1.物聯(lián)網(wǎng)的概念及其體系構(gòu)架
1.1.物聯(lián)網(wǎng)的概念
物聯(lián)網(wǎng)就是將所有物品通過射頻識別(RFID)等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理的網(wǎng)絡(luò)。2005年，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，對“物聯(lián)網(wǎng)”的涵義進行了擴展。報告認為，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體都可以通過因特網(wǎng)主動進行信息交換，射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。2009年9月，在北京舉辦的“物聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)環(huán)境中歐研討會”上，歐盟委員會信息和社會媒體司RFID部門負責(zé)人LorentFerderix博士給出了歐盟對物聯(lián)網(wǎng)的定義：物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標(biāo)識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。物聯(lián)網(wǎng)將與媒體互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起構(gòu)成的未來的互聯(lián)網(wǎng)。
可見，物聯(lián)網(wǎng)是在“互聯(lián)網(wǎng)”概念的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到物體，是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)至今尚無統(tǒng)一的定義，從技術(shù)層面對其進行闡述是指物體通過裝入射頻識別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描儀或其他智能感應(yīng)裝置，按約定的協(xié)議，與互聯(lián)網(wǎng)相連，形成智能網(wǎng)絡(luò)，物品間可自行進行信息交換和通訊，管理者通過電腦或手機，可實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理的特征。
1.2.物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架體系
現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用尚未建立起一套標(biāo)準(zhǔn)的、開發(fā)的、可擴展的物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的建議，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、中間件層和應(yīng)用層組成。而當(dāng)前普遍認為物聯(lián)網(wǎng)可劃為一個由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的3層體系。
1.2.1感知層感知層要解決的重點問題是感知、識別物體，通過RFID電子標(biāo)簽、傳感器、智能卡、識別碼、二維碼等對感興趣的信息進行大規(guī)模、分布式地采集，并進行智能化識別，然后通過接入設(shè)備將獲取的信息與網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)單元進行資源共享與交互。
1.2.2網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)信息的傳輸，即通過現(xiàn)有的三網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng))或者下一代網(wǎng)絡(luò)NGN(NextGenerationNetworks)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計算。
1.2.3應(yīng)用層應(yīng)用層完成信息的分析處理和決策，以及實現(xiàn)或完成特定的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù)，以實現(xiàn)物與物、人與物之間的識別與感知，發(fā)揮智能作用。
物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣闊，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保、氣象、城市、交通、金融、市場、安全、物流等。
2物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可細分為標(biāo)識、感知、處理和信息傳送4個環(huán)節(jié)，因此物聯(lián)網(wǎng)每個環(huán)節(jié)主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。
2.1射頻識別(RFID)技術(shù)
RFID是物聯(lián)網(wǎng)中信息采集的主要源頭，在整個物聯(lián)網(wǎng)體系中十分重要。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，具有讀取距離遠(可達數(shù)十米)、讀取速度快、穿透能力強(可透過包裝箱直接讀取信息)、無磨損、非接觸、抗污染、效率高(可同時處理多個標(biāo)簽)、數(shù)據(jù)儲存量大等特點，是唯一可以實現(xiàn)多目標(biāo)識別的自動識別技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品通過特定的信息讀寫器時，標(biāo)簽被讀寫器激活并通過無線電波將標(biāo)簽中攜帶的信息傳送到讀寫器以及信息處理系統(tǒng)，完成信息的自動采集工作，而信息處理系統(tǒng)則根據(jù)需求承擔(dān)相應(yīng)的信息控制和處理工作。現(xiàn)在RFID在農(nóng)畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)監(jiān)控、動物識別與跟蹤、農(nóng)畜精細生產(chǎn)系統(tǒng)、畜產(chǎn)品精細養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品物流與包裝等方面已正式應(yīng)用。
2.2傳感器技術(shù)
傳感器負責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，是物體感知物質(zhì)世界的“感覺器官”，是實現(xiàn)對現(xiàn)實世界感知的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，可通過聲、光、電、熱、力、位移、濕度等信號來感知，為物聯(lián)網(wǎng)的工作采集、分析、反饋最原始的信息。
傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的傳感器類型不斷產(chǎn)生，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。傳感器技術(shù)的發(fā)展與突破主要體現(xiàn)在兩個方面：一是感知信息方面;二是傳感器自身的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。由于微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器有向微型化、多功能化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳(multihop)中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常由傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成。
2.4網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
無論物聯(lián)網(wǎng)的概念如何擴展和延伸，其最基礎(chǔ)的物物之間的感知和通信是不可替代的關(guān)鍵技術(shù)。傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供傳送通道，而如何在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上進行增強，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求(低數(shù)據(jù)率、低移動性等)，是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)研究的重點。傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分為近距離通信和廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)兩類。傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)通信技術(shù)，常見的有藍牙、IrDA、Wi-Fi、ZigBee、RFID、UWB、NFC、WirelessHart等。
3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型時期，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化、遠程化、虛擬化、自動化成為可能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用很多，如農(nóng)業(yè)大棚標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)監(jiān)控、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全追溯、農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉等。
