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农业物联网与传感仪器研究进展

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资料介绍

农业物联网系统包括感知、传输和应用3个层次.传感仪器是感知层的核心,包括利用传感、遥感等先进技术手段获取作物、土壤、环境等农业多维信息;传输层包括Zigbee、GPRS、WIFI、蓝牙等无线传输方式和网络技术结合形成无线传输网络;应用层包括多维信息融合、智能决策、自动控制等农业智能化管理.对农业物联网的3个层次分别展开了系统分析,提出了农业物联网研究方向,展望了农业物联网系统在现代农业中的发展趋势.

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2 0

3年10月

农业机械学报

第44卷第10期

doi：10．6041／j．issn．1000-1298．2013．10．035

农业物联网与传感仪器研究进展幸

何

飞

勇

聂鹏程

刘

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058)

摘要：农业物联网系统包括感知、传输和应用3个层次。传感仪器是感知层的核心，包括利用传感、遥感等先进技

术手段获取作物、土壤、环境等农业多维信息；传输层包括Zigbee、GPRS、WIFI、蓝牙等无线传输方式和网络技术结

合形成无线传输网络；应用层包括多维信息融合、智能决策、自动控制等农业智能化管理。对农业物联网的3个层

次分别展开了系统分析，提出了农业物联网研究方向，展望了农业物联网系统在现代农业中的发展趋势。

关键词：农业物联网传感仪器光谱检测控制

中图分类号：TP393．t8：F304；S127

文献标识码：A

文章编号：1000—1298(2013)10旬216．1l

Advancement and Trend of Internet of

Things

and

Instrument

Agriculture

Sensing

Nie

Liu Fei

Yong

Pengcheng

and Food

Science，Zhejiang University，Hangzhou 10058，China)

(College of Biosystems Engineering

internet of

Abstract：The

consisted three

things(IOT)in

agriculture

layers，including perceive，

and

were used to

the information of and

crops，soil

transportation

application．The perceive layer

acquire

environment．The

was used to establish the

network of lOT

transportation layer

the

transportation

and the

agricultural by combing

techniques

GPRS，Zigbee，WIFI，Bluetooth

intelligent

methods．The

networking

focused on the

agriculture，including

process layer

intelligent management

multidimensional information

decision and automatic

a1．The

control，et

include three

fusion，intelligent

key problems，

research

and

fields of IOT in

were discussed in detail

layers

emphasis

application

agriculture

and

trend of lOT in

in modern

was

analyzed．The prospect

development

agricultural

agriculture

put

forward．

instrument

Control

words：Internet

Key

things

agricultural Sensing

Spectrum Gauging

各国的高度重视。物联网主要包括3个层次：感知

层、传输层与应用层。农业传感仪器是物联网中的

感知层，是人类了解作物需求的眼睛；农业物联网传

输层是农业信息传递的介质，也是农业信息实时动

态获取的技术保障；物联网应用层是实现对农作物

安全生产、加工、流通的监控与智能化管理的手段。

农业物联网3个层次的研究与发展将会影响现代农

业的发展进程，将会对整个农业生产体系的变革产

生巨大的作用。

引言

农业要实现高产、优质、安全地可持续发展，必

须借助科学的手段，充分利用信息化与智能化管理

技术建立起农业生产、加工、流通的规范化管理体

系。我国农业正处于传统农业向现代化农业的转型

时期，全面实践这一新技术体系的变革，农业物联网

与传感仪器将会发挥独特而重要的作用，也为现代

化农业发展提供了前所未有的机遇。

本文主要对农业物联网的3个层次和农业传感

物联网技术作为21世纪的新兴技术，得到世界

收稿日期：2013—08—12修回日期：2013—08—20

+国家自然科学基金重点资助项目(31071332)和国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AAl00705)

