智能农业与物联网(论文)

陈一飞

（中国农业大学信息与电气工程学院电子信息工程系，北京 100083）

摘要： 基于复杂大系统智能控制理念来研究农业大系统的控制智能问题是一个富有挑战意义的课题。本文基于大系统控制理论以及的智能控制的定义构造出以农业复杂大系统智能控制为核心的智能农业系统架构，并对智能农业的内涵进行了阐述，指出智能农业应该是以农业大系统智能控制为核心的闭环系统。同时按照网络结构体系论述了物联网的基本含义，首次对智能农业与农业物联网的关系进行了论述，并指出了农业物联网在智能农业大系统中的位置和作用，探讨了与智能农业大系统的接口问题。

关键词：智能农业 农业物联网 网络控制器

Discussing on Relation between Agricultural Internet of Things and

Agriculture Complex Large System Intelligent Control

Chen Yifei

(Collage of Information & Electrical Power Engineering, China Agricultural University ,Beijing 100083,China)

Abstract The study on Agriculture Complex Large System Intelligent Control (ACLSC) based on complex large systems cybernetics is an valuable researching content. In this paper, the frame of Intelligent Agriculture (IA) depending on large systems cybernetics and describing of intelligent control is presented, and we discussed the IA content. By the way, we indicated that IA must be close feedback control system with intelligent control. On the other hand, based on the network structure, the basic definition and frame of Internet of Things had been discussed too, and the relation between IA and Internet of Things had been researched firstly too. We designed the work position and function of Internet of Things in IA large system, and discussed the interface to connect IA system.

Key words Intelligent Agriculture(IA), Agricultural Internet of Things, Network Controller

1 前言

进入21世纪后，特别是在我国十二五期间，如何使农业现代化更进一步、以及农业科技的发展支撑点在哪里等问题是农业工程界关注的话题。我国今后农业的发展是建立在农业物联网上、还是建立在发展智能农业、抑或其他方面上等都需要认真的研究。

回顾我国改革开放以来农业科技进步的脉络，无论是精准农业、数字农业、工厂化农业，还是后来提到更高层面上的农业信息化以及电脑农业等，似乎我们发现还没有很好的理顺彼此之间的关系，都是在跟着各自的概念和框架下在做各自的事情，还没有全面的、很好的从农业整体大系统角度把握农业科技的发展与技术进步。十五、十一五期间、以及列入国家“863”计划的精准农业、智能化农业信息技术应用等取得了很好的研究成果。特别是2004年，我国组织实施了“数字农业科技行动”研究开发了一批实用性强的农业信息服务系统，各省地的农业信息网全面开通和附着于此的电脑农业和农业专家决策系统的普及标志着我

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国农业信息化取得了突破。那么，接下来我国农业科技领域还要向什么方向发展？是巩固、完善已有的成果、还是扩大研究范围？还是另辟研究蹊径？要想回答这个问题，实际上要看我国农业系统目前的现状是怎样的，以及以上这些农业科技的着重点都解决了什么样的农业问题、以及要研究农民最需要、最关心的又是什么样的问题、和整体农业系统真正需要解决什么问题等等。

实际上，不难看出，以上这些农业科技的辉煌成就，从农业大系统角度看，它们仅仅解决了农业子系统的子问题，而绝大部分都是关注于农业对象的检测与识别研究、以及农业信息的处理和应用。如农田精准施肥、精准灌溉、土地精准平整等，解决的是农业大系统中的子子系统问题；而农业信息网和电脑农业解决的是作物长势及病虫害的检测、图像识别、农业信息处理的专家知识表达等等。此语虽有以偏概全之嫌，但仔细研究发现确为管中窥豹！显然，在这些科技成果、或研究关注的层面里，缺少了对农业大系统的整体控制的研究。

自2010年开始的物联网热一度使国人看到了发展我国农业现代化的方向，似乎我国农业科技的今后进步要建立在农业物联网上，于此同时开展了一些农业领域的物联网应用示范研究。但是物联网的真正含义是什么？它能解决什么问题？等似乎还没有明确的认识。同样2010年底，笔者首次提出了基于农业复杂大系统智能控制理念的“智能农业（IA）”概念，第一次从农业大系统角度论述了带有闭环智能调控的智能农业系统，指出了我国在十二五期间以及今后时期我国农业科技进步的一个发展方向。在这篇文章中，笔者提到了农业物联网问题，并认为其是一个在智能农业大系统架构中底层（现场层）的网络载体，而不应是凌驾于智能农业之上的、无所不能的技术。

本文简要的复述了这个智能农业理念，给出了有关物联网的相关定义和基本功能。结合智能农业大系统架构，论述了农业物联网的框架以及与智能农业系统的接口问题。其重要结论如下：

