1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展概述

　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及發(fā)展

　　物聯(lián)網(wǎng)是由多項信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thlngs，IoT）是通過射頻識別（RFID）、傳感器網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，并觸發(fā)相應(yīng)事件的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過基于“物-物”通信模式（M2M）的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物體與物體之間的相互連接和交互。

　　物聯(lián)網(wǎng)最初的概念起源于美國麻省理工學(xué)院（MIT）于1999年提出的無線射頻識別系統(tǒng)（RFID）。RFID將物體與物體之間用射頻識別的通信技術(shù)連接在一起，實現(xiàn)對物體智能化的識別，并通過接人互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對物體遠距離的定位、監(jiān)控和管理。同時，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，以RFID技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為感知基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也應(yīng)運而生。繼互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了人與人的遠程交互之后，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)物與物、人與物之間的遠程交互。目前，全球范圍內(nèi)的各個重要國家都將物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展確定為國家戰(zhàn)略的重點。2008年起，已經(jīng)發(fā)展為世界范圍內(nèi)多個研究機構(gòu)組成的Auto-ID聯(lián)合實驗室組織了 “Internet of Things”國際年會。2009年6月18日，歐盟執(zhí)委會發(fā)表了《Internet of things——an action plan for Europe》，描述了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景，在世界范圍內(nèi)首次系統(tǒng)地提出了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和管理設(shè)想，并提出了12項行動保障物聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展。美國國家情報委員會（NIC）發(fā)表的“2025年對美國利益潛在影響的關(guān)鍵技術(shù)”報告中，把物聯(lián)網(wǎng)列為六種關(guān)鍵技術(shù)之一。我國也在《2010年政府工作報告》中提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，物聯(lián)網(wǎng)將成為國家經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略支柱之一。

　　1.2 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

　　根據(jù)歐盟第七框架項目CASAGRAS2給出的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（圖1略），物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備4個層次：①感知層。在感知層中，各種物體通過嵌入RFID和無線傳感器等感知器件，自組地形成局部網(wǎng)絡(luò)，獲取自身狀態(tài)或周圍環(huán)境信息，并通過接入網(wǎng)將信息傳入傳輸層。在有些系統(tǒng)中，感知層可以根據(jù)收集的信息進行一些初步的處理和響應(yīng)。②傳輸層。通過各種電信網(wǎng)絡(luò)（包括寬帶無線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和各種專用網(wǎng)絡(luò)）與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實時準(zhǔn)確的接收感知層的信息，并將該信息送至處理層進行計算處理。③處理層。利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的資源，采取云計算的方式提供數(shù)據(jù)存儲、處理、決策、控制等功能，實現(xiàn)全球物體之間的深度互聯(lián)和互動。④應(yīng)用層，在農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測、物流供應(yīng)鏈等不同領(lǐng)域建立各種具體應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

　　1.3 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

　　我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型時期，網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)在這一時期將發(fā)揮獨特而重要的作用，也為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機遇。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以把感應(yīng)器嵌入農(nóng)業(yè)機械、土地、灌溉系統(tǒng)等各種物體中，然后將“物”與互聯(lián)網(wǎng)整合起來，通過智能分析，實施實時的管理和控制。這樣，人類可以以更加精細和動態(tài)的方式管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，促進可持續(xù)發(fā)展。

　　物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)。進行農(nóng)作物田間及溫室環(huán)境控制和信息反饋，用其檢測作物的環(huán)境信息，監(jiān)測收集土壤的溫度濕度、大氣氣壓、風(fēng)速、作物生長情況等數(shù)據(jù)，并對這些信息進行處理，為農(nóng)業(yè)專家進行決策并制定農(nóng)田變量作業(yè)處方提供主要數(shù)據(jù)源和參數(shù)；也可自動觸發(fā)相關(guān)行為，如智能灌溉或自動調(diào)節(jié)溫度，保證作物良好的生長環(huán)境。（2）應(yīng)用RFID技術(shù)建立現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)食品供應(yīng)鏈跟蹤與可追溯體系。將RFID技術(shù)用于畜禽的個體標(biāo)識，并結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)、手持移動設(shè)備和PC機數(shù)據(jù)庫技術(shù)等構(gòu)建RFID養(yǎng)殖管理信息系統(tǒng)，以跟蹤豬肉產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、批發(fā)以及零售等各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)畜禽數(shù)據(jù)的有效追溯和數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)的共享。（3）農(nóng)用傳感器還可以應(yīng)用于移動信息裝備制造產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)自動識別技術(shù)與設(shè)備產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)精細作業(yè)機具產(chǎn)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品物流產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化。

