农业物联网导论课件 第1章 农业物联网概述

农业物联网概述第1章1.1农业物联网的概念和特征1.2农业物联网的建设内容 1.3农业物联网的基础应用 1.4发展农业物联网的意义 1.5农业物联网的发展 1.6农业物联网网络架构 1.7农业物联网关键技术 1.8国内外农业物联网比较 1.9农业物联网标准化及其相关政策 1.1农业物联网的概念和特征1.农业物联网的概念农业物联网也称为数字农业或智慧农业，就是将物联网技术应用于农业领域。主要使用各种农业传感器（Sensor）、射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）设备、视频信息采集终端（Visualacquisitionterminal）等各种类型的感知设备，大范围实时采集与种植、畜牧、水产养殖、农产品加工、农产品流通等相关的农业信息，通过LoRa、NB-IoT等无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN）、4G（4thGenerationofMobileCommunications）/5G（5thGenerationofMobileCommunications）移动通信、Wlan宽带通信网络、远距离微波通信等技术，实现农业信息的多渠道传输和互联，并利用边缘计算等技术对信息进行汇总，借助人工智能（ArtificialIntelligence，AI）处理获取的精确信息，从而建立农业物联网智能应用系统，提高农业生产和经营的系统化、自动化、智能化水平。1.1农业物联网的概念和特征2.农业物联网的特征（1）农业生产要素的分配与管理智能化。把传感器感知、数据传输、大数据及人工智能处理、设备远程控制等技术应用于农业生产、加工及三产融合，使生产要素的分配更加合理，环境条件的调节更加科学，从而有效地提高了生产管理效率和资源利用率。（2）农业生产和经营决策有据可依。用大数据、云计算、人工智能技术处理分析农业生产及经营环节的大量信息，整理汇总后加入数据库，作为进行农业生产及经营决策的重要参考依据。（3）可全天候提供农业服务。排除外界因素的干扰，农业物联网系统可以全天候正常自主运行，实时为农业生产及管理和运营人员提供综合全面智慧服务，具有较高的性价比。（4）农业信息可信度高。将区块链技术和农业物联网相结合，区块链技术的“不可篡改”、“去中心化”等特征使得数据不易被篡改，提高了农业信息的可信度。1.2农业物联网的建设内容（1）建设智慧农业生产体系。应用物联网、人工智能、大数据、区块链、北斗/GPS定位技术、4G/5G宽带无线移动等信息化技术推动农业发展，构建智慧农业生产体系。（2）建设农产品溯源体系。获取农产品生产、加工、仓储、流通等环节的信息，上传至农产品溯源系统，供追溯农产品质量安全信息使用。（3）构建智慧管理与服务体系。强化农业物联网应用，推动农业生产向智能、集约方向发展；利用物联网优化农产品监管，规范生产管理制度，发挥政府在农产品质量安全监管中的作用；建设物联网平台提供生产管理服务，方便经营者确定农业发展重点。（4）提高农业装备的智能化水平。农业装备智能化是实现农业生产管理智能化的基础。它通过支持高效、实时的信息获取和安全、准确的数据传输，赋予农业装备计算、通信、预警和自动控制功能，形成综合的农业管理网络，实现精准的农业生产和运营管理。（5）促进农业大数据和人工智能发展。农业大数据和人工智能的应用是农业生产和管理水平提高的重要体现。云管控平台在农业大数据分析的基础上开展智能决策；人工智能技术参与农业的生产和经营活动，提高管理效率，形成以数据为驱动力、智能设备为生产工具的智慧农业生产和经营模式。1.3农业物联网的基础应用农业物联网的基础应用可以归结为以下几种：（1）智慧种植、养殖。以人工智能和大数据建模技术创造出能够满足农产品生长需求的环境，并在其中安装传感器用于监测温度、湿度、光照、CO2等环境参数。所得数据传输至计算机平台进行分析处理，作为智能控制系统调控种植及养殖环境调节设备的依据。（2）开放式种植场及养殖场管理。开放式种植场和养殖场主要通过大面积大节点无线传感组网设计、自动化监测控制来帮助种植户和养殖户实现低成本、高收益的智能化种植、养殖管理。（3）生产自动化控制系统。农业生产自动化控制系统可以根据土壤肥力或溶解氧含量等情况，监测和判断农机设备灌溉或增氧时长、灌溉或增氧量，可以自动开始、结束灌溉或增氧，实现这些功能需要充分发挥智能终端的控制作用。（4）管理及运营。农业物联网对农业生产各环节及使用的设施设备实行智能化管理，同时对农产品加工、流通、销售等过程进行全流程实时监控，并建立农产品溯源系统，从而提高农业管理及运营效率。