智慧农业核心技术之农业物联网与农业专用芯片

智慧农业核心技术之农业物联网与农业专用芯片

智慧农业中的物联网典型应用场景

智慧农业产前、产中、产后的信息管理与服务主要是利用物联网、智能分析等技术,将种植对象的温室或大田空气温湿度、光照度、土壤温湿度等环境数据和株高、叶片参数、叶绿素、水分胁迫等生物信息数据进行采集和处理,并进行实时显示和远程监控,实现农业现场各种气象与环境数据、图像视频的实时采集与远程传输,有效提高农业环境监测水平和农业环境监测数据的时效性;实现自动喷灌、科学施肥、生物防治病虫害等科学化管理,提高作物种植水平,便于生产者及时掌握农作物、园艺作物、蔬菜、果树等生长动态与灾害情况,并进行快速诊断和预警;实现集感知、监测、智能预警与分析为一体的农业生产全过程信息监管和服务。

基于农业物联网与专用芯片的智慧农业典型应用场景可描述为：根据大田、温室、畜牧场等典型应用场景的农作物和牲畜等不同对象的需要,搭建视频图像信息获取和生产环境信息获取系统,利用图像、视频、光谱以及温湿度、酸碱度(pH)值、光照强度、风速、降雨量、氮浓缩量、气压等各种传感器获取数据,通过互联网、移动通信网等网络将采集的数据实时上传至云端服务器,并通过数据融合机制,统一、规范地存储在数据库中,形成基础数据库。在此基础上,通过计算与分析平台实现智能监控分析决策功能,实现农业生产的精细化、远程化、自动化与智能化,改变传统农业粗放的生产方式。

典型应用场景如图1所示,主要包括种植业物联网和养殖业物联网两种应用。

图1 基于农业物联网与专用芯片智慧农业典型应用场景

Fig. 1 Typical application of smart agricultural based on argicutural Iot and Chips

（1）在种植业中的应用

种植业物联网根据种植场景不同分为设施种植业物联网和大田种植业物联网。

设施种植业物联网的环境相对封闭,基础设施标准化程度高,通过传感器、控制器、信息系统实现环境的精准监控、智能决策与调控,降低运维成本。典型代表是智能型数字植物工厂,其综合集成了现代装备工程、生物技术、信息技术、营养液栽培技术等多种高新技术,被国际公认为农业高技术水平的重要标志之一。

大田种植业物联网运行在复杂、瞬变、开放的自然环境中,对物联网设备及技术要求更高。大田物联网可以根据植物（如小麦、玉米、大豆、花卉等）不同生长阶段特性和生长环境的光、温、水、气、土壤等数据信息,通过部署专业摄像头,定时抓拍固定角度、固定位置具有代表性的植物图像,实时通过网络远程传输、存储图像数据到数据中心和控制中心,实现精准查看现场近景图像情况,并为远程诊断系统提供基础图像和视频信息。

（2）在养殖业中的应用

养殖业物联网主要分为畜禽养殖物联网与水产养殖物联网两部分。畜禽养殖物联网主要实现畜禽养殖舍内环境信息（包括CO2浓度、NH3浓度、H2S浓度、空气温湿度、光照强度、气压、粉尘等）的自动监测、智能分析、预警等功能;实现舍内通风、湿帘、照明等设备的手动控制、智能自动控制以及远程控制,使养殖环境处于最适宜状态。

水产养殖物联网则是对水体环境进行定期、不间断地采集,包括水温、pH值、溶解氧（DO）、浊度、光照、盐度、水位等参数。同时,在养殖塘边架设视频监控摄像头,对养殖塘实时监控,提供水产养殖管理的预警与干预服务和智能分析服务。

总之,通过物联网技术实现生产环境监控,由环境监测传感器（温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤水分等）、摄像头、智能通讯终端、智能化农业生产环境监控平台组成,掌握设施农业的病虫害情况和农作物生长环境情况,提供病虫害防控体系、农作物生产服务体系和设施农作物评价体系,减少农药使用,实时获取并远程控制农业生产的各项环境参数,使农产品处于适宜的、安全的生长环境中,并通过作物生长模型与病虫害生长模型判断病虫害发生概率的方法,避免病虫害侵害;通过统计数据分析农产品的生长情况,根据农作物生长积温与发育关系预测成熟度及成熟时间,提供适时采摘标准,保障农产品质量安全。通过智能化农场管理改善农作物生长环境、提高农作物品质、减少化肥农药使用量、提高生产管理效率、保护生态环境安全,为农业生产带来经济效益。

