農業物聯網導論（簡體書）

農業物聯網是現代信息與通信技術在農業中的集成與應用，是農業生產方式變革的重要支撐，是現代農業發展的重要方向。《物聯網工程專業系列教材：農業物聯網導論》從感知、傳輸、處理和應用4個層面詳細闡述了農業物聯網的理論體系架構，對每一層所涉及到的關鍵技術的基本原理、地位和在農業中的應用進行了深入的剖析，力爭讓讀者對先進感知、可靠傳輸和智能處理的各種技術原理及其在大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖和農產品物流及電子商務等領域的集成應用有一個全面的瞭解。《物聯網工程專業系列教材：農業物聯網導論》適合高等農業院校電子、自動化、通信、計算機和農業物聯網工程等相關專業作為專業教材使用，也適合其他專業作為選修教材使用，亦適合農業信息化領域的科研工作者和相關企業人員參考閱讀。．

李道亮，中國農業大學信息與電氣工程學院教授，博士生導師，研究方向為農業先進傳感與智能處理技術。現為國際信息處理聯合會先進信息處理分會主席，中歐農業信息技術研究中心主任，先進農業傳感技術北京市工程技術研究中心，北京市農業物聯網工程技術研究中心主任，科技部國家農村信息化指導組專家，農業部全國農業農村信息化發展“十二五”規劃課題組組長，歐盟第七框架國際科技合作項目評審專家，國家863計劃、國家科技支撐計劃、國家農業科技成果轉化項目評審專家，國際合作重點項目評審專家，中國農業工程學會理事，信息與情報專業委員會副主任委員，中國農業機械學會青年工作委員會副主任委員，中國畜牧獸醫學會信息技術分會副理事長，中國農學會農業現代化研究會副秘書長，北京市農業信息化學會監事長，第一屆至第六屆國際計算機與計算技術在農業應用國際研討會主席。2002年獲得北京市科技進步二等獎和全國農牧漁業豐收二等獎，2003年獲得度教育部優秀青年教師基金獲得者，2004年獲得教育部霍英東優秀青年教師基金、北京市科技新星，2005年任國際人工智能大會主席，2006年入選首屆中國信息化百名學術與管理帶頭人並獲天津市科技進步二等獎，2007年被評為“中國農業信息化年度人物”和“茅以升青年科技獎”，2008年獲教育部科學技術二等獎和中國農業工程學會青年科技獎，2009年入選教育部新世紀人才並獲得大北農科技獎，2011年獲得中國青年科技獎。擁有國家發展專利11項；已發表的論文中SCI索引58篇，EI索引60篇；出版專著8部；擁有計算機軟件著作權32項；研發的農業物聯網產品在江蘇、浙江、山東、北京等15個省份進行了大面積推廣應用，取得了良好的經濟和社會效益。．

《農業物聯網導論》是國內第一本系統介紹農業物聯網技術的圖書。作者李道亮為中國農業大學教授，北京市農業物聯網工程技術研究中心主任，其研發的農業傳感器、無線測控終端等農業物聯網產品產品在江蘇宜興、浙江寧波、山東東營、北京等國內15省份的養殖場、農民專業合作社、養殖戶進行了大面積推廣應用，受到了社會各界的普遍關注。本書則是對作者研究成果的總結和提煉。

當前，物聯網(Internet of Things,IoT)已成為各國構建經濟社會發展新模式和重塑國家長期競爭力的先導領域。發達國家通過國家戰略指引、政府研發投入、企業全球推進、應用試點建設、政策法律保障等措施加快物聯網發展，以搶占戰略主動權和發展先機。在我國,物聯網被納入戰略性新興產業規劃重點，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》指出，要“推動物聯網關鍵技術研發和在重點領域的應用示范”。
