邊緣計(jì)算在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

引 言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一般應(yīng)用是將大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，使農(nóng)業(yè)逐漸從以人力為中心、依賴孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。

為切實(shí)促進(jìn)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展向集約型、規(guī)?；D(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程，選擇有一定工作基礎(chǔ)的省市率先開展試點(diǎn)試驗(yàn)工作。這對(duì)于探索農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論研究、系統(tǒng)集成、重點(diǎn)領(lǐng)域、發(fā)展模式及推進(jìn)路徑，提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論及應(yīng)用水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變、農(nóng)民增收有重要意義。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)兼具地域性、季節(jié)性和多樣性，由此決定了信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的復(fù)雜性和艱巨性。在工程實(shí)施過程中，通過不斷研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在不同產(chǎn)品、不同領(lǐng)域的集成及組裝模式和技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑， 逐步構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)品研發(fā)。

從全國范圍看我國農(nóng)業(yè)自然資源狀況，發(fā)現(xiàn)我國的氣候、土地、水和生物資源分別具有以下特點(diǎn)：

(1) 光、熱條件優(yōu)越，但干濕狀況地區(qū)差異較大；

(2) 土地資源的絕對(duì)量大，但人均占有量少；

(3) 河川徑流總量大，但水土配合不協(xié)調(diào)。

根據(jù)不同地區(qū)的具體條件和資源的不同特點(diǎn)，制訂符合國民經(jīng)濟(jì)全局利益和各種資源宏觀經(jīng)濟(jì)效益的資源開發(fā)利用戰(zhàn)略，是合理利用和保護(hù)農(nóng)業(yè)自然資源的前提。另外不同的地區(qū)由于人均占有可耕地面積和土地后備資源的不同，應(yīng)該選擇不同的農(nóng)業(yè)集約化程度和集約經(jīng)營方式。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域較大，農(nóng)作物種類較多，如果將所有農(nóng)田感知信息全部匯聚到信息中心處理，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成較大的流量壓力，同時(shí)也提高了信息處理中心的軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低了對(duì)事件處理的響應(yīng)速度。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效手段

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一個(gè)農(nóng)業(yè)應(yīng)用和實(shí)踐體系，包括信息采集－ 信息解碼－投入優(yōu)化－田間實(shí)踐的良性循環(huán)，其中信息和數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最核心的部分，首先應(yīng)采集作物相關(guān)信息及影響作物生長的外界信息，再通過一系列軟件應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行信息的統(tǒng)計(jì)分析解讀，并以網(wǎng)站或手機(jī) APP的方式呈現(xiàn)給農(nóng)業(yè)相關(guān)人員，包括種植者或農(nóng)技服務(wù)人員等，來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)田間實(shí)踐活動(dòng)， 達(dá)到精準(zhǔn)種植、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)噴施等目的，以獲取最高的產(chǎn)量和最大的經(jīng)濟(jì)效益。

美國是世界上最早提出并實(shí)踐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的國家，也代表著這一領(lǐng)域最的最高發(fā)展水平。美國約有 200 多萬個(gè)農(nóng)場，其中 60% ～70% 采用了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。通過農(nóng)田地理信息系統(tǒng)提供的地理信息確定作物的最佳生產(chǎn)模型，依據(jù)不同作物的差異，決定是否采用衛(wèi)星定位，智能機(jī)械，智能施肥、灌溉、噴灑農(nóng)藥等措施，最大限度優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及土地資源。美國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)追求的并非高產(chǎn)，而是強(qiáng)調(diào)單位面積的投入與產(chǎn)出的最佳比例，強(qiáng)調(diào)效益，注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以減少農(nóng)業(yè)耕種過程中因化學(xué)物質(zhì)濫用而造成的環(huán)境污染。以色列大部分地區(qū)干旱少雨，土地貧瘠，提高水資源利用率是以色列解決農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大問題，因此，節(jié)水技術(shù)研究一直是以色列農(nóng)業(yè)科學(xué)中最重要的課題。滴灌與噴灌是以色列節(jié)水灌溉技術(shù)的主要形式，發(fā)展到今天，已經(jīng)是第七代技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于溫室、沙漠地帶、綠化帶等區(qū)域。我國早在 20世紀(jì) 90年代就開始了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究，先后在北京、上海、新疆、黑龍江等 13個(gè)省市實(shí)現(xiàn)了大面積應(yīng)用。以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)為例，從1999 年提出精準(zhǔn)灌溉、施肥、播種、收獲及環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控開始，到 2003 年已基本形成比較完善的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，在棉花生產(chǎn)的大面積應(yīng)用中獲得了極大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)效益。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的不同階段來看，無論是種植培育階段還是收獲階段，都可以用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高其工作效率和精細(xì)管理程度。在種植和培育階段，可以用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段采集溫濕度信息，進(jìn)行高效管理，從而積極應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，保證植物育苗在最佳環(huán)境中生長。在農(nóng)作物生長方面，可以利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長的環(huán)境信息、養(yǎng)分信息和作物病蟲害情況。利用相關(guān)傳感器準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照情況，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，配合控制系統(tǒng)調(diào)理作物生長環(huán)境，改善作物營養(yǎng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物的病蟲害爆發(fā)時(shí)期，維持作物最佳生長條件。在技術(shù)成熟與成本下降，國內(nèi)農(nóng)業(yè)面臨人力不足、農(nóng)田灌溉浪費(fèi)與缺水并存、農(nóng)業(yè)科技投入不足且農(nóng)業(yè)耕作粗放的背景下，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為國內(nèi)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的風(fēng)向， 而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效手段。

