1.提出背景

信息技术与农业的深度融合发展，促进了物联网、云计算、大数据等新兴技术对农业领域的渗透，大量物联网采集、传输、控制等硬件设备，桌面、移动、嵌入式软件产品涌入农业生产、经营、服务等领域，促进了农业信息服务范围的快速扩张和服务时效的显著提升。但由于农业生产的地域性、季节性、周期性等特点约束，在农业物联网技术推广过程中迫切需要解决服务主体软硬件产品接口不统一、资源分散、服务缺乏针对性，服务受体需求差异大、IT技能水平低、成本承担能力弱等主要问题；同时市场经济条件下农业的分散经营和生产模式，使得市场竞争参与者对信息的依赖比任何时候都更为迫切，大数据技术和数据应用的支持让农业数据得到规模化、多样化、实现高效率运用，将助力现代农业的发展。

2.拟解决的主要问题

（1）农业信息采集与传输困难问题

采集困难。农业信息采集缺乏开放的设备接口、系统接口、数据接口，各类物联网设备协同能力不足，难以做到实时采集、高效集成和无缝对接，导致农业物联网大数据采集基础支撑不足。

传输困难。农业生产现场的基础网络条件薄弱，不同生产场景环境复杂多变，造成采集数据传输存在成本高实时性差等问题，难以满足农业物联网实时监测与数据在线服务的要求，对农业生产数据的网络传输与汇集能力支撑不足。

（2）农业信息孤立与应用滞后问题

农业领域条块分割、资源分散，在缺乏数据采集标准体系的情况下难以实现共享协作，无法适应农业领域多产业、跨地域、多成因、强关联的应用需求。目前，国内研究普遍专注多源、异构、大规模等特征的农业物联网数据整合，但缺乏对多维度数据间隐含关系的利用，整合多流于形式，难以满足农业领域多品种、多成因、强关联的应用需求。

农业数据利用率普遍较低，应用层次较浅。农业领域通过各类传感器、网络挖掘、仪器检测、人工观测等途径产生了大量数据，这些数据通常包含位置、时间、气象、土壤、作物营养等内容，数据项之间存在强弱不一的关联性，如作物营养状况可能与气象、土壤、灌溉、施肥、施药等多维度数据项存在直接或间接的因果关系，基于单一维度、传统算法的数据分析无法充分挖掘农业大数据潜在隐含价值，应用层次较浅。

（3）农业信息服务缺乏针对性问题

农业物联网大数据分析主要服务区域是农村，主要服务对象是农民，受农业生产具有地域性、季节性、周期性等特点约束，当前的农业信息服务普遍存在着信息质量低、不能满足农民现实生产需要，农民实际应用信息不多，信息服务与农业、农民、农村关联紧密度不高等问题。

3.成熟程度

团队在农业物联网与大数据分析方面开展了大量工作，重点进行了农业物联网设备接口技术集成、不同农业生产环境下物联网传输解决方案研究、农业大数据分析技术与产业应用。团队承担各类相关课题20余项，获得国家发明专利20余项，发表学术论文60余篇。已研发农业物联网与大数据精准服务平台-“绿云格平台”，覆盖了京津冀及农业主产区个以上新型农业生产经营主体、农业园区、涉农企业，以及各级农业主管部门，打造了标准化生产、产业化经营和品牌化营销等农业物联网技术集成应用平台，实现了互联网+时代的农业生产经营新模式，提高了应用主体生产经营综合能力和核心竞争力，促进了农业资源的合理化利用，平均每亩节水10%以上、节约肥料成本10-20元、节约农药成本4-5元，同时节约农事操作的人力支出。

4.先进性

本技术先进性体现在以下几个方面：

（1）创新性地提出设施、大田、畜禽等多环境采集方法，主要包括农业数据传感体系、网络通信体系、传感适配体系、智能识别体系及软硬件资源接入系统，实现对结构化、半结构化、非结构化的海量数据的智能化识别、定位、跟踪、接入、传输、信号转换、监控、初步处理和管理等。

（2）针对农业大数据的数据海量、数据源异构、数据结构多样和数据变化快等特点，应用大数据去冗降噪、数据存储、融合技术、非结构化和半结构化数据的高效处理技术以及适合不同行业的大数据挖掘分析工具和开发环境等技术。

（3）构建了运行稳定、灵活扩展、响应及时的设备、数据和系统接口资源池。支持万余种市场成熟物联网设备；全类型、全格式数据库及数据文件；跨平台多终端信息系统的无障碍接入，实现了行业软硬件产品的高效集成和协同服务，极大提升我国农业软硬件行业的国际竞争力。