農業是物聯網技術的重點應用領域之一，也是物聯網技術應用需求最迫切、難度最大、集成性特征最明顯的領域。目前，我國農業正處在從傳統農業向現代農業迅速推進的過程當中，現代農業的發展從生產、經營、管理到服務各個環節都迫切呼喚信息技術的支撐。物聯網浪潮的來臨，為現代農業發展創造了前所未有的機遇，改造傳統農業、發展現代農業，迫切需要運用物聯網技術對大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、農產品物流等農業行業領域的各種農業要素實行數字化設計、智能化控制、精準化運行和科學化管理，從而實現對各種農業要素的“全面感知、可靠傳輸以及智能處理”，進而達到高產、高效、優質、生態、安全的目標。農業物聯網作為物聯網技術在農業行業領域的重要應用，它的基本的理論框架是什么？它的技術基礎和技術體系是什么？它在農業中的解決方案是什么？它的產業化體系又是什么？如何快速推進？隨著農業物聯網在全國各地實踐的突飛猛進發展以及相關高校物聯網工程專業特別是農業院校農業物聯網專業的設置，迫切需要系統、全面、客觀地回答上述問題。作為十幾年在農業信息化技術戰線上不斷探索的一員，深感有責任和義務對以上問題進行系統整理和總結，正是本書出版的基本動因。
自1997年以來，本人一直致力于人工智能在農業領域的應用研究，最初開始于農業資源高效利用專家系統，1998開始重點研制魚病診斷專家系統和農業病蟲害遠程診斷系統，2002年開始全過程水產養殖智能決策支持系統的研究，重點對水質管理、飼料投喂、疾病診斷的決策模型和系統開展了精細管理決策系統研究。這一階段重點開展了農業推理、預測、預警、優化、決策方法和模型以及農業知識庫的建設，雖然當時沒有物聯網概念，但對農業信息處理做了大量的工作。2006年，本人考察了歐洲荷蘭、德國、比利時等國的漁場、豬場、奶牛場、辣椒溫室和花卉溫室，給我一個重要的啟發就是軟件和硬件必須一體化，信息采集、傳輸、處理、控制系統集成在一起才能實現農業的自動化，單靠專家系統與決策系統就像人只有神經系統沒有運動系統，不能行走。因此，2006年本人下決心從農業人工智能領域拓展開展傳感器和無線傳感網絡的研究，開始組建智能系統團隊，包括3個研究組：傳感器與傳感網絡組、智能信息處理組和系統集成組，我的博士生、碩士生研究方向也從原來的決策支持系統一個變為兩個，并把傳感器作為最重要的一個方向，同時以基礎最好的水產養殖領域作為突破口，先后開展了水產養殖水體溶解氧、pH、電導率、氨氮、葉綠素、濁度等傳感器的研發，開始以電化學傳感器為主，后過渡到光學傳感器。2007年，我們成功申請了國家863計劃課題《集約化水產養殖數字化集成系統研究》，自主開發了一系列擁有自主知識產權的水質傳感器、采集器和控制器以及水產養殖環境監控管理平臺，真正實現了水產養殖領域水體信息采集、無線傳輸和智能處理與控制的一體化，在當時國內還沒有物聯網概念的情況下，其實已經開展了水產養殖從傳感器、無線傳感網到信息處理一體化的技術研究，也就是今天提及的水產養殖物聯網的探索。
2009年物聯網研究和應用在國內驟然升溫，也適逢國家開始制定十二五發展規劃，本人也很榮幸地參與了《農業部全國農業農村信息化發展“十二五規劃”》、《科技部農業與農村信息化專項規劃及示范省建設》、《工業和信息化部中國農業農村信息化建設發展指南(2013－2015)》、《國家發改委農業物聯網標準和示范工程建設規劃》等的起草和調研工作，對農業物聯網的理解日漸全面和深刻。2010年，團隊對農業傳感器的研究也進行了進一步的拓展，從水體參數傳感器向土壤和氣象參數傳感器拓展，從水產養殖向設施園藝和設施畜禽養殖拓展，并成功申請成立了北京發改委先進農業傳感北京工程中心和北京科委農業物聯網工程技術研究中心，在兩個中心的平臺上團隊的方向也日漸明晰，主攻傳感器與傳感網技術、智能信息處理技術、系統集成技術以及上述技術的產品化。
2010年，我們的傳感器、采集器和控制器已經走出了實驗室，但總體上還是小范圍和小規模的試制與測試，2011年我們建立了中國農業大學宜興實驗站，在江蘇省宜興市開展了4個鄉鎮10000畝水面的較大規模的水產物聯網應用，開始了農業物聯網技術的規模化應用探索。2011年團隊迎來實施國家科技支撐計劃“農業現場信息全面感知技術集成與示范”、農業部公益性行業（農業）科研專項“現代漁業數字化及物聯網技術集成與示