物联网芯片硬件结构及芯片现状

（1）信息采集设备典型硬件结构

物联网信息采集设备硬件结构如图2所示,农业专用处理器芯片是信息采集设备的核心,负责与其他设备模块的通信及数据处理水平。在农业生产应用中,从农产品生产的不同阶段来看,无论是从产前准备还是产中维护和产后服务,都可以用物联网技术来提高工作效率和精细化管理水平,尤其是农业专用处理器起到核心作用。

图2 物联网信息采集设备硬件典型结构

Fig. 2 Typical hardware architecture of information acquisition equipment in Internet of Things

（2）处理器芯片现状分析及建议

根据农业物联网应用场景和面向解决的关键问题,可以将处理器芯片主要分为两类：一类是以控制与驱动传感器为目的的控制芯片,如单片机、嵌入式处理器芯片等;另一类则是针对边缘端计算力问题的专用处理器芯片,如ASIC、FPGA、DSP等,此类芯片主要针对无人机、机器人等计算能力有限,难以实现边缘端设备的智能判断或决策问题,且传感器大多工作在边缘端,需要足够的性能和较低功耗长时间运行的硬件。

芯片已经渗透至物联网的各个层面,成为物联网集成与应用的关键核心技术,农业信息从感知到传输再到应用都离不开芯片,物联网广泛应用将会引领芯片厂商的创新发展。然而,当前农业上使用的处理器芯片都是按照工业标准设计的,功耗、性能、成本和功能需求等都受到不同程度制约和限制。

国内物联网芯片厂商更专注于通信、支付、安全等领域,还没有针对农业生产设计开发专用的物联网芯片。我国已经高度重视农业物联网和芯片技术发展,发布了多项支持政策。在农业农村部等相关部门颁布的《“十三五”农业科技发展规划》主要农业领域关键突破技术和核心指标任务中明确要求,农业物联网国产处理器芯片与传感器核心部件市场占有率达到30%以上。《农机装备发展行动方案（2016-2025）》提出,到2025年,机械化率要提升至75%以上,关键零部件自给率达到50%左右。工业和信息化部于2014年就颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》指出,加快云计算、物联网、大数据等新兴领域核心技术研发,开发基于新业态、新应用的信息处理、传感器、新型存储等关键芯片及云操作系统等基础软件,抢占未来产业发展制高点。

发展以农业专用处理器芯片为核心器件的农业物联网系统是智慧农业的基本要求,也是农业大数据的重要获取途径,更是发展农业人工智能的基础。因此,掌握处理器芯片的核心科技,研发针对农业特定场景下的专用处理器芯片是实现智慧农业信息全面感知、智能处理的重要手段。农业物联网产业一方面应加大力度发展传感器节点核心芯片、嵌入式操作系统、智能计算等核心技术,另一方面则应加快标准制定和产业化进程,在未来农业物联网的大规模发展及国际竞争中占据有利位置。从农业信息安全和知识产权的角度考虑,研究具有自主知识产权的农业物联网专用处理器芯片, 对于我国智慧农业所需核心设备的自主可控性具有重要意义。同时,具有自主知识产权的处理器芯片可大幅降低芯片成本,进而推动智慧农业产业的健康发展。

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温馨提示：本文节选自《智慧农业》2019年第1卷第1期。点击文末“阅读原文”可直达期刊官网免费阅读、下载。

本文节选自

高万林, 张港红, 张国锋, 黄峰, 吴德华, 陶莎, 王敏娟. 核心技术原始创新引领智慧农业健康发展[J]. 智慧农业, 2019, 1(1): 8-19.

GAO Wanlin, ZHANG Ganghong, ZHANG Guofeng, HUANG Feng, WU Dehua, TAO Sha, WANG Minjuan. Original innovation of key technologies leading healthy development of smart agricultural[J]. Smart Agriculture, 2019, 1(1): 8-19.

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