（4）通过移动互联网、物联网、云计算、大数据等现代信息技术与装备集成应用，为新型农业生产经营主体、农业园区、涉农企业等用户提供低门槛、低投入、零运维、高可用的个性化农技咨询、农业生产技术指导等信息服务，解决了信息化建设投入资金受限、一线生产人员文化水平偏低等现实问题，促进了农业新技术装备的快速落实和精准服务。

5.应用价值

本技术应用价值主要体现在以下方面：

（1）提升农产品品质。通过互联网设备和信息采集设备全面采集土壤、气象、水质、肥料、病虫害等各种信息，及时进行智能控制，减少病虫害发生，对水肥进行精准管理，让农作物在良好的环境中健康成长，提升农产品品质。

（2）提升农业精准服务水平。通过对气候、土壤和空气质量、作物成熟度，甚至是设备和劳动力的成本及可用性方面的实时数据收集，帮助农民在播种、施肥和收割作物等方面做出更明智的决策。

（3）提高农业生产管控智能化水平。采用云服务模式，在农业生产环境部署信息监控设备，实现生产现场数据的采集、传输；在云服务中心整合农业知识和采集的农情数据，实现农业生产需求信息快速处理、挖掘。

（4）改善粗放的农业生产经营管理方式。帮助合作社即时掌握农业生产与农业经济运行的状况，监测农业生产经营的成本收益变化，对经营过程中的收支记录进行持久化存储，并为农业生产经营活动提供分析决策，提高了农业企业事务监管的电子化、网络化水平，提高了工作效率，降低了运营成本。

随着信息技术与农业产业的深度融合，农业物联网与大数据精准服务平台的需求将逐渐增加，因此该技术的应用前景广阔。预计可在设施、大田、畜禽农业产业较发达的5个以上省市得到推广，成套推广产品不少于50套，可实现移动互联网、物联网、云计算、大数据等现代信息技术与装备的成果转化落地，促进示范基地肥、水、药等生产资料的合理化利用以及秸秆/畜禽粪便的资源化利用，提高了农业生产效率和资源利用率，亩节水10%以上，亩节约肥料成本10-20元，亩节约农药成本4-5元。可提升农业生产效率和资源利用率，从源头减少农业生产过程中水肥的过量施用和废弃物排放，使农田灌溉水有效利用系数达到0.55以上，主要农作物化肥利用率达到40%以上，农作物秸秆综合利用率达到85%以上，畜禽粪便综合利用率达到75%以上，实现土壤改良、节约化肥和农药减施，提高农产品质量，形成良性循环系统，可有效地推动生态农业快速健康发展，减少农业污染，改善作物品质，有效保持和改善周边生态环境。

1.技术体系

农业物联网与大数据精准服务技术模型体系架构技术体系具体包含以下四大部分：

（1）信息采集接口技术

为解决农业物联网中的多类型设备数据泛在接入问题，采用柔性化可定制信息采集接口，本技术体系中集成了动植物生长环境、动植物生理、视频采集等设备信息采集接口，提供网络、协议、数据等接口适配技术实现多类型设备的兼容，支持数据协议解析定义，支持数据校验、支持接入认证；支持M-JPEG、H.等多种视频编码格式，支持windows、Android、iOS等多平台，支持无插件化应用，对多种不同品牌摄像机的云台控制协议提供支持，具备整合统一视频接入平台的能力，能够实现视频设备的控制、管理以及视频浏览功能，实现环境、土壤、动植物生理、视频图像等农业物联网信息的无缝接入。

（2）网络传输与汇集技术

物联网技术在农业中大规模应用，信息采集设备获取数据的有效传输和互联网接入是亟需解决的关键问题。面向大田、果园、设施、畜禽养殖等不同类型复杂农业环境的信息可靠传输汇集需求，集成以太网、无线通信、自组织网络和多网络融合关键技术，整合多类型传输通信协议，实现本地农业物联网在不同农业生产场景下的多源信息融合与汇聚、数据压缩、差错控制技术。将农业生产环境、动植物生理、农机装备控制等多种、多源信息的汇聚与融合，并通过多种通信网络满足不同环境、不同使用条件下的实时稳定数据传输，实现本地物联网与互联网间有效的多网络协议、多种带宽方式、多源数据的无缝融合。