范”、國家發改委“養殖業物聯網示范工程”三個重大課題實施的機遇，我們在全國12個省開展了較大規模的示范應用，尤其是對物聯網中的傳感技術、物聯網運營平臺和系統集成技術進行全方位的測試與應用，本書很多成果都是來自這3個課題的研究。應用中從發現問題，解決問題中尋找本質的科學方法，改進后再到實踐中驗證，再發現問題，循環往復，不斷深入，團隊成員隨我一路走過來，有苦有甜，我們都樂在其中，矢志不移。
本書就是對我們團隊1997年以來，特別是2006年以來所有理論、方法、技術與產品的系統總結。農業物聯網自下而上可分為農業信息感知層、傳輸層、處理層和應用層。其中感知層是農業物聯網的神經末梢，通過各種農業傳感器、RFID、GPS、攝像機等識別裝置智能感知各種農業環境和個體要素，這是我國農業物聯網技術的攻堅環節，是國內眾多團隊需要狠下力氣的環節；傳輸層主要利用各種近距離、遠距離、有線和無線傳輸渠道實現農業現場數據、信息和處理后信息的雙向傳遞，確保信息傳輸可靠通暢，這個環節是農業物聯網相對成熟的環節，主要解決通信技術與農業場景的結合問題；處理層綜合運用高性能計算、人工智能、數據庫和模糊計算等技術，搭建農業物聯網管理與處理平臺，對收集的感知數據進行存儲、分類、優化、管理等處理，這個環節是我國農業物聯網最為成熟的環節，目前主要精力放在農業云存儲、云計算、搜索引擎研究上；應用層是面向大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、農產品物流與電子商務等具體應用領域需求，構建預測、預警、優化、控制、診斷、推理等各種農業模型，開發農業物聯網應用系統，該環節也是我國農業物聯網相對薄弱的環節，尤其是農業知識模型需要多年的積累和實際的修正。按照此邏輯，把本書的內容具體分為感知篇、傳輸篇、處理篇和應用篇，共25章。
本書的特色及創新之處主要表現在如下幾個方面：①系統性：系統地從全面感知、可靠傳輸、智能處理、集成應用四方面對農業物聯網的技術架構、基本原理、關鍵技術、應用案例進行了系統闡述，對各個組成部分之間的邏輯關系、地位和作用進行了詳細論述；②先進性：本書介紹的大部分農業信息感知設備和農業物聯網服務平臺均屬于團隊十幾年的自主研發成果，部分研究成果經鑒定為已達國際先進水平，并對每部分的發展趨勢和方向進行了大膽預測和評述；③實用性：本書中的研究成果已經在江蘇、山東、廣東、湖南、湖北、北京、上海、天津等全國20余省市開展了應用示范，可以指導農業物聯網實際應用者和建設者開展具體工作，也可指導研究生從事相關研究工作。希望本書首先能作為一本入門的教材供大學和相關研究機構使用，其次也盡量使其成為農業物聯網工程建設的一本指導書，用于指導各級農業管理部門、農業龍頭企業、農業合作社開展相關建設工作，本書也希望能成為一本通俗的讀物，能引起農業物聯網愛好者的共鳴。
雖然本書的成果是本人團隊十幾年的研究積累，但本書從下定決心寫到成稿只有10個月的時間，團隊老師陳英義（第9、20、21章）、李振波（第15、19、25章）、位耀光（第1、3、14、23章）、楊文柱（第6、17章）、段青玲（第12、22章）、孫龍清（第11、24章）、蘇偉（第7、8章）、溫繼文（第16章）以及我的博士研究生丁啟勝（第2章）、劉雙印（第13章）、曾立華（第18章）、王聰（第4、10章）、袁曉慶（緒論）、臺海江（第5章）對初稿的修改做出了重大貢獻，我的碩士研究生張彥軍、王振智、魏曉華、姜宇、戰美、李琳、于輝輝、王欽祥、楊昊、馬德好參與了本書的文字勘誤工作，之后我又進行了若干輪的修訂和統稿。
本書凝聚了很多物聯網領域科研人員的智慧和見解，我首先要感謝我的導師中國農業大學傅澤田教授，他多年來在科研工作的教誨和指導讓我受益良多。對于農業物聯網研究過程中遇到的問題和困惑，多次請教中國農業大學汪懋華院士、國家農業信息化工程技術研究中心趙春江研究員，他們多次召開的農業物聯網研討會也讓我茅塞頓開。感謝國家農村信息化指導組王安耕、梅方權、孫九林、方瑜等專家在歷次國家農村信息化示范省建設會議上的指導。