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［提要］ 本文系统阐述了物联网的概念、基本构架及RFID技术、传感器网络与传感器网络技术的基本原理，分析物联网在农业中的应用现状，在此基础上对物联网在现代棉花农业中的应用提出思路和见解，最后对物联网在未来我国棉花农业中的发展提出见解。
关键词：物联网；RFID技术；传感器；棉花农业
中图分类号：F32 文献标识码：A
原标题：物联网在我国棉花农业中的应用研究
收录日期：2012年11月7日
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后，世界信息产业的又一次浪潮。物联网被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发展核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。物联网这个概念是1999年MIT-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的。2009年初，美国总统奥巴马与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，IMB首席执行官彭明盛首次提出了“智慧地球”这一概念，之后，美国将新能源与物联网列为振兴经济的两大重点。同年8月，温家宝视察中科院无锡物联网产业研究所后，提出“感知中国”的设想，并将物联网正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入《政府工作报告》中。欧盟信息业与商业人士曾在欧盟总部布鲁塞尔对物联网展开了广泛的讨论，也提出了物联网行动计划。据新华社报道，在各省启动的“十二五”规划中，有23个省份将物联网作为重要发展目标。而中国作为一个农业大国，农业物联网技术的应用是农业现代化水平的一个重要标志。近年来，物联网技术应用于现代农业生产的实例证明，它可以降低人力、物力等资源的消耗，缓解对农田环境的影响，实现科学化种植，推动现代农业发展方式的变化。笔者将物联网技术应用于现代棉花农业生产，以期为其发展带来启示。
一、物联网的技术构架及其在农业中的应用现状
（一）概念。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍是互联网，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品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别技术（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心和基础是互联网，是互联网延伸和扩展的产物。
（二）物联网的技术构架。从技术构架来看，物联网可分为三层：感知层、网络层、应用层。根据国际电信联盟的建议，物联网网络构架由感知层、接入层、网络层、中间层和应用层组成。而当前普遍认为物联网可划分为一个由感知层、网络层和应用层组成的三层体系。
1、感知层。感知层的任务是感知、识别物体，它由各种传感器以及传感网关构成，通过RFID标签、CO2浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、智能卡、识别码、二维码等感知信息，大规模地采集信息，并进行智能化识别，然后通过接入设备将信息与互联网进行资源共享与互交。
2、网络层。网络层主要解决信息传输的问题，它由各种私有网络、互联网、网络管理系统、通信网和计算机平台等组成，通过这些网络完成数据的传输与计算。
3、应用层。应用层实现信息的处理和决策，解决特定的智能化应用和服务问题，它是物和用户（包括人、组织或其他系统）的接口，以实现物与物、物与人之间的感知与识别，发挥职能作用。
（三）物联网的关键技术。物联网的工作流程可细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，因此其每个环节涉及关键技术主要包括：RFID技术、传感器技术、传感器网络技术、网络通信技术等。下面主要介绍这几项技术：
1、射频识别（RFID）技术。RFID技术是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号，无需人工操作能自动识别特定目标，并获取所需的数据，可工作于各种恶劣环境。一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器和信息处理系统组成。当物品（带有电子标签）进入通过读写器的区域时，标签会被读写器激活，发送出的无线电波将标签内的信息发送至读写器被其读取，读写器将信息解码，并送至电脑主机，完成信息自动采取的工作。