（3）大数据处理分析技术

因农业生产的地域性、季节性、周期性、多样性等造成农业物联网大数据来源广泛、类型多样、结构复杂等内在特征，难以应用通常方法处理和分析的数据集合。本系统根据农业的产业链不同应用场景特点，集成图像识别、大数据分析、深度学习、多任务协同调度、人工智能等先进技术实现农业多源异构大数据的多维度融组及领域化应用，深度挖掘农业生产、管理、流通过程中的数据间隐藏关联性，实现精准科学化的农业生产决策，辅助农业经营者提高生产经营效率。

（4）精准服务技术

面向农业生产环境监测、动植物本体信息监测、营养与疾病诊断、水肥智能决策、管控设备自动启停、多方远程协同诊断等生产经营主体核心需求，构建集数据采集、传输、处理、决策支撑等业务于一体、软硬件高度集成的农业精准服务技术体系，搭建硬件设备接口资源池、信息推送泵等应用支撑环境和业务应用系统，满足零延迟生产环境与作物生理信息监测、全时态数据稳定传输、毫秒级控制反馈与响应和定制化功能灵活组装需求，通过手机、电脑等多种渠道为农业生物环境精准监测、最优生长环境智能调节调控、作物营养多因子综合诊断和多专家协同的远程诊断与精准服务等提供技术支撑，有效提升农业生产管理效率和农业资源利用率，提高劳动生产效率和农产品品质质量。

2.技术的详细构成与技术组装

（1）信息采集设备

针对农业不同场景物联网信息采集需求，集成多类型信息采集终端，主要包括动植物生长环境监测设备、动植物生理监测设备、视频监控设备等，可全面监测农业全产业链各环节的水、土、气、动植物生理、生长环境等重要关键信息，为农业信息快速获取、生产环境智能预警与调控、肥水药精准等提供技术支撑，全面提升农业生产管理效率和农业资源利用率，提高劳动生产效率和农产品品质质量，节约水、肥、药、饲料投入及人力成本。

1）水、土、气环境监测设备

水、土、气环境监测设备主要对农业生产环境中的大气、土壤、降水等生长环境信息进行监测，监测指标包括土壤温湿度、空气温湿度、降雨量、太阳辐射、风速风向、有害气体浓度等，监测数据可通过手机、电脑等多终端实时查看并可进行共享分发。

①土壤墒情监测设备

土壤墒情速测仪为土壤墒情数据、土壤温度数据的采集、处理提供软硬件基础，主要由GPS终端设备和水分探测仪组成，可以探测不同监测站、不同土层的土壤温湿度值及经纬度信息。设备具有GPS模块定位功能，通过

GPS定位模块实现测墒地块的经纬度定位，设备可通过GPS进行地块面积量算。数据传输到墒情在线系统，完成墒情监测分布状态图，并按照用户要求的时间出具墒情简报，操作简单、方便快捷。设备能够支持全天候作业，在墒情数据采集的同时进行GPS自动定位，并能满足基本的数据处理和墒情自动评价功能。

②便携式气象站

便携式气象站，有单独的GPRS传输模式和ZigBee组网通过GPRS无线上传两种模式。设备主要由采集节点、路由采集节点、网关节点、服务器、用户终端组成，在服务器上配置了数据库和网页远程服务，用户可以远程实时监测到温室环境作物生长环境数据，并可以远程配置单个采集节点的报警上下限和采集节点的上传时间间隔。建立了多方位的智能报警系统，支持对环境异常情况的报警，满足在当环境异常时及时准确的报警来提醒用户以减少异常环境对温室作物产生的伤害和损失的要求，并且能够便于安装和使用。

③室外气象站

室外气象站用于基本气象数据和土壤信息的采集、存储、远程发送。数据可通过U盘导出历史记录，也可通过打电话和发送短信实时获取测量数据，并能够根据设置定时通过GPRS网络发送测量数据到监控中心。室外气象站通常在野外独立安装使用，配套太阳能供电系统结合超低功耗设计可完全独立运行，主要采集风速/风向、空气温湿度、降雨量、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等气象墒情数据。

④畜禽棚舍有害气体监测设备

畜禽棚舍有害气体监测设备主要由空气温度、空气湿度、CO2浓度、NH3浓度等传感器和网络传输模块组成，可实时监测畜禽棚舍内空气温度、空气湿度、CO2浓度、NH3浓度等关键指标，缩短数据采集周期，实时监测环境变化，为畜禽异常行为分析提供数据源。