1.4发展农业物联网的意义（1）为选择、改善农产品生产环境提供科学依据。（2）提高农业种植养殖管理精准度。（3）提高农产品品质，减少污染。（4）把控农产品生长状况和采收时间，协调投入产出比例。（5）使管理和运营效率得以明显提高。（6）保障农产品的质量安全。（7）全面推动农业产业发展。1.5农业物联网的发展1.5.1农业物联网发展的基本情况1.国际数字农业联盟国际数字农业联盟由国际电信联盟和联合国粮农组织共同发起，致力于推广数字农业应用，主要内容包括：·全球数字农业国家战略计划（NationalStrategy）·数字农业实行计划（E-agricultureActionPlan）·数字农业框架建设（E-agricultureFramework）2.全球农业物联网发展战略国际电信联盟和联合国粮农组织合作研究制定了《农业物联网战略指南》，其中的农业概念涵盖了种植业、畜牧业、渔业、林业等领域。农业物联网发展的优先事项包括：（1）为农业企业开发信息通信技术应用，提升生产效率，推动智慧农业教育和培训，并创建农业物联网服务平台。（2）设立移动运营商，提高农村宽带和移动宽带服务覆盖率，增强智能手机普及率。（3）审查法律框架，调整政策，增加对智慧农业发展、资源管理、信息通信技术基础设施的财政支持，促进研究和发展。（4）创建农业物联网市场，拓展国内外市场，吸引投资，通过保险、现金流管理等措施降低农业企业风险。（5）完善农业信息收集框架，统计与农业生产相关的信息，整合数据资源并传送至数据库，实现数据管理的统一化。（6）建设农产品质量安全溯源系统，确保农产品来源可追溯。（7）建立农业参与者交流平台，加强农业利益相关者之间的沟通和协调，促进政府与民间组织、学术界和农业部门的合作，分享成功实践经验。1.5农业物联网的发展1.5农业物联网的发展3.全球农业物联网发展情况许多国家发展农业物联网的经验表明，信息化技术是应对众多农业发展挑战的有效手段。很多发展中国家75%以上的人口依靠农业为生，当地政府投资了许多信息通信技术方案，用于提高公民的信息通信技术水平和促进农业综合企业的应用开发，以此作为经济增长的引擎，推动经济向以知识为基础的中等发展水平转变。同时，将农业物联网战略嵌入到国家发展战略之中，政府对信息通信技术的投入刺激了私人投资，为开发各种农业技术手段和应用程序创造了有利环境。除此之外，政府还设立了帮助偏远地区农民获取农业信息的社区服务中心，以提高农业部门的服务水平，政策的引导和支持在发展中国家农业物联网的发展过程中发挥了重要作用。1.5农业物联网的发展1.5.2全球农业物联网发展面临的挑战农业物联网发展潜力巨大，但目前在国内外农业产业中所占比重较低，其发展普遍面临着诸多挑战：（1）缺少农业专家，相关政策缺少对农业价值链参与者的激励，大多数农业劳动者前往城市寻找有薪工作，农业劳动力急剧减少。（2）由于城镇化的发展，农业劳动力成本大幅提高。（3）农业劳动力平均年龄快速增长。（4）农业和非农业部门之间合作基础薄弱，对农业的投资少，农业预警机制、病虫害管理系统、食品安全和质量管理设施等配备不足。（5）数据统计不及时；信息共享机制不健全。（6）部分农村和边远地区宽带通信基础设施落后。（7）农业标准化和数据库建设较弱。1.5农业物联网的发展1.5.3农业物联网的发展趋势和特点1.发展趋势在现代化农业的发展过程中，农业生产管理科学化、智能化、网络化、集约化的趋势日益明显。（1）技术发展趋势。结合信息感知、无线通信、大数据、云计算、人工智能、区块链等技术，推动农业转型升级。在信息采集方面，传感技术、视频监控技术将全面应用于育苗育种、种植养殖、产品收获、加工、运输、储藏等环节；在传输网络方面，无线传感器网络、4G、5G将为农业发展提供更大的驱动力；在应用服务方面，农业云平台大数据应用更加广泛，农机自主作业更为普遍；物联网与区块链结合为农业信息管理和金融服务提供便利。（2）业务发展趋势。农业物联网业务范围已从最初的种植养殖监控，发展精细农业，扩展到包括种植养殖、加工、运输和销售全链条的溯源系统，以及结合智慧农业、生态环保、文旅等的美丽乡村、田园综合体和智慧农业文旅等领域。1.5农业物联网的发展2.发展特点（1）技术壁垒高。集新兴的现代农业、物联网、大数据、人工智能、区块链、移动通信等技术为一体，技术壁垒高。（2）开发空间大。农业物联网平台具有智能、复杂的特点，加上物联网大范围自组网、实时定位，在模块选择、核心算法等方面的研发难度高，因此产品开发空间大，不易出现市场垄断局面。（3）产品定制需求增加。为满足不同用户特定的业务需求，需定制开发产品，提升性能、安全可靠性和应用适应性。（4）技术要求日渐规范。