感謝科技部張來武副部長、農村科技司陳傳宏司長、王喆副司長、胡京華處長、高旺盛處長；農業部市場與經濟信息司張合成司長、李昌健副司長、張國處長、楊娜處長；工業和信息化部信息化推進司秦海司長、孫燕處長、方新平副處長；工業和信息化部電子信息司安筱鵬副司長在歷次農業信息化規劃和農業物聯網示范工程建設研討會議上的指導與建議。感謝山東省科技廳翟魯寧廳長、郭九成副廳長、許勃處長、陳長景主任，湖南省科技廳楊志平副廳長、侯峻處長，湖北省科技廳張震龍副廳長、戴新明處長，廣東省科技廳劉煒副廳長、劉家平處長、鐘小軍主任在國家農村信息化示范省建設和農業物聯網示范工程建設歷次研討會上建議與指導。特別要感謝江蘇省宜興市人民政府、高塍鎮人民政府對農業物聯網中國農業大學宜興實驗站的大力支持，我們才有了一個農業物聯網的試驗場和歷練場，尤其要感謝宜興市農林局信息科蔣永年科長3年來與我團隊并肩作戰，共同探索農業物聯網技術轉化與產品產業化，他的很多建議對我們理論方法的提升、產品改進和升級有很大促進作用。科學出版社策劃編輯趙麗欣在本書的寫作過程中提供很多出版方面的建議，深感農業物聯網涉及的知識面很寬，要寫的內容也很多，我們的研究是否達到出書的程度，是否有我們的盲點和誤區，她的多次鼓勵使我由開始的對出書誠惶誠恐到后來的認為出書是一種責任，有總比沒有好，萬事總有開始，也是本書能盡快與大家見面的原因之一。
農業物聯網是一個復雜的系統，涉及電子、通信、計算機、農學等若干學科和領域，這些學科的交叉和集成決定了寫好這樣一本書并不是容易的事情。農業物聯網建設是一個復雜的系統工程，除了理論、技術和方法外，還有工程實施和運行機制，在實際應用遇到的問題就更多，加上物聯網是一個新生事物，理論、方法、技術還不成熟，深感出版此書的責任和壓力的巨大，由于作者水平有限，書中錯誤或不妥之處在所難免，誠懇希望同行和讀者批評指正，以便以后進行改正和完善，如有任何建議和意見，歡迎與我聯系。
李道亮
2012年7月

緒論0.1 農業物聯網的概念和內涵0.2 發展農業物聯網的意義0.3 農業物聯網網絡架構0.4 農業物聯網關鍵技術0.4.1 農業信息感知技術0.4.2 農業信息傳輸技術0.4.3 農業信息處理技術0.5 農業物聯網應用進展0.5.1 農業信息感知技術應用進展0.5.2 農業信息傳輸技術應用進展0.5.3 農業信息處理技術應用進展0.6 寫作本書的目的和意義0.7 本書的基本框架感知篇第1章 農業信息感知概述1.1 農業信息感知基本概念1.2 農業信息感知內容1.2.1 農業水體信息傳感1.2.2 土壤信息傳感1.2.3 農業氣象信息傳感1.2.4 農業動植物生理信息感知1.2.5 農業個體識別1.2.6 農業遙感1.2.7 農業定位導航跟蹤1.3 農業信息感知體系框架1.4 農業信息感知技術研究進展1.4.1 農業水質信息傳感技術研究進展1.4.2 土壤信息傳感技術研究進展1.4.3 農業氣象信息智能傳感技術研究進展1.4.4 動植物生理信息檢測技術進展1.4.5 農業RFID與條碼技術研究進展1.4.5 農業遙感技術研究進展1.4.7 農業定位導航跟蹤技術研究進展第2章 農業水體信息傳感技術2.1 概述2.2 溶解氧傳感器2.2.1 溶解氧檢測原理2.2.2 溶解氧傳感器的變送技術2.3 電導率傳感器2.3.1 電導率檢測原理2.3.2 電導率傳感器的變送技術2.4 pH傳感器2.4.1 pH檢測原理2.4.2 pH傳感器的變送技術2.5 氨氮傳感器2.5.1 氨氮檢測原理2.5.2 氨氮傳感器的變送技術2.5 濁度傳感器2.5.1 濁度檢測原理2.5.2 濁度傳感器的變送技術2.7 葉綠素a傳感器2.7.1 葉綠素a檢測原理2.7.2 葉綠素a傳感器的變送技術第3章 土壤信息傳感技術3.1 概述3.2 土壤含水量傳感技術3.2.1 時域反射法測土壤水分3.2.2 頻域反射法測土壤水分3.2.3 駐波率法測土壤水分3.2.4 中子法測土壤水分3.2.5 張力計法測土壤水分3.3 土壤電導率傳感技術3.3.1 電磁感應法測土壤電導率3.3.2 電流-電壓四端法測土壤電導率3.3.3 時域反射法測土壤電導率3.3.4 土壤水分、電導率複合檢測3.4 