于阅读器的计算能力和电子标签的数据存储能力有很高要求[5]。
2.3 基于Hash函数的认证协议
目前,研究者已提出很多基于Hash函数的RFID认证协议,但都存在一定的安全隐患。例如实现成本较低的LCSS协议,通过在电子标签中设置标志位的方法,来避免对标签数据的穷举搜索,具有较高的安全性,但是LCSS协议不能防止攻击者主动发送查询命令获取标签响应对标签实施跟踪[6]。
3 HASH函数和公钥相结合的RFID认证方案设计
目前现有的RFID信息认证协议都存在一定的缺陷和不足。为此,在集成多种认证技术的基础上,提出了一种基于HASH函数与高级公钥加密算法相结合的RFID认证方案,以供分析探讨,进一步验证其安全性。
3.1 认证方案的设计与实现
本方案采用PKI(公钥基础设施)技术来设计和管理密钥,其中认证机构CA是PKI的重要组成部分,主要功能是通过数字证书来实现身份认证,保证信息安全。阅读器和电子标签都需要向CA申请数字证书,CA通过审核和身份验证,签发数字证书。阅读器和电子标签在进行数据通信时通过交换和验证对方的数字证书来保证身份的真实性。由于RFID电子标签的计算和存储能力较为有限,在设计CA生成数字证书所使用的加密算法上,并没有使用安全性较高但对计算能力同时有很高要求的RSA算法,而是采用了Rabin公钥体制。Rabin算法的安全性是建立在求解模数n的平方根这一数学难题之上,难度与RSA算法的大合数分解的数学难题大体相当,因此具有同等的安全性。但在验证电子标签或阅读器的数字证书时,只需进行一次模乘运算,相比RSA公钥算法更简单,验证效率更高[7]。同时在方案中结合了代理签名这一签名算法,也就是将传统数字签名中对计算能力要求较高的复杂运算剥离出来,由数字证书的验证方或可信的第三方来进行处理,既实现了电子标签对消息的数字签名,同时能够保持数字签名的安全性[8]。在此方案中采用代理签名技术将电子标签中的复杂计算交给阅读器来处理,有效解决了RFID电子标签难于计算签名的问题。基于此考虑,在认证过程中阅读器端采用了Rabin公钥算法,私钥为(m,n),公钥pr=m×n;电子标签采用代理签名,私钥为(a,b),公钥(X=aG,Y=t-1G)。认证过程如下:
3.1.1系统初始化
认证系统为每个阅读器和电子标签都分配一个具有唯一性的识别码IDp和IDq;随机数生成器RAND()由HASH链计算生成,也就是对前一次通信所使用的随机数进行HASH值的计算,作为本次通信选取的随机数。随机选取一个对称密钥E,HASH函数HASH()。然后将[nca,pr,IDq,HASH()]保存到电子标签的存储器内存里面,同时将[nca,X,Y,ID[p,HASH()]保存到后台系统或阅读器9]。
3.1.2阅读器与电子标签的认证流程
(1)阅读器端首先由RAND()函数随机生成一个随机数w,发送(Query,Certr,w)给电子标签,发起向电子标签的认证,其中Query为认证请求,Certr为阅读器的数字证书。
(2)电子标签使用认证中心CA的公钥nca对阅读器的数字证书Certr进行验证,以确认该阅读器是否经过可信的第三方认证和授权。电子标签通过RAND()函数生成随机数o作为随后通信的对话密钥,并利用公钥pr对o进行Rabin加密处理,即计算a=o(o+w)mod pr,其中w也是由RAND()函数生成的随机数。电子标签生成一个秘密的随机数k,满足k∈[1,n-1],并计算u=ktmod n以及b=Ef(u,Certt),然后将a和b发送到阅读器端,其中Certt是电子标签的数字证书。
(3)阅读器收到电子标签发来的a和b之后,使用私钥(m,n)对a进行解密得到o,同时验证随机数w是否正确,之后用o对b进行解密得出(u,Certt),对电子标签的数字证书进行验证,然后计算uY=(x3,y3),并转换x3为整数,再计算模数r=x3mod n。如果模数r为0,则返回第一步,这时阅读器由RAND()选择新的随机数w;否则阅读器端将o的HASH函数值HASH(o)′以及Eo(r||HASH(r))发送到电子标签。
(4)电子标签收到函数值HASH(o)′之后,验证HASH(o)′与HASH(o)是否相等。如果二者不相等就终止通信;相等则完成电子标签对阅读器的认证。电子标签进行解密运算Eo(r||HASH(r))得到r,之后计算模数s=k-1(HASH(o)+r x)mod n,计算结果(s,r)就是电子标签对于会话密钥o的数字签名,这时将数据(s,r)发送到阅读器端。
(5)阅读器端接收到数据(s,r)以后,验证数字签名(s,r)的有效性,如果有效,则完成阅读器对电子标签的认证;否则就终止通信。
阅读器与标签的相互认证过程见图2。
3.2 认证方案的安全性分析
基于公钥算法和HASH函数的RFID安全认证方案,实现了阅读器和电子标签之间的身份认证,并对相互之间传送的数据进行了加密处理[10]。阅读器和电子标签在交换数据之前必须进行身份的认证,能够防范非授权的信息读取;同时在方案中使用的双方的数字证书都是由认证中心数字签名的,具有很高的安全性;之后的通信中,相互之间传送的是经过HASH函数处理过的加密信息,可以有效防止非法用户的窃取;而且在此方案中采用HASH链动态生成随机数,每次使用的随机数都与前一次不一样,也能够防范攻击者的前向攻击。
3.3 认证方案的性能分析
RFID认证协议不仅要具有较高的安全性,还要充分考虑到电子标签在存储和运算能力方面的限制,采用更少的数据存储量和更为简便的认证与加密算法,以提高系统运行效率。整个认证过程中涉及到的计算量见表1。总体上认证过程涉及的计算量不大,存储空间的资源消耗较小。
4 结论与讨论
在农业物联网和智慧园林中得到广泛应用的RFID作为一项先进的自动识别和数据采集技术,具有非视距、远距离、多标签识读等优点[11],但是由于RFID电子标签的工作原理以及成本方面的限制,电子标签和阅读器的信息安全风险在RFID系统中较为薄弱。本文针对现有RFID认证协议中存在的缺陷进行分析,提出了一个将公钥算法与散列函数相结合的RFID认证方案,并分析了方案的安全性与实现上的资源消耗,今后还需要通过软硬件实验和应用环境对其性能与安全性进行进一步分析和验证。
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