大數(shù)據(jù)時(shí)代無(wú)線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

鄧鋒

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是集分布式存儲(chǔ)技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種技術(shù)于一身的綜合性、交叉性技術(shù)，有學(xué)者將它稱之為傳感網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出，主要用于實(shí)現(xiàn)自然世界中的物與物的鏈接，從微型傳感器設(shè)備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的傳輸，采用智能組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地到達(dá)使用用戶的終端，完成了智能設(shè)備、人、網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸中具有重要地位，具備信息采集方式多元化、信息感知多渠道性的特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有潛力的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);無(wú)線傳感技術(shù);大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng)

引言

近年來(lái)，我國(guó)高度重視農(nóng)業(yè)信息化與現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥、病蟲害防治、環(huán)境智能調(diào)控、智慧水產(chǎn)、智慧畜禽業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展尚處于初期探索階段，主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)上，存在規(guī)模小、成本高、見效差等問(wèn)題。相較于荷蘭、以色列、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我國(guó)還存在農(nóng)業(yè)專用傳感器缺乏、農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合不夠等缺點(diǎn)。要加快我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用推廣進(jìn)程，必須突破農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研制出符合我國(guó)國(guó)情的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)裝備與系統(tǒng)，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合應(yīng)用，發(fā)揮信息在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的潛在價(jià)值，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)注入新活力。

1 大數(shù)據(jù)的概念及研究進(jìn)展

自21世紀(jì)以來(lái)，隨著資訊類型與規(guī)模劇增，數(shù)據(jù)以前所未有的速度與數(shù)量加速積累，人類社會(huì)正式進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為中心的傳統(tǒng)學(xué)科（諸如基因組學(xué)、信息科學(xué)、天體物理學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)科學(xué)等），其數(shù)據(jù)來(lái)源與渠道呈現(xiàn)出多元化，催生了有效整合與深度挖掘多源海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)需求;與此同時(shí)，谷歌、臉書、百度、阿里巴巴等全球知名互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)巨頭所運(yùn)營(yíng)與處理的客戶信息逐漸增加，已經(jīng)相繼突破TB級(jí)別，達(dá)到了PB，甚至EB數(shù)量級(jí)規(guī)模。大數(shù)據(jù)的定義為利用常用軟件工具獲取、管理和處理數(shù)據(jù)所耗時(shí)間超過(guò)可容忍時(shí)間的數(shù)據(jù)集合，其結(jié)果必須借助計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對(duì)與解析。大數(shù)據(jù)的興起與應(yīng)用引起了學(xué)術(shù)界的高度重視，2008年《Nature》出版發(fā)行了《Big Data》?？?，重點(diǎn)探討大數(shù)據(jù)對(duì)于經(jīng)濟(jì)學(xué)、超級(jí)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等領(lǐng)域帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn);2011年《Science》也推出《Dealing with Data》專欄，就大數(shù)據(jù)理論研究過(guò)程中存在的一系列重大爭(zhēng)議性議題進(jìn)行了探討，指出了大數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)科學(xué)研究與大眾生活的重要應(yīng)用價(jià)值。2012年，歐洲信息學(xué)與數(shù)學(xué)研究協(xié)會(huì)會(huì)刊《ERCIM News》出版?？禕ig Data》，探討大數(shù)據(jù)時(shí)代下密集型數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)獲取技術(shù)等重大問(wèn)題，并介紹了歐洲科研機(jī)構(gòu)所取得的最新進(jìn)展。在此背景下，2012年6月由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇組織舉辦的以“大數(shù)據(jù)時(shí)代，智謀未來(lái)”為主題的學(xué)術(shù)研討會(huì)，就國(guó)內(nèi)外大數(shù)據(jù)挖掘處理、技術(shù)體系構(gòu)建、平臺(tái)開發(fā)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用案例最新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)討論，為我國(guó)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域后續(xù)研究奠定了良好基礎(chǔ)。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，已經(jīng)有很多學(xué)者針對(duì)大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用展開了研究，并且取得了一定的成果。對(duì)于其在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方面進(jìn)行研究可以看出，我國(guó)的農(nóng)業(yè)栽培、防蟲防害、環(huán)境監(jiān)管和育種的工作都用到了大數(shù)據(jù)技術(shù)。目前針對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)展開的研究更加深入，以至于能夠更加精準(zhǔn)的提取出遙感圖像中蘊(yùn)含的信息，這些信息能夠更為精確地反映出氣象問(wèn)題和環(huán)境因素造成的影響。但是，對(duì)于我國(guó)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，在其中應(yīng)用大數(shù)據(jù)的情況仍然處于初步階段，雖然已經(jīng)獲得了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求來(lái)說(shuō)，仍然存在不足，需要進(jìn)一步的提升大數(shù)據(jù)技術(shù)水平，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3 大數(shù)據(jù)下無(wú)線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