3.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息監(jiān)測與調(diào)控
通過在農(nóng)業(yè)大棚、養(yǎng)殖池及養(yǎng)殖場內(nèi)布置溫度、濕度、pH值、CO2濃度等無線傳感器及其他智能控制系統(tǒng)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測溫度、濕度等來獲得作物、動物生長的最佳條件，將生物信息獲取方法應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點，為大棚、養(yǎng)殖場所的參數(shù)精確調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。同時通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心，形成數(shù)據(jù)圖，使得農(nóng)業(yè)人員可隨時通過手機或電腦獲得生產(chǎn)環(huán)境各項參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化，適時調(diào)控灌溉系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施，從而獲得動植物生長的最佳條件，參數(shù)實時在線顯示，真正實現(xiàn)“在家也能種田和養(yǎng)殖”。
目前已初步形成可應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和產(chǎn)品，已在設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)田作物、野外臺站、工廠化養(yǎng)殖等領(lǐng)域示范應(yīng)用。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李道亮研究團隊基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，是集數(shù)據(jù)、圖像實時采集、無線傳輸、智能處理和預(yù)測預(yù)警信息發(fā)布、輔助決策等功能于一體的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對魚塘、蟹塘內(nèi)的溶解氧、pH值、水溫等進行在線監(jiān)測，及時調(diào)節(jié)水質(zhì)，預(yù)防各種病情發(fā)生，使水產(chǎn)品在適宜的環(huán)境下生長，農(nóng)戶足不出戶就能實時準(zhǔn)確地了解水產(chǎn)養(yǎng)殖池的環(huán)境變化，并及時進行科學(xué)處置，最終達到增產(chǎn)、節(jié)能、省工、適時用藥、減少環(huán)境污染等效果，該系統(tǒng)已在無錫水產(chǎn)養(yǎng)殖基地成功示范。
3.2農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯
農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事關(guān)人民健康和生命安全，事關(guān)經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和溯源已成為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中一個廣受關(guān)注的熱點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可加大對農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通整個流程的監(jiān)管，將食品安全隱患降至最低，為食品安全保駕護航。
目前國內(nèi)已出現(xiàn)“食品安全追溯系統(tǒng)”，集成應(yīng)用電子標(biāo)簽、條碼技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤和溯源，主要由企業(yè)管理信息系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源平臺和超市終端查詢系統(tǒng)等功能組成。消費者通過電子觸摸查詢屏和帶條碼識別系統(tǒng)的手機查詢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者和質(zhì)量安全相關(guān)信息，也可通過上網(wǎng)查詢了解更詳細的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)、加工到運輸、貯存、銷售等整個供應(yīng)鏈的全過程質(zhì)量追溯，最終形成“生產(chǎn)有記錄、流向可追蹤、信息可查詢、質(zhì)量可追溯”的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理新模式。
利用RFID技術(shù)，參照產(chǎn)品電子代碼EPC(ElectronicProductCode)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的實時采集、轉(zhuǎn)換、存儲與訪問等信息透明化框架，為農(nóng)產(chǎn)品物流供應(yīng)鏈管理和農(nóng)產(chǎn)品安全管理提供了必要的信息。
3.3動植物遠程診斷
農(nóng)村偏遠山區(qū)普遍存在的種養(yǎng)殖分散、作物病蟲害及畜禽病害發(fā)生頻繁、基層植保及畜牧專家隊伍少、現(xiàn)場診治不方便等問題，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)可解決上述難題。目前已有研究機構(gòu)開展農(nóng)業(yè)遠程診斷方面的研究，如大唐電信推出的針對農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖生產(chǎn)過程監(jiān)控和災(zāi)害防治專項應(yīng)用的無線視頻監(jiān)控產(chǎn)品---農(nóng)業(yè)遠程診斷系統(tǒng)，由前端設(shè)備、2G/3G無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、專家診斷平臺和農(nóng)業(yè)專家團隊構(gòu)成，前端設(shè)備支持多種傳感器接口，同時支持音頻、視頻流功能，可以有效地為農(nóng)業(yè)專家提供第一手的現(xiàn)場專業(yè)數(shù)據(jù);此外，農(nóng)業(yè)專家還可通過PC終端登錄該系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程控制灌溉等操作，為農(nóng)村農(nóng)業(yè)專家缺乏的現(xiàn)狀提供了解決思路。該系統(tǒng)已在山東壽光農(nóng)業(yè)基地取得良好應(yīng)用。北京市植保站牽頭研發(fā)的“基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)病蟲害生物控制專家服務(wù)平臺”已在北京和河北的100多個設(shè)施大棚內(nèi)進行了初步測試，驗證了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
3.4在農(nóng)產(chǎn)品儲運中的應(yīng)用
在農(nóng)產(chǎn)品儲運過程中，其儲運環(huán)境(溫度、濕度等)與農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)變化密切相關(guān)。研究表明，我國水果蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品在采摘、運輸、儲存等物流環(huán)節(jié)上的損失率在25%～30%，而發(fā)達國家的果蔬損失率則控制在5%以下[7]。如果能實現(xiàn)對儲運過程中環(huán)境條件實時監(jiān)測，便能保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，減少經(jīng)濟損失。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可通過各個分散的傳感器實時監(jiān)測環(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)，實現(xiàn)倉庫或保鮮庫環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測;在農(nóng)產(chǎn)品運輸階段可對運輸車輛進行位置信息查詢和視頻監(jiān)控，及時了解車廂內(nèi)外的情況和調(diào)整車廂內(nèi)溫濕度，同時還可以對車輛進行防盜處理，一旦車輛出現(xiàn)異常自動進行報警。TaoY等[8]設(shè)計了基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測、記錄運輸過程中的溫度，該系統(tǒng)監(jiān)測溫度范圍為-50～120℃，誤差±1℃，讀取距離達100m。
3.5農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉
農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉是利用傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達到自動節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時間同步等特點，使灌區(qū)面積、節(jié)點數(shù)量不受限制，可以靈活增減輪灌組，加上節(jié)點具有的土壤、植物、氣象等測量采集裝置、通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與RS和GPS技術(shù)結(jié)合的灌區(qū)動態(tài)管理信息采集分析技術(shù)、作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等，構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺。可在溫室、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健康發(fā)展。
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