作者简介：何勇，教授，博士生导师，主要从事数字农业与农业物联网研究，E-mail：yhe@zju．edu．cn

217

何勇等：农业物联网与传感仪器研究进展

第10期

变化趋势相似，所以可以通过测定叶绿素含量来监

测植株氮素营养‘“。Liu等研究了利用光谱技术检

测油菜叶片养分含量，获得了较好的效果。“。何勇

等采用可见／近红外光谱技术进行了油菜、黄瓜等叶

片SPAD值的无损检测。“。对于作物氮素含量的无

仪器与感知方法进行分析，提出每个层次的发展研

究方向，展望农业物联网的发展前景与趋势。

1农业物联网感知层

感知层是农业物联网获取农业生产信息的关键

损检测研究，主要采用机器视觉技术、光谱分析技术

以及多光谱与高光谱成像技术。Ahmad等评估了

缺水和缺氮造成的植株颜色变化。“。Inoue等采用

波长400～900 nm范围的可见／近红外光谱建立了

多元回归模型，对水稻叶片的氮含量和叶绿素含量

进行了预测，决定系数尺2分别达到了0．72和

0．86‘“。Cui等研究了作物叶片氮含量与光谱的定

量检测模型。9。。Shao等研究了水稻叶片氮积累量

手段，也是目前农业物联网发展技术瓶颈之一。先

进的传感仪器将是推动农业物联网发展的关键因

素，农业物联网区别于其他物联网在于感知层所感

知的对象不同。农业物联网主要面向农业生产、加

工、流通领域。目前，在植物与土壤信息感知方面，

传感器的稀缺是制约土壤与植物信息感知的最主要

因素。研制新型低功耗植物信息与土壤养分信息传

感器是目前农业物联网技术发展急需解决的问题。

与反射光谱的定量关系’m1。杨海清等应用可见／近

红外光谱技术进行了油菜叶片SPAD值的无损检

测。。在光谱成像技术应用方面，Noh等建立了多

光谱图像和作物氮素胁迫的关系模型一“。冯雷等

用3CCD多光谱成像技术建立了油菜植被指数和叶

绿素仪测量值的定量关系Ⅲ1。杨玮等采用CCD照

相机加滤光片获取多光谱图像进行了黄瓜叶片等的

何勇等在植物养分、生理与土壤信息检测方面研制

了相关传感仪器。““，如图1、2所示。

骧一

氮含量检测‘14。。刘飞等应用光谱和机器视觉技术

等快速检测方法获得了黄瓜叶片的氮含量和叶面积

指数。”。、油菜冠层特征参数‘”。。Zhang等应用高光

谱成像技术建立了油菜叶片养分预测和可视化分布

图，获得了满意的预测结果‘ 。

(c)

(d)