RFID具有读写距离远（可达10米）、读取速度快、无磨损、数据储存量大、效率高（可同时处理多个电子标签）、可抗污染等显著特点。因此，RFID在畜产品精细化养殖数字化系统、动物识别与跟踪系统、农畜产品安全生产监控系统、农畜精细生产系统等很多方面已正式投入使用。
2、传感器网络。传感器一般由敏感元件和转换元件组成，可通过CO2浓度、光线、温度、湿度、声音、力、位移等信号来感知，为物联网的工作收集、分析、反馈最原始的信息。因此，传感器是物体感知世界的“感觉器官”。
3、传感器网络技术与网络通信技术。传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。并协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内的信息，将所感知的信息传送到用户终端，以达到“无所不在的计算”理念与目标。传感器的网络通信技术为物联网数据提供传送通道，而如何在现有网络上进行增强，以适应物联网业务的需求，是现在物联网研究的重点。与传感网络相关的通信技术，常见的有IrDA、蓝牙、RFID、UWB、ZigBee、Wi-Fi、NFC，等等。
二、物联网技术在农业中的应用
（一）物联网技术在国外农业中的应用。在农业资源、监测和利用方面，欧洲和美国利用卫星对土地利用信息进行实时监测，并将检测结果发送到各级监测站，进入信息融合与决策系统，达到大区域农业统筹规划的目标。与此同时，在地面利用GPRS定位系统，对区域农业的地理位置进行标定，实现对区域农业的合理规划。
法国工作者利用物联网技术对土壤环境进行精确的数据分析，根据种植品种的具体需求，调节并改善智能感知环境，以提高农产品的产量与质量。
（二）物联网技术在国内农业中的应用。目前，我国农业正处于传统农业向现代化农业转型的发展时期，物联网的应用使农业生产的自动化、虚拟化、精细化、远程化成为可能。如农产品质量的安全追溯、农业大棚标准化生产监控、农业自动化节水灌溉等现代农业领域中，物联网技术均已投入使用。
1、基于传感网络的物联网对农业生产环境的监测与调控。近年来，物联网在现代农业中广为应用，关键技术有温室控制模式和PC机监控等。将无线传感器及其他智能控制系统安置在农业大棚或养殖厂内，利用它们来度量室内温度、湿度、PH值、CO2浓度等，再由无线传感器经无线网关传输所采集的信息，通过互联网或移动通信传输至监控中心，形成数据图表，工作人员通过手机或电脑获得各项参数，根据数据变化，适时调整、反馈室内环境，使作物的生长环境达到最佳水平。
2、基于RFID技术的物联网在农产品质量安全追溯中的应用。农产品质量安全是重大民生问题，关系人民群众的身体健康和生命安全，关系到社会的稳定和经济的发展。物联网技术的应用则实现了对农产品质量安全的追溯，完成对农产品从生产到流通每个环节的监管，以保证农产品在每个环节的质量安全，将食品安全隐患降至最低。
在我国，已经出现了RFID技术的应用实例，2007年中国建立了肉牛生产全程质量安全追溯体系，同时也完成了生猪的全程质量安全追溯系统（在RFID技术的基础上），并在全国几个城市内进行推广，实现了生产-加工-运输-销售环节的全程监控，在全国城中并不断进行调整，来不断确保农产品的质量安全。2008年中国在奥运会期间启用了食品安全追溯系统，为整个奥运会的食品安全提供了保障，促进了国内经济的发展，也推动了物联网技术在中国农业中的应用。
3、物联网技术在农产品储运中的应用。在农产品储运过程中，其储运的环境（温度、湿度等）与农产品的变化密切相关。经研究表明，我国水果蔬菜等农副产品在采摘、运输、储存等物流环节上的损失率在25%～30%，而发达国家的果蔬损失率则控制在5%以下。如果能实现对储运过程中的环境条件进行实时监测，便能保证农产品质量与安全，进而减少经济损失。而物联网技术可通过各个分散的传感器进行实时监测，以控制环境中的温度、湿度等参数，对仓库或保鲜库环境进行动态监测；在农产品运输阶段，对运输车辆进行位置信息查询和视频监控，以及时了解车厢内外的情况和调整车辆内的温湿度，同时可以对车辆进行防盗处理，一旦车辆出现异常便可自动进行报警。Tao Y等设计了基于RFID技术的系统，用于实时监测、记录运输过程中的温度，该系统监测温度范围为-50℃～120℃，读取距离达100m。
三、物联网应用于现代棉花农业的发展分析
（一）物联网应用于现代棉花农业的意义。“十二五”规划明确提出以加快经济发展方式转变为主线，推进物联网的应用与研发。同时，棉花是我国第二大农作物，其生产状况是关系国计民生的战略物资。棉花是涉及纺织工业和农业的商品，也是每个消费者的生活必需品。因此，如何提高棉花农业的质量和产量成为棉农的重要任务。而物联网技术的应用则是解决这个问题的重要环节。
将物联网技术应用到棉花生产和科研中是现代棉花农业依托新型信息化应用的一大进步，可以将粗放的经营管理方式改为精细化管理，提高对棉苗疫情、疫病防控的能力，从而引领现代棉花农业的发展，对现代棉花农业发展具有一定的参考意义。
（二）技术层面分析
