本文收录于《农业工程技术-农业信息化》2024年第6期，目次03
摘要：为促进农业领域实现可持续发展目标，该文基于构建物联网云平台的智慧农业生产模式，融合现代化物联网技术和云计算技术，以实现农业生产的智能化和自动化，通过对相关概念的深入分析与系统架构建立，实现数据收集与远程监控，利用自动化与机器人技术，实现优化资源，提高作物产出，同时减少对环境的影响。
关键词：物联网；云计算；智慧农业；生产模式
随着全球人口增长和资源紧缩，传统农业面临着前所未有的挑战。在这一背景下，基于物联网云平台的智慧农业生产模式应运而生，它利用物联网技术和云计算资源，对农业生产过程进行精准管理和智能优化。本文旨在探索物联网云技术在智慧农业中的应用，以及如何通过这些技术提升农业生产效率，优化资源使用，从而达到增产、节水、减肥、降低能耗和提高农业生产可持续性的目标，为智慧农业的发展提供一套全面的实施框架和操作指南。
1
相关概念
1.1 物联网
物联网（Internet of Things，IoT）是一个涵盖众多技术和应用的领域，指的是通过网络互联的设备和系统的集合。这些设备，从简单的传感器到复杂的智能设备，能够收集、交换和处理数据，进而实现自动化控制和智能决策。在物联网的架构中，传感器扮演着数据收集的关键角色，能够监测各种环境参数如温度、湿度、光照强度等[1]。这些数据随后被发送到云平台或中央处理系统，通过高级数据分析和机器学习技术加以处理和分析。物联网的核心优势在于其能够提供实时数据和远程监控能力，这在许多领域，包括智慧农业在内，都显得尤为重要。通过物联网技术，可以实现对农业环境的细致监控和精准控制，从而提高生产效率和作物质量，减少资源浪费。此外，物联网的应用还促进了农业生产的自动化和智能化，为传统农业带来了革命性变革。
1.2 云计算
云计算是一种提供共享计算资源的技术，包括软件、处理能力和数据存储，这些资源通过网络，尤其是互联网提供给用户。允许数据和应用程序在远程服务器上存储和运行，而不是在本地设备或个人计算机上，从而提供更大的灵活性和规模经济。在云计算模型中，资源可以根据需求快速分配和释放，实现高效的资源利用。对于智慧农业而言，云计算提供了一个强大的平台，以支持大量数据的存储、处理和分析，这对于实时监测农业生产环境、优化农业管理决策和提高作物产量至关重要[2]。云平台的可扩展性确保了即使在数据量剧增的情况下，也能够提供稳定和高效的服务。同时，云计算支持物联网设备的集成，使得从田间收集的数据能够即时上传到云端进行分析，为农业生产提供科学指导。此外，通过利用云计算，智慧农业可以实现数据共享和跨区域协作，大幅提高资源利用效率和生产力。因此，云计算在构建基于物联网的智慧农业生产模式中发挥着不可或缺的作用。
1.3 智慧农业
智慧农业是应用先进的信息技术和设备，如物联网、云计算、大数据分析和人工智能，优化农业生产过程的一种现代农业模式。其目标是通过精确管理和智能决策，提高农业生产效率、产品质量。在智慧农业系统中，利用传感器和监控设备收集有关土壤、气候、作物生长等的详尽信息，并将这些数据传输至云平台进行分析，以实现对农业生产环境的全面了解和实时监控。基于这些数据，可以做出更加精准的农业管理决策，如灌溉、施肥和病虫害防治的优化，从而降低资源浪费并提高作物产量[3]。智慧农业还包括自动化技术的使用，如无人机和自动化拖拉机，这些技术能够减少人力需求，提高操作效率。此外，智慧农业还致力于数据的共享和分析，通过对大量农业数据的集成和挖掘，能够揭示作物生长的深层次规律，进而指导农业生产实践。总体而言，智慧农业是对传统农业模式的一次重大革新，借助最新的科技手段，不仅提高了农业生产的智能化程度，也为实现农业的可持续发展提供了强有力的支持。
基于物联网云平台的智慧农业生产模式的构建
2.1 框架