3.1 旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉精細(xì)化管理

眾所周知，制約旱區(qū)、半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因子為水分供給，因而在不同種植模式、作物類型下的灌溉耗水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及全周期測(cè)算分析對(duì)于確保旱區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的可變速灌溉設(shè)施，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組件和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，研發(fā)出一套可根據(jù)土壤濕度變化而自動(dòng)感測(cè)與實(shí)時(shí)控制的智能灌溉系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)（Io T），初步搭建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，通過(guò)硬件組件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及軟件過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)其精密控制與信息收集，并且在反饋回路中分析和監(jiān)控來(lái)自傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)先計(jì)算結(jié)果激活控制程序設(shè)備閾值。設(shè)計(jì)由傳感器和微控制器為物理核心組件，運(yùn)用RFID模塊收集、傳輸傳感器數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)Arduino Nano和繼電器與控制單元相銜接，農(nóng)戶基于上述自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)可設(shè)定特定作物所需要的水位，提供可承受的低成本、低功耗旱區(qū)灌溉解決方案。將Zig Bee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）空間信息處理系統(tǒng)相結(jié)合組建節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用CC2530為無(wú)線節(jié)點(diǎn)，以單片機(jī)為控制核心、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心為核心物理基礎(chǔ)，實(shí)施對(duì)土壤墑情和作物用水狀況精準(zhǔn)管理。

3.2 加大人才隊(duì)伍建設(shè)

隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，在各種技術(shù)推動(dòng)的過(guò)程中都離不開人才支撐和科技創(chuàng)新。雖然現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展能夠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式帶來(lái)巨大變革，但是其中離不開技能人才的支持。當(dāng)前在將互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的過(guò)程中，出現(xiàn)專業(yè)人才短缺的問(wèn)題。對(duì)此，在實(shí)際農(nóng)業(yè)建設(shè)發(fā)展的過(guò)程中就需要打造更為強(qiáng)大的人才隊(duì)伍。與此同時(shí)，可以將職業(yè)教育與農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)相結(jié)合，不斷加強(qiáng)校企合作與產(chǎn)教融合，讓學(xué)校能夠更有針對(duì)性地培養(yǎng)更多高素質(zhì)的勞動(dòng)和技能人才。對(duì)此，科研單位與企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極開展合作，建立聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)企業(yè)與院校之間的合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與資源共享，打造更為專業(yè)的人才隊(duì)伍，推動(dòng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展。

3.3 群體智能

目前，人類群體和數(shù)據(jù)作為互聯(lián)網(wǎng)傳播的紐帶，已經(jīng)使移動(dòng)通信得到了廣泛的普及。如今人工智能發(fā)展的信息環(huán)境與從前也大不相同，智能化的全面普及讓群體的智慧充分的發(fā)揮出理想的效果，并且創(chuàng)造了智慧農(nóng)業(yè)這種全新的形式。然而，由于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在我國(guó)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全面的覆蓋，農(nóng)業(yè)信息在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建不完善的情況下，很難得到信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的共享，這使得人們所接收到的信息可能會(huì)在一定程度上缺乏實(shí)效性。但是，隨著農(nóng)業(yè)共享經(jīng)濟(jì)的不斷推進(jìn)，在農(nóng)產(chǎn)品交易之中，會(huì)融合更多信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的內(nèi)容，使其應(yīng)用的更為廣泛，最終為農(nóng)業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語(yǔ)

盡管無(wú)線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得一系列重要進(jìn)展，特別是近 5 年來(lái)隨著大數(shù)據(jù)思維、技術(shù)以及研究范式的引入、融合與創(chuàng)新應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能及其智能設(shè)備等新興信息技術(shù)的無(wú)線傳感系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取、傳輸轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)管理等方面已經(jīng)具有明顯進(jìn)步，對(duì)于農(nóng)業(yè)環(huán)境、作物生理等方面的監(jiān)測(cè)效度、精度與適應(yīng)性具有明顯提升。

參考文獻(xiàn)

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