　　2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

　　近年來，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵理論、技術(shù)和應(yīng)用成為業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點，涵蓋了從信息獲取、傳輸、存儲、處理直至應(yīng)用的全過程。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、海計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)也主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、身份識別技術(shù)、通信技術(shù)、智能處理技術(shù)等方面。

圖2 精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)

　　2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)中感知事物、傳輸數(shù)據(jù)的重要手段，可以構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的重要的觸角和神經(jīng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能化專家管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)測等方面。

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)環(huán)境的實時在線監(jiān)測。系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心三部分組成（圖2略）。分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括土壤溫度、濕度、大氣氣壓、風(fēng)速、作物生長情況等。傳感器的類型可以根據(jù)需要監(jiān)測的農(nóng)田參數(shù)進行選擇，如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、光照強度傳感器等。傳感器節(jié)點以ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過一跳或多跳的無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)接收傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，通過其他外部的網(wǎng)絡(luò)（Internet或GPRS）將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心負責(zé)對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域發(fā)出各項環(huán)境指標(biāo)的查詢請求命令，并對收集上來的數(shù)據(jù)進行分析處理，為農(nóng)業(yè)專家決策并制定農(nóng)田變量作業(yè)處方提供主要數(shù)據(jù)源和參數(shù)。

　　目前，全國已在多個省份建立起設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)、大田作物數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字農(nóng)業(yè)集成技術(shù)等綜合應(yīng)用示范基地。一些先進的農(nóng)用傳感器也在應(yīng)用實驗階段，如電化學(xué)離子傳感器，用于土壤中氮、磷、鉀和重金屬含量的快速檢測；生物傳感器，用于禽流感快速檢測、商致病性細菌檢測；氣敏傳感器，用于食品品質(zhì)、氣體污染、排放監(jiān)測等。

　　今后，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)將朝著微型化、低功耗、高可靠性的方向發(fā)展，能否降低構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本，降低傳感器的功耗，延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)能否在農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。此外，如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性也將是研究的重心?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)空間范圍查詢處理算法能量消耗較大，且當(dāng)節(jié)點失效時查詢處理過程易被中斷，無法返回查詢結(jié)果。劉亮等提出了一種能量高效的算法ESA，減少了傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)消息數(shù)目，降低算法分發(fā)查詢消息消耗的能量。同時，設(shè)計了一種利用節(jié)點冗余恢復(fù)查詢處理過程的算法，降低_了算法因節(jié)點失效而中斷的概率。

　　2.2 身份識別技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)需要在感知層中對大量的物體進行個體標(biāo)識，即身份識別技術(shù)。射頻識別RFlD（Radio Frequency Identification）標(biāo)簽技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)中對物體感知識別的主要技術(shù)，并且通過與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。

　　RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預(yù)。RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和中央信息系統(tǒng)三個部分組成，電子標(biāo)簽可分為依靠自帶電池供電的有源電子標(biāo)簽和無自帶電源的無源電子標(biāo)簽。RFID系統(tǒng)的工作原理（圖3略）是：當(dāng)電子標(biāo)簽進入讀寫器發(fā)出的射頻信號覆蓋的范圍內(nèi)后，無源電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，有源電子標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號來傳遞自身的產(chǎn)品信息。當(dāng)讀寫器讀取到信息并解碼后，將信息送至中央信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