智慧农业生产模式的构建基于物联网云平台，通过集成多种技术实现农业生产的智能化，其系统框架如图1所示，通过现场图像、传感器数据、气象信息、CO2浓度监测、土壤湿度监测和遥感（RS）技术，实现对农田环境的全面感知。感知节点收集的数据通过物联网技术传输至云平台，在这里进行综合处理和分析。云平台的核心集成了WebGIS、决策支持系统（DSS）和专家系统（ES），在互联网的支持下，为用户提供数据的可视化、分析处理和根据数据出来结果给出的决策建议。用户可以通过移动终端、个人电脑（PC）和个人数字助理（PDA）等不同设备，随时随地访问这些服务。这种模式不仅提高了数据处理的效率，还使得远程监控和管理成为可能。
此外，整个框架还突出了物联网的实时性和智能化特点，传感器和监测设备实时监测农业生产环境，及时反馈数据至云平台，而决策支持系统和专家系统则基于这些数据提供科学的管理和操作建议[4]。通过这种高度集成的智慧农业框架，能够确保从数据收集到决策执行的各个环节都高度自动化和智能化，大大提高了农业生产的效率和效益，同时也为可持续农业发展提供了技术支持。这一框架的实施，是传统农业向智慧农业转型的关键步骤，体现了物联网云平台技术在现代农业中的应用潜力和价值。
2.2 实施数据收集与分析
实施数据收集时，智能传感器网络在关键节点部署，如作物根区、田间和温室，收集温度、湿度、土壤pH值、光照强度和CO2浓度等数据。这些传感器每15分钟记录一次数据，保证了信息的实时更新。通过物联网技术，收集到的数据实时传输至云平台，形成实时数据库。
数据表格的构建便于跨时间段的趋势分析和模式识别，云平台上的数据分析工具可自动执行这些任务。数据分析不仅包括基础的统计分析，如平均值、中位数和标准偏差的计算，还包括更高级的分析，如时间序列分析、预测模型和机器学习算法。例如，分析可能显示，土壤湿度在炎热的中午时分下降到临界值30%，提示需要启动灌溉系统。同时，光照强度与CO2浓度的相关性分析有助于优化温室中的光合作用条件。
利用云平台进行的数据分析还可识别出异常模式，如数据突变可能表明设备故障或非预期的环境变化，如病虫害的出现。通过这些深入的分析，农业生产者能够做出基于数据驱动的决策，如调整灌溉计划、施肥策略和病虫害管理，提高作物产量和降低资源浪费。智慧农业生产的数据收集与分析是一个动态、迭代的过程，随着时间的推移和数据积累，分析结果会越来越精准，进而持续优化整个农业生产过程。
2.3 远程监控与控制
远程监控系统集成了各种传感器，如气象站、土壤湿度传感器和图像捕捉设备，它们实时传输数据到云平台。通过这些数据，监控系统可以提供作物生长状态的全景视图，同时通过机器学习算法预测作物疾病和害虫入侵的概率。在控制方面，物联网云平台通过自动化设备，如灌溉系统、肥料喷洒器和无人机，对农业生产进行精确调控[5]。以智能灌溉为例，系统根据从传感器收集的土壤湿度数据和天气预报信息，计算出作物所需水分，并自动调整灌溉量和频率。这样，既保证了作物的水分需求得到满足，又避免了过量灌溉造成的资源浪费。智慧农业生产系统还包括智能诊断和决策支持功能，能够在检测到生产异常时自动发出警报，并提供可能的解决方案。例如，如果监测到某区域的作物出现生长缓慢的迹象，系统会分析可能的原因，如养分不足或疾病感染，并建议相应的干预措施。
3
物联网云平台在提高智慧农业生产效率方面的应用
3.1 自动化技术
在物联网云平台提升智慧农业生产效率的背景下，自动化技术扮演着关键角色，其应用范围涵盖从播种、灌溉到收割等各个生产环节。以精准灌溉系统为例，自动化技术能够根据土壤湿度H和作物需水量W调整灌溉策略。灌溉量I的计算可以用以下公式表示：
I=W−(R+H)
其中R表示由于降雨而不需要的灌溉量。通过自动收集的土壤湿度数据和天气预报中的降雨概率，系统能够自动计算并调整灌溉设备输出，确保作物得到充分而有效的水分供给[6]。
在植保管理中，无人机自动化喷洒系统利用物联网技术收集的数据，识别病虫害发生的精确位置和程度，据此计算出最优的农药使用量P，其计算公式如下：
P=A·(C·D)
其中A代表受影响的区域面积，C是单位面积所需的农药浓度，而D代表病虫害严重程度的指标。通过这些自动化技术，不仅提高了作业效率和精度，还显著减少了资源浪费和环境污染。此外，物联网云平台上的数据分析和机器学习算法，可以进一步优化自动化设备的工作参数，通过大数据分析发现生产中的潜在问题，并在问题发生前预防或者调整策略。