2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

早期的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要由無線感知節(jié)點(diǎn)、無線匯聚節(jié)點(diǎn)、通信服務(wù)器、基于Web 的監(jiān)控中心、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)組成。眾多無線自組織感知節(jié)點(diǎn)可實(shí)時(shí)采集空氣溫濕度、CO2 濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等作物生長環(huán)境信息，并經(jīng)由無線匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS 或 3G上傳至互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，由專家系統(tǒng)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)指導(dǎo)建議以短消息的方式發(fā)送給農(nóng)戶。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖 1 所示。

基礎(chǔ)層為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層，通過各類無線感知節(jié)點(diǎn)自組織形成局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及返控。數(shù)據(jù)采集層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)層無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及返控命令的發(fā)送，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)層的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)管理。通信服務(wù)器負(fù)責(zé)提取網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)采集傳輸層），并對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理和入庫，是應(yīng)用層和下位機(jī)相連接的紐帶。應(yīng)用平臺(tái)對(duì)提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及處理，界面人性化，方便管理者操作，實(shí)現(xiàn)了所有人機(jī)對(duì)話功能。

3 基于邊緣計(jì)算的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

3.1 邊緣計(jì)算

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用和信息技術(shù)的發(fā)展，智能邊緣計(jì)算出現(xiàn)了，它提出了一種新模式，即讓物聯(lián)網(wǎng)的每個(gè)邊緣設(shè)備都具備數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算，通信及智能處理能力。邊緣傳感器不再需要持續(xù)不斷將各種傳感數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)中心，而可以自己判斷各種感知數(shù)據(jù)，只在讀數(shù)出現(xiàn)重大變化時(shí)才聯(lián)系數(shù)據(jù)中心，決定采取何種操作。

新的智能邊緣計(jì)算可利用云對(duì)邊緣設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模安全配置、部署和管理，并根據(jù)設(shè)備類型和場景分配智能的能力， 讓智能在云和邊緣之間流動(dòng)。智能化已開始為各行業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，農(nóng)業(yè)智能化以農(nóng)田數(shù)據(jù)的智能分析為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)智能決策和智能操作，讓農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)走向田間地頭，實(shí)時(shí)指導(dǎo)廣大農(nóng)民科學(xué)耕作。

云計(jì)算適用于非實(shí)時(shí)、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策場景，而邊緣計(jì)算在實(shí)時(shí)性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策等方面發(fā)揮著不可替代的作用。邊緣計(jì)算與云計(jì)算是行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的兩大重要支撐，兩者在網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、應(yīng)用、智能等方面的協(xié)同將有助于支撐農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

3.2 基于邊緣計(jì)算的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

由于邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，各種資源如網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)更靠近用戶，能夠就近提供邊緣智能服務(wù)，以滿足用戶敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的需求?；谶吘売?jì)算的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖 2 所示。

基于邊緣計(jì)算的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)更適宜實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行；由于邊緣計(jì)算距離終端用戶更近，在邊緣節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的過濾和分析，因此效率更高；人工智能與邊緣計(jì)算的組合出擊讓邊緣計(jì)算不止于計(jì)算，更多了一份智能；在進(jìn)行云端傳輸時(shí)通過邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一部分簡單數(shù)據(jù)處理，減少設(shè)備響應(yīng)時(shí)間與從設(shè)備到云端的數(shù)據(jù)流量。

4 結(jié) 語

未來物聯(lián)網(wǎng)將是運(yùn)行在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上的開放系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也將沿著這條技術(shù)路線前行，現(xiàn)在開始建設(shè)新的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，就要盡可能避免將其建設(shè)為封閉獨(dú)立系統(tǒng)，要為未來平滑升級(jí)奠定基礎(chǔ)。希望各種新的信息技術(shù)能夠盡快在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，為祖國糧食安全做出貢獻(xiàn)。