图l 植物生理生态信息感知仪器

Instrument of

information

sensing

Fig．1

plant

physiological

1．1．2植物生理生态信息动态监测技术

(a)植物冠层信息光谱仪 (b)植物叶面积仪

(c)植物养分检测仪 (d)植物二波段冠层仪

国内外应用光谱技术、多光谱成像技术、高光谱

成像技术等进行植物生理信息检测的研究才刚刚起

步，浙江大学率先在此领域进行了大量的探索工作，

取得了一定的成果。在植物生理信息中氨基酸类物

质的检测研究方面，刘飞等应用近红外光谱技术结

合连续投影算法(SPA)实现了油菜在正常生长和除

草剂胁迫下叶片氨基酸总量(TAA)、脯氨酸、的快

速无损检测。”“ 。孙光明等应用近红外光谱技术

实现除草剂胁迫下油菜叶片中脯氨酸含量的快速检

测‘“1。刘飞等应用可见／近红外光谱技术实现了油

图2 土壤养分信息感知仪器

Soil nutrient information

instrument

sensing

Fig．2

植物、土壤、环境信息的感知技术不仅包括理化

性质检测，也包括利用光谱、多光谱、高光谱、核磁共

振等先进检测方法。“。

菜叶片中乙酰乳酸合成酶(ALS)、可溶性蛋白、非可

溶性蛋白、总蛋白的快速无损检测∞卜23]。Bao等应

用可见／近红外光谱实现了除草剂胁迫下大麦叶片

总氨基酸含量的快速检测‘”。。Bao等应用近红外

光谱技术实现了除草剂胁迫下油菜谷氨酸含量的快

速检测。”。。Kong等应用可见／近红外光谱技术结

合高斯回归等方法实现了大麦叶片超氧化物歧化酶

的快速检测‘26。。在植物生态信息检测研究方面，刘

1．1

光谱技术在农业信息感知中的应用

1．1．1植物养分信息检测技术

国内外对植物生长信息中的植物养分诊断的研

究和应用起始于19世纪。目前国内外植物营养诊

断的手段有外观诊断、化学诊断、叶绿素计氮营养诊

断和光谱诊断等。氮素是影响作物生长与产量的主

要因素之一。由于叶片含氮量和叶绿素含量之间的

伟东等建立了光谱发射率与一阶微分反射率和叶面

area

积指数(Leaf

index，LAI)之间的相关关系旧“。

218

农业机械学报

Patel等利用植被反射光谱的红边参数反演叶面积

害远程可视化诊断监控技术和设备对及早发现和防

治虫害的发生和发展尤为重要。

指数Ⅲ3。

1．2

1．1．3植物病害及农药等非生物胁迫信息检测技术

早期发现并确定作物病害的发生，可以提高施

药决策防治的针对性和准确性，从而做到对症下药，

按需施药，并有效降低均匀施药带来的环境污染和

核磁共振成像技术在农业信息感知中的应用

resonance

核磁共振成像(Magnetic

imaging，

MRI)是一种先进的非接触式无损检测方法，在作物

根系形态获取和农产品品质检测方面已有探索应

用。在作物根系形态测量方面，传统的根系研究方

法包括挖掘法、土钻法、根室法、微根管法和同位素

法等H“。上述研究方法大都属于破坏性方法，对作

物的生长发育有一定的影响，且在实施根系测量过

程中易于产生误差，获取的根系信息有限，而采用无

土栽培方法存在与实际生长环境下根系形态发育不

等效等瓶颈问题。随着X射线计算机层析成像

(XCT)和核磁共振成像(MRI)等先进技术的发展，

为实现作物根系的原位无损检测提供了有效的手段

和方法。Heeraman等利用XCT技术对生长在PVC

容器中14D大小的豆科作物实现了根系的原位定

量研究。。Kaestner等利用4个月大生长在天然

药品浪费。传统的作物病害信息获取方法通常是借

助显微工具或者肉眼直接判别病害的种类和程度，

存在主观性强、工作量大、覆盖范围窄、效率低、成本

高等缺点，不适用于精准农业对作物病害信息快速

获取的需要。作物当受到病害侵染后，外观形态和

生理效应均会发生一定的变化，与健康作物相比，某

些光谱特征波段值会发生不同程度的变异，使得采

用图像处理技术、光谱分析技术，以及多光谱和高光

谱成像技术等进行作物病害快速检测成为可能。在

植物病害信息快速检测技术研究方面，Adams等利

用大豆黄痿病光谱二阶导数设计的发黄指数对病情

评价进行了研究。2 。刘飞等研究了水稻冠层光谱

的叶瘟诊断研究∞0|。冯雷等利用多光谱成像技术

对水稻叶瘟进行了早期的分级检测。3“。孙光明等

冰碛土的桤木根XCT数据对根系网络进行了重

建H4I。Macfall等利用MRI获得了大豆根系较为清

晰的三维图像[453。Kaufmann等应用核磁共振成像

研究了玉米根系在干旱胁迫下的响应特性” 。罗

锡文等利用多层面螺旋XCT设备对植物根系进行

了原位可视化的研究。4“4 。朱同林等应用多角度

二维图像合成了大豆根系三维结构p 。张建锋等

应用核磁共振成像(MRI)技术实现了玉米、大豆和

茄子3种作物根系的三维构型，为作物三维构型定

采用多光谱成像技术进行了大麦赤霉病的无损检

测∞2|。Chaerle等用热成像技术对植物病害进行早

期诊断和预测"“。刘飞等应用可见／近红外光谱技

术实现了油菜叶片菌核病的快速无损诊断¨ “。谢

传奇等应用高光谱成像技术实现了灰霉病胁迫下番

茄叶片SPAD值一纠和茄子灰霉病叶片过氧化氢酶

活性快速检测∞“。后续应综合应用上述技术，研究

开发植物病害远程可视化诊断监控技术和设备，实

现植物病害早期诊断和预警预报。

量描述和原位检测提供了一种新的途径∞“。

在农产品品质检测方面，张建锋等研究了芒果、

香蕉和苹果的核磁共振断层切片图像，借助于计算

机图形学技术和视觉化工具函数库Visualization

1．1．4植物虫害信息检测技术

传统的作物虫害检测方法工作量大，检测范围

小，时效性差，检测成本高。由于虫害存在活动性强

和易被遮蔽等特点，因此，要准确检测每只害虫既不

可能，也没必要。目前主要的虫害信息快速获取方

法包括声音特性检测、雷达观测、光谱分析以及图像

识别等∞71。Watson等口引开发了数字图像自动识别

系统，识别的正确率达到83％。Leckie等利用松树

冠层光谱图像，对松树蚜虫的侵害程度进行检测分

析口。Zhao等应用高光谱成像技术实现了水稻稻

飞虱侵害程度的判别Ho|。Han等应用DSP和3G

无线通信技术建立了虫害远程诊断识别系统”“。

Toolkit

5．4(VTK)，实现了其几何模型的重构，结果

表明所建几何模型的体积值与其真实值之间的误差

均小于3％，与标准方法测得结果具有很好的一致

性"2。。Taglienti等利用核磁共振成像技术研究了猕

猴桃生理变化与水分迁移对果实内部细微结构变化

的影响[533。Zhou等通过人工神经网络模型对黄花

梨赤道处的MRI切片图像进行分析，实现了黄花梨

坚实度的预测"“。周水琴等应用MRI图像结合形

态学方法实现了香梨内部褐变的诊断识别¨ “。

2农业物联网传输层

由于作物虫害检测中各个方法均存在优缺点，

未来虫害检测需要朝着多种技术相结合的组合方式

进行，多角度获得虫害信息，并进行相互验证，并将

检测的实时性和田间光谱采集环境的多变性考虑进

去，提高虫害识别的效率和精度。研究开发植物虫

农业物联网网络传输层是农业信息实时动态获

取的关键技术之一。农业物联网信息无线传输与工

业差别较大，农作物生长环境复杂，不仅气候对无线

通信有影响，而且随着作物生长状况的不断变化也

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