国际标准化组织(ISO)、欧洲电信标准化协会(ETSI)、国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码委员会(UCC)合作创办的EPCglobal等国际标准化组织大力推进传感器技术、无线通讯技术和射频识别技术等的标准化，加快了物联网标准化进程。1.6农业物联网网络架构农业物联网平台系统采用了物联网建设发展过程中的主流和成熟技术，其网络架构分为三层，即感知层、传输层、处理和应用层，如图1-2所示。图1-2农业物联网网络架构1.6农业物联网网络架构1.感知层感知层的主要功能在于把农业数据通过摄像监控单元、GPS/北斗定位、传感器模组、多网关、无线传感器网络和宽带移动通信网络等设备和系统转化成数字化信息或数据。2.传输层传输层的主要功能是将传感器采集到的农业信息，通过ZigBee、Wlanmesh网络、LoRa（LongRange）、NB-IoT（NarrowBandInternetofThings）、4G/5G等进行汇总。传输层负责信息的初步处理和传递，是农业物联网的核心区域之一，决定了系统的稳定性、可靠性、准确性等。3.处理和应用层处理和应用层融合、处理、分析来自传输层的信息接着开展智能决策，实现智能化应用。处理和应用层将农业物联网与用户紧密联结在一起，并结合农业物联网行业的需求，最终实现农业发展的智能化。1.7农业物联网关键技术1.农业信息感知技术使用传感器、射频识别、北斗/GPS、无线远程视频监控等技术，感知农业生产过程中的环境、农作物、畜禽、水产品等的生长信息，以及生产设备运行和产品流通信息。这些感知信息成为决策的依据，支持农业生产、管理和销售的各个环节。2.农业信息传输技术通过自组织的方式构建无线传感器网络，将传感器采集的信息传输至处理平台。采用Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、LoRa、4G和5G等无线通信网络进行信息传输，连接感知和处理的环节。3.农业信息处理技术包括数据库设计、数据挖掘、云计算、神经网络、图像处理、地理信息系统（GIS）等技术。农业相关主体可以将经过处理的信息应用于生产经营的各个环节，通过科学的农业生产和经营实践，提高效率。1.8国内外农业物联网比较1.8.1国内外农业物联网应用现状1.国内外农业物联网应用情况（1）农业育种。通过物联网监测育种过程的详细参数，调节培育环境，确保环境与种子的生长需求相匹配，实现精准化育种。（2）农作物种植。应用物联网进行种植环境监测与调控、农作物生长情况分析、病虫害监测与防治、浇水施肥用药管理、种植设备控制，实现农作物种植的精准化监测与控制。（3）畜禽及水产养殖。利用传感器、摄像头等设备监测养殖环境，畜禽和水产的生长情况，实现对环境、饲养操作等的智能控制，提高养殖效率。（4）农产品质量安全管理。通过采集多项数据进行集中管理，建立农产品质量安全追溯系统，为生产者、消费者及监管者提供服务，及时找准问题源头，采取处理措施。（5）农业资源调控。建立物联网平台，统一存储农业资源信息，通过数据处理、分析对资源使用效率、使用合理性等进行科学判断，实现农业资源的科学调控。1.8国内外农业物联网比较2.我国农业物联网市场需求（1）我国农业生产技术及效率亟待提升。目前我国农业领域多存在生产效率低、生产消耗高、产量及质量难以保障等问题，农业发展可持续水平低。要从根本上提高农业生产效率、效益及可持续水平，关键在于应用技术手段发展农业生产，其中也包括对物联网的应用。（2）我国农业生产模式亟需改进。我国农业生产普遍存在凭经验进行决策、资源利用效率低、对环境污染严重等问题。因此建设农业物联网生产管理模式，用数据和技术指导生产，这不仅能够让生产管理更加科学，减轻农民劳动负担，突破农业信息获取困难、智能化操作程度低等瓶颈，还能促进环境友好型农业的发展，把弱势的传统农业转变为高效率的现代农业。1.8国内外农业物联网比较1.8.2国内外农业物联网性价比比较1.技术及创新（1）技术研发和创新能力。我国农业物联网的技术研究相对滞后，缺乏创新理念和原创性成果。与发达国家相比，在关键技术的研究上起步晚，技术理论基础薄弱，设计制造方面与国外存在较大差距。（2）“产学研”结合程度。我国农业物联网领域存在产学研不协调的问题，技术研发主要集中在高校和研究所，但转化到实际应用的率较低。企业提供的服务主要局限于简单的视频监控和传感器监测，缺乏新产品设计和应用创新能力，无法有效解决农业生产问题。1.8国内外农业物联网比较2.产品及应用（1）建设完整物联网平台的能力。多数企业专注于农业物联网终端设备和软件开发，仅有少数企业能够完整建设农业信息化平台，缺乏整体产业化应用能力。（2）农业物联网应用成本。我国农业物联网应用范围有限，而且大多数应用成本高昂。产品开发成本和市场价格高，难以满足农业企业的承受