3.2 机器人技术
在物联网云平台的支持下，机器人技术在智慧农业中应用于各个生产环节，极大地提升了作业效率和精度。以自动化果园管理为例，采摘机器人可以利用机器视觉系统识别成熟的水果，并进行精准采摘。机器人能够实时接收到云平台分析的图像数据，通过识别水果的颜色、大小和形状，决定哪些水果是成熟并准备采摘的。例如，在一个自动化的果园中，机器人每天可以检查并采摘约5000个成熟水果，而传统人工采摘的效率可能仅为1000个水果。不仅如此，机器人在田间的移动轨迹也被优化，以减少能源消耗并提高作业速度。这种优化可以降低整体能源消耗率达20%，同时还提高了作业速度约15%。
农业机器人同样可以执行土壤耕作、施肥、植保和收割等任务，通过实时从云平台接收土壤湿度、养分水平和作物生长数据，机器人可以自动调整作业策略，以确保最高的生产效率[7]。例如，机器人在施肥过程中，根据土壤检测结果，可调节施肥量，平均减少化肥使用量约10%，同时保持或提高了作物产量。
3.3 资源优化及效果
物联网云平台在智慧农业中的应用，不仅提升了生产效率，还实现了资源的优化使用。通过精确控制和实时数据分析，可以确保水资源、肥料、能源等输入物的合理分配和使用，从而降低成本并提升作物产量和品质。资源优化的实施通常包括对水资源的智能管理，如精准灌溉系统根据土壤湿度和气象数据调整灌溉策略，确保作物需水量与供给之间的平衡。通过物联网技术，可以远程监控水位和流量，优化灌溉时间和频率[8]。
上表显示，通过物联网云技术的应用，水资源使用量降低了20%，而作物产量提升了5%。肥料使用量减少了15%，同时作物产量提升了10%。能源消耗降低了20%，尽管能源消耗的降低并没有直接转化为作物产量的提升，但它降低了农业生产的整体能耗，对环境和成本控制有正面影响。
4
结语
本模式构建了全面的物联网云基础系统，用以提升智慧农业的生产效率和资源利用率。研究成果表明，利用物联网云平台可以实现对农业生产的精确监控和智能决策，显著提高了农业资源的使用效率。在自动化技术和机器人技术的帮助下，生产过程更加高效，而资源优化分析证实了成本的减少和产出的增加。本文所构建的模式不仅在经济上可行，而且在环境和社会层面上具有深远的影响，为农业生产的未来发展指明了方向。
参考文献：
[1]朱戴远.基于物联网技术的智慧农业发展模式研究[J].电脑乐园,2022(3):.1-3.
[2]朱戴远.基于物联网技术的智慧农业发展模式研究[J].电脑乐园,2022(3):121-123.
[3]陶雄杰.基于物联网云平台与边缘计算的数字孪生车间构建研究[J].电子技术与软件工程,2022(5):21-24.
[4]孙鲁青,李婧,郭公浦.5G背景下物联网技术助推智慧农业建设模式研究--以中小林果种植企业为例[J].智慧农业导刊,2021,1(5):4.
[5]海涛,王秋晨,杨嘉芃,等.基于LPWAN物联网的PM2.5监测系统[J].桂林理工大学学报,2023,42(4):1002-1008.
[6]商量.基于IOT云平台的智慧农业联动系统[J].南方农机,2023, 54(15):55-58.
[7]张清淘.基于物联网技术的智慧农业远程监控系统设计[J].南方农机,2023,54(2):84-86.
[8]徐小飞,王卓.基于物联网云平台的遂溪县灌区管理系统构建研究[J].水利信息化,2023(3):82-86.
作者单位：湖北宠梦电子商务
http://www.nygcjs.cn/cn/article/doi/10.16815/j.cnki.11-5446/s.2024.17.003
2025年出版12期，刊号：CN11-5436/S。
邮发代号：82-133
订阅方式：编辑部直接订阅
订阅地址：北京朝阳区麦子店街41号
邮编：100125
订阅电话：010-59195603
订阅及投稿邮箱：nyxxh2015@163.com