⑤水产养殖水质监测设备

水产养殖水质监测设备在线实时测量显示水温、pH值、DO、NH4+、NO3、电导率等多个参数。pH值传感器可配三复合或两复合电极，以满足各种使用场所。设备具有处理速度快，测量指标分辨率低，测量精度较高，信息全面可靠，数据保存功能强大，最大可储存条数据。

2）植物生理监测设备

植物生理监测设备主要对作物生产过程中各阶段本体信息进行监测，监测指标包括叶片形态、叶片病斑、茎杆抗倒伏、作物叶绿素相对值、作物归一化植被指数、植物茎流速度、穗部形态、种子特征信息（颜色、尺寸、数量）等，监测数据可通过手机、电脑等多终端实时查看并可进行共享发。

①叶片形态及病斑测量仪

叶片形态及病斑测量仪采用机器视觉技术，通过高分辨率摄像头获取作物叶片图像，并实时进行图像处理，现场获取叶片及病斑的形态参数，主要应用于作物育种中抗病性分析、植物生理研究、作物栽培管理、生态系统研究等领域，和传统的直尺、网格纸方法相比，测量过程更加快速、准确，能够方便的辅助材料进行抗病性分析和鉴定。

②植物叶绿素、NDVI集成测量仪

植物叶绿素、NDVI集成测量仪利用可见、近红外光照射植物叶片，快速预测叶绿素相对值（SPAD）和归一化植被指数（NDVI）。系统可快速、及时、高效的了解农作物的缺肥情况，辅助基地管理人员准确掌握施肥时机。

③插针式茎流测量设备

插针式茎流测量设备基于ZigBee无线通讯模块进行设计，通过两个探针处的高精度温度传感器测量到被加热的茎流温度变化的时间差计算茎流速度，测量精度高，并通过无线传输的方式远程在系统主机上对茎流信号进行监测和定位，通过数据分析可用于指导林木生产，适用于大规模种植园区的生理监测，节省人力物力。

④光合呼吸测量设备

光合呼吸测量设备基于高灵敏度二氧化碳传感器、温湿度传感器、光合有效辐射传感器和嵌入式数据采集分析模块，结合适用于不同作物叶片的密闭叶室，可实现作物光合/呼吸/蒸腾速率的快速、无损测量，为作物生长状态分析提供支持。该设备支持野外使用。

⑤便携式茎秆抗倒伏性测量仪

便携式茎秆抗倒伏性测量仪采用无损检测方式，在田间实时获取作物茎秆受力大小及对应倾斜角度，通过无线通讯方式把数据传输到智能采集终端。智能采集终端能够直观显示受力及倾斜角度对应曲线关系，并通过内嵌抗倒伏模型，得出抗倒伏性能等级，为客观评定抗倒伏能力提供有力的数据支持，为筛选抗倒伏性强的种质资源提供高效、快速的测量设备。

⑥穗部形态测量仪

穗部形态测量仪采用机器视觉技术，通过高分辨率摄像头获取小麦穗部图像，并实时进行图像处理，现场获取穗长、穗宽、小穗数等形态参数，主要应用于小麦育种、小麦遗传研究、栽培等领域，和传统的直尺、人工目测等方法相比，测量过程更加快速、准确。

⑦室内快速考种设备

室内快速考种设备采用高精度摄像头和高精度称重传感器，基于图像处理技术，可针对不同水稻、小麦、玉米、大豆、油菜等作物种子进行测量。不但能实现待检测种子的颜色、尺寸、数量等信息的获取，而且能获取种子的重量并测算千粒重，极大方便了工作人员考种过程的测量。

②动物体温监测设备

体温是体现动物生长状态的重要生理指标，采用红外摄像头的方式进行群体动物体温监测，适用于大规模养殖环境，可实现群体中的发热个体快速甄别，提高对动物疫病的早期检测与防治。

③奶量自动计量设备

奶量自动计量设备由电子奶量计、奶量计量控制面板、动物电子识别设备、主控单元以及奶量自动计量软件系统等组成，实现对牛、羊、马等动物个体单次产奶量的精确计量，为动物分群与精准饲喂提供重要依据。通过对动物产奶量的实时电子计量，获取动物挤奶时长、产奶量、奶位号等信息，通过控制主机将产奶数据与动物个体信息进行关联，实现了动物产奶量的自动化计量与电子化归档，提高效率；通过云管理平台实现多平台的数据查看与管理。

④奶质监测设备

奶质监测设备由奶温监测报警设备与奶质监测预警软件系统组成，集成双路温度传感器监测，避免温度不均匀漏警，系统可通过现场声光、短信、







































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