土壤養分傳感技術3.4.1 光譜檢測方法測土壤水分3.4.2 電化學檢測方法測土壤水分第4章 農業氣象信息傳感技術4.1 概述4.2 太陽輻射4.2.1 太陽輻射量檢測原理4.2.2 太陽輻射計的變送技術4.3 光照度4.4 空氣溫濕度4.4.1 SHT系列傳感器測量原理4.4.2 HMP45系列傳感器測量原理4.5 風速風向4.5.1 超聲波法4.5.2 熱流速法4.6 雨量4.6.1 翻斗雨量計測量原理4.6.2 光學雨量計測量原理4.7 CO24.7.1 紅外式CO2測量原理4.7.2 紅外式CO2變送技術4.8 大氣壓力第5章 農業動植物生理信息傳感技術5.1 概述5.2 植物生理傳感器5.2.1 植物莖流傳感器5.2.2 植物莖稈直徑傳感器5.2.3 葉綠素含量測定儀5.2.4 植物葉片厚度傳感器5.3 動物生理傳感器5.3.1 脈搏傳感器5.3.2 血壓傳感器5.3.3 呼吸傳感器第6章 農業個體標識技術6.1 概述6.2 RFID技術6.2.1 RFID技術特點6.2.2 RFID系統的組成6.2.3 RFID識別工作原理6.2.4 RFID在農業物聯網中的典型應用6.3 條碼技術6.3.1 條碼技術簡介6.3.2 條碼識別丁作原理6.3.3 條碼技術在農業物聯網中的典型應用第7章 農業遙感技術7.1 概述7.2 作物長勢遙感監測7.3 作物水分和養分遙感監測7.3.1 作物水分遙感反演……傳輸篇處理篇應用篇．

5.3動物生理傳感器
動物生理傳感器主要用于檢測動物體的機能（如消化、循環、呼吸、排泄、生殖、刺激反應性等）的變化發展以及對環境條件所起的反應等。動物體的各種機能是指它們的整體及其各組成系統、器官和細胞所表現的各種生理活動。
5.3.1脈搏傳感器
脈搏傳感器的基本功能是將各淺表動脈搏動壓力這樣一些物理量轉換成易于測量的電信號。脈搏傳感器種類很多，按照工作原理來分，脈搏傳感器可以分為壓力傳感器、光電式脈搏傳感器、超聲多普勒技術及傳聲器等。其中壓力傳感器用得最多，因為它是將壓力信號轉換為電信號。它還包括壓電式傳感器和壓阻型傳感器（曾小青等，2003；王國力等，2004）。
1.壓力式脈搏傳感器
壓力傳感器分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器和壓磁式傳感器3種。
①壓電式傳感器 其原理是利用壓電材料的物理學效應（壓電效應）將感測到的脈搏的機械壓力信號轉換為電信號。壓電式傳感器可分為壓電晶體式傳感器、壓電陶瓷式傳感器、壓電聚合物傳感器和PVDF壓電材料傳感器等。
②壓阻型傳感器其原理是主要利用介質的壓阻效應，即介質電阻率隨機械壓力變化而變化的性質制成的，可分為固態壓阻式傳感器、液壓傳感器和氣導式傳感器3種。
③壓磁式傳感器也叫磁彈性傳感器，是一種新型壓力傳感器。其作用原理是物理學效應（磁彈性效應），這種傳感器是利用磁導率隨機械壓力變化而變化的性質制成的。
2.光電式脈搏傳感器
光電式脈搏傳感器的工作原理主要如下：血液的流動會導致血管內的血容量發生改變，而血容量的多少會影響血液對光線的吸收量，從而導致透過組織的光線強度也將隨血流的變化而發生變化。光電傳感器就是將接收透射后的光信號轉換為電信號，從而來獲取脈搏信息的，可分為出光電容積式脈搏計、光閘式撓動脈脈搏傳感器和紅外光電傳感器等。
3.傳聲器
脈搏的搏動可以認為是一種振動信號，繼而會產生波動，由于其頻率極低，所以其本質應是一種次聲波。傳聲器就是利用物理聲學原理，通過探測器感測由脈搏引起的振動（聽信號）。提取方法主要有間接耦合的方式（即非接觸式）。
4.超聲多普勒技術
國內對脈搏波的研究在儀器上正朝超聲顯像方面發展，脈搏圖也進入了由示波圖到聲像圖研究的新階段。動脈脈搏除了包含壓力搏動的信息之外，還有管腔容積、脈管的三維運動和血流速度等多種信息，僅用壓力脈圖難以全部定量地反映脈象構成要素的指標。隨著醫學超聲顯像技術的發展，超聲多普勒技術在脈象客觀化的研究中已經日益受到重視，取得了一定的進展（沙洪等，2007）。