圖3 RFID工作原理圖

　　RFID技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管中的應(yīng)用越來越普及，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯中的研究也取得了一定進展。RFID技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的應(yīng)用可深入農(nóng)產(chǎn)品原料、產(chǎn)品加工、物流銷售各方面。在農(nóng)畜產(chǎn)品飼養(yǎng)環(huán)節(jié)上，RFID技術(shù)可以用來標(biāo)漢動物、記錄和控制瘟疫等，主要有項圈電子標(biāo)簽、紐扣式電子耳標(biāo)、耳部注射式電子標(biāo)簽以及通過食道放置的瘤胃電子標(biāo)簽等方式來記錄動物的信息。耿麗微等提出并建立了一種基于無線射頻識別技術(shù)的奶牛的身份識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用瘤胃式動物電子標(biāo)識來為每頭奶牛建立一個永久性的數(shù)碼檔案，實行一畜一標(biāo)，并通過采用RFID技術(shù)以及單片機與PC機的通信技術(shù)對存儲奶牛信息的電子標(biāo)簽進行遠距離識別，從而及時的實現(xiàn)對每頭奶牛的監(jiān)控與管理。研究結(jié)果表明RFID系統(tǒng)讀卡器的識讀率為100%，識讀距離可達到8m以上。任守綱等設(shè)計了基于無線射頻識別技術(shù)的肉品銷售跟蹤及追溯體系，包括跟蹤系統(tǒng)和追溯系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)通過在銷售節(jié)點上的產(chǎn)品電子代碼系統(tǒng)，對附有無線射頻識別芯片標(biāo)簽的肉品信息進行跟蹤。追溯系統(tǒng)通過對象名解析服務(wù)（ONS）服務(wù)器，查出肉品銷售相關(guān)節(jié)點實體標(biāo)記語言（PML）服務(wù)器的地址，進而獲得肉品的流通信息，接著將這些信息與節(jié)點的地理信息相結(jié)合，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件進行直觀展示。羅清堯等采用超高頻無線射頻識別技術(shù)，設(shè)計了適合生豬胴體的RFID 標(biāo)簽，開發(fā)了電子標(biāo)簽在線讀寫系統(tǒng)，實現(xiàn)了生豬屠宰流水線上豬只胴體的RFID標(biāo)識和遠距離自動識讀。通過生豬溯源耳標(biāo)信息采集、RFID胴體標(biāo)簽信息與屠宰廠Intranet溯源數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的自動關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了生豬屠宰過程中溯源關(guān)鍵點的生豬屠宰標(biāo)識信息的可靠采集、傳輸與處理等。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，RFID技術(shù)面臨著成本問題、識別準(zhǔn)確度、作業(yè)環(huán)境影響、編碼系統(tǒng)全球標(biāo)準(zhǔn)化、隱私權(quán)和安全性等方面的挑戰(zhàn)。同時，發(fā)展高可靠性的、更為先進的身份識別技術(shù)，如DNA生物身份識別技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合等，將會是研究的熱點。

　　2.3 通信技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術(shù)根據(jù)其作用不同大致可以分為兩類：一類為無線通信技術(shù)，即物聯(lián)網(wǎng)中短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)物與物之間的通信，如無線射頻識別技術(shù) RFID，WSN中常用到的低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)ZiBee，此外還有UWB、Wifi、Wimax、Bluetooth、6LoWPAN等技術(shù)；一類為從無線通信到傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，包括GSM、TD-SCDMA等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，WLAN、WPAN等專用無線網(wǎng)絡(luò)，Internet等各種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接人是通過網(wǎng)關(guān)來完成的。物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)將繼續(xù)致力于滿足微型化、低功耗、高可靠性的要求，如低功耗射頻芯片、片上天線、毫米波芯片的研究電將成為熱點。

　　2.4 智能處理技術(shù)

　　針對物聯(lián)網(wǎng)感知層收集的海量數(shù)據(jù)，處理層將對這些數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，云計算的“云端”就在處理層，主要通過數(shù)據(jù)中心來提供服務(wù)對物體實施智能化的控制。云計算是一種新興的計算模式，是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計算資源池向用戶按需服務(wù)。云計算主要采用數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、搜索引擎、數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，向物聯(lián)網(wǎng)提供大容量、高性能的決策判斷和處理控制等功能。目前，云計算面臨著安全性和標(biāo)準(zhǔn)化的挑戰(zhàn)。由于應(yīng)用系統(tǒng)部署在公共云上，其中包含大量的用戶敏感信息，所以如何設(shè)計不同場景、不同等級的隱私保護技術(shù)將是為物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研究的熱點問題。目前云計算并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同云之間缺乏互操作性，當(dāng)用戶從一個云計算環(huán)境遷移到另一個環(huán)境時面臨巨大的困難。盡快建立開放式云計算標(biāo)準(zhǔn)，才能保證中國云計算產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。

　　3 小結(jié)

　　物聯(lián)網(wǎng)是由多項信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的一個重要標(biāo)志，它將是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，分析了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、身份識別技術(shù)、通信技術(shù)、智能處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并指出其存在的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來一次全新的改革，提高全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，提高農(nóng)民的收入，增強食品安全，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化、智能化。

想要了解更多醫(yī)療電子設(shè)計資料，請關(guān)注《物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之通信》專題
?

?

?