1、物联网的感知层。在培育棉苗的智能温室里，根据棉花农业生产过程对感知设备提出的要求，按棉苗萌发四大要素（O2、水分、光照、温度）部署，能够适应高温、高湿等恶劣环境，其稳定性、准确度、精度等性能均能满足棉花农业生产的具体要求的无线和有线传感器。使他们能随时测出室内温度，实时采集光照强度、温度、湿度、CO2浓度、营养液（pH）等环境参数。同时，也配置一些可以远程控制的检测器、移动喷灌机、自动剪叶机、排气扇等。
根据O2传感器的数据，实时掌握室内O2浓度，避免N2、氯气过高影响棉苗生长；根据光度、温度传感器的数据，并根据棉苗当前生长阶段进行相应的远程环境调整，如拉起遮阳网等；根据棉苗不同生长阶段和育苗环境，适时调节营养液浓度；通过湿度传感器所得数据，适时调节室内温度等。
目前，我国具有自主知识产权的无线和有线传感器，如温室内部视频信息监测传感器，如彩色一体摄像机；作物生理生态监测传感器，如叶面温度传感器，测量范围0～50℃，精度：±0.1℃；温室外部气象数据监测传感器，如室外风速传感器，测量范围1～67m/s，精度1m/s或±5%中较高值；国家农业信息化工程技术研究中心研制的温室内部环境监测（包括光照、空气和土壤）传感器，如土壤湿度传感器，量程0～100%，精度±3%；另外还有营养液成分感知和农产品物流配送监控等感知设备，共6大类，约30小类。这些传感器实时或定时感知各节点数据，将其利用本地数据采集器显示以及通过汇聚节点传输到基地监控中心。
因此，智能温室是工作人员摆脱繁重的工作，通过手机、电脑等远程控制，提高了工作效率，使育苗阶段更加科学化，从而提高了棉苗的生长质量。
2、物联网的网络层。利用无线传输（如移动的GPRS）和有线传输技术传输由传感器节点采集到的温室信息（数据），利用控制器、执行器与网络终端控制室内的设备，并利用它们维持室内适宜的环境，再反向传输物联网应用层输出的决策信息。其中具体流程有：
（1）通过基于低功耗个域网协议和无线宽带（WIFI）自组织网络终端连接不同的传感器设备，以实现对温室内各种数据的自动获取，并实现数据在温室中继设备汇聚；再由执行控制器设备中的自组织网络终端实现传感器与执行控制器的互动，如当温室内部温度过低时，温度传感器借助该网络将数据发送到通风机控制器上，从而控制温室通风口关闭。这里的自组织网络提高了温室内传感器放置位置的灵活性和传感器数据获取的可靠性。
（2）利用温室设备内的自组织网络与温室内的有线网络，将收集到的数据备份，直接接入互联网，并将数据最终传输到控制中心。其中，以有线网络为主要传输媒介，以中国移动或中国联通的无限网络为辅助传输网络。
（3）可以在安装无线宽带传输网络后，远程对温室内进行实时视频查看，并对指定区域内进行抓拍、定时录像等功能。
3、物联网的应用层。该层主要通过对收集的数据进行分析和总结，并进行下一步的反馈和控制。总结年度棉花标准化生产技术方案，提供专业的、系统的系统应用服务，形成智能化的解决方案集。如通过专家对棉花的病虫害长势等进行诊断并提出解决方案，再反馈到智能温室中。与此同时，通过有线、无线传输技术与互联网等实现移动手机、平板电脑等设备成为应用系统终端，发送控制和决策信息。因此，根据棉花农业产前、产中、产后的过程，依托网络平台，设置棉花农业自动化节水灌溉、温室环境综合控制、肥水药调控管理等反馈控制设备；通过开发智能决策应用系统，实现环境综合调控，如肥、水、药智能控制，作物生长监控，病虫害远程诊断、监控预警和指挥决策等。
四、物联网应用于现代棉花农业待解决的问题
虽然物联网发展迅速，在农业中也得到应用，而且前景广阔，但就目前而言，物联网技术在我国农业应用中的推广与普及还面临着许多困难，存在了许多问题。其中主要有成本问题、技术人员缺失问题以及标准化体系缺失问题、存在安全隐患等。
成本问题：根据实验过程中存在的困难和解决办法，物联网在我国棉花农业应用中存在诸如资源不足、传感器和其他相关设备成本费用高、地理环境受到限制等很多问题。当真正大规模将物联网投入棉花农业中时，解决这些问题需要大量的资金支持，而这些资金远远超过了棉花本身的成本。
技术标准和技术人员缺失问题：首先，发展物联网必然伴随着发展通信技术，而各种系统的通信协议还未达成统一的标准，从物联网行业技术出发，目前主要缺失接口的标准化和数据模型的标准化；其次，IPv4地址的不足，阻碍了物联网的发展，就物联网而言，将物与物连接，而且每个物品的电子标签信息最终都要传输到为网络当中，因此每个物品都要有一个IP地址，所以IPv4是不够的，必须使用IPv6，而二者的兼容与过渡在短时间内很难完成；第三，中国是物联网的发起者，但我国的物联网展业还处于初级阶段，技术不够成熟，缺乏大量技术人才。
五、结语
就农业而言，物联网在农业中的应用正处于萌芽阶段，随着其技术的发展与应用，物联网在农业中的应用具有更大、更广的发展空间。我国作为农业大国，物联网技术及其发展对我国农业以及我国棉花农业的发展具有举足轻重的意义。因此，我们更应该抓住机遇，迎接挑战，紧跟时代发展的步伐，早日将物联网技术更广泛地应用于我国现代农业，广泛应用于我国现代棉花农业。
（作者单位：德州学院）
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