（1） 智能农业应当是包含农业大系统智能控制在内的体系。基于农业复杂大系统智能控

制的智能农业是一个递阶型网络控制大系统，并且是可以形成闭环的。其“智能”特性表现在：大系统的自愈性、自主的智能协同性和调控性；

（2） 农业物联网仅仅是一个网络，它不具备担当对农业系统进行调控的能力；

（3） 智能农业系统的有序、有效的运转离不开农业物联网的网络技术支持，但是农业物

联网必须具备信息的双向流动能力；

（4） 要达到农业物联网的有效应用必须要拓展其功能，必须构建一个物联网网络控制器。

同时在应用层与智能农业系统的智能协同控制器之间应具备友好的接口与界面；

2 智能农业理念的内涵和架构

目前以农业复杂大系统为基础从大系统控制论和智能控制系统角度对智能农业的研究已逐渐引起重视。从控制系统角度来阐述智能农业体系的应用层面，就是将各种技术集成在一起，将农业系统看成一个闭环的可控大系统，从更高的角度看农业系统的整体智能调控问题。基于大系统控制理念的智能农业要具备的两个要素：（1）反馈控制。在该体系中，从信息给定、处理、核心调控，再到信号的采集、反馈都应该形成闭环；（2）自主控制。所谓自主控制包含三层含义：一是系统的控制核心具备自适应的调整能力；二是系统的控制模型具备自学习和自整定能力；三是系统具备一定的自愈能力。

图1是文献一基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶型智能农业体系模型。在这个大系统中，分别对农业系统的产前、产中和产后的各个环节构建各自的农业子系统，并设计了系统的三个级别。而各个子系统均受各自的局部协同控制器的智能调控，同时应用多目

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标优化等智能手段做系统自适应寻优。而处于该系统宏观级的协调控制器则通过观测递阶和递阶信息流，借助于Internet网络将智能决策全局优化作为给定去约束各个局部协同控制器，从而达到整体系统的智能化和管控高效、合理化。

（图1.基于广义智能化大系统控制论构建的多级递阶智能农业体系模型）

在这个递阶型智能农业大系统中，微观级包含了农业系统最底层（现场层）的所有系统、是大系统的最终控制对象和信息采集对象，故由大量的传感器组成的农业传感网、以及由此而进化的横向的物-物相关联的物联网应该处于这个层面。可以看出，这些底层网络为实现智能农业大系统的整体最优调控起到了非常重要的管理信号、控制信号载体的作用。

3 对物联网与农业物联网的认识 3.1 物联网的定义

一个无可争辩的事实是：到目前为止，对物联网还没有统一的定义。比较权威的解释是文献四给出的如下4种定义：

（1） 定义1：把所有物品通过射频识别（radio Frequency Identification, RFID）和条码等信

息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

该概念最早是在1999年由麻省理工学院的Auto-ID研究中心提出，实质上等于RFID技术与互联网的结合应用；

（2） 定义2：由具有标识、虚拟个性的物体或对象所组成的网络，这些标识和个性信息

智能空间使用智能的接口与用户、社会和环境进行通信。

这个定义出自欧洲智能系统集成技术平台在2008年5月27日发布的题为《Internet of things in 2020》的报告。该报告认为RFID和相关的识别技术是未来物联网的基石，因此它更侧重于RFID的应用及物体的信息智能化；

（3） 定义3：物联网是以感知为目的的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。

其突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通

讯网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术队信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

这个概念出自我国工业和信息化部和江苏省联合向国务院上报的《关于支持无锡建设国家传感器创新示范区（国家传感网信息中心）情况的报告》；

（4） 定义4：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协

议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的借口，并与信息网络无缝整合。

这个概念来源于欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目组在2009年9月15日发布的研究报告。该项目组的主要研究目的是便于欧洲内部不同RFID的物联网项目之间的组网。

定义1和2主要强调物联网对物体对象识别的特点；定义3强调物联网感知实现物理世界的特点；定义4则说明物联网本身是一个全球性的基础网络设施。但无论何种定义，行业公认的物联网的基本功能有三个：感知、传输和应用，这也是物联网的三个基本层面。图2所示为物联网体系结构示意图。

（图2 物联网体系架构）

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3.2 物联网的短板

基于以上的分析，可以得出结论：（1）物联网是基于RFID发展而来的一种网络，其最明显的优势是在对对象的检测和识别、以及构成了一定的信息通道，也即在于它的感知层和传输层面上；（2）物联网的应用层面仅仅是对采集来的数据进行分析、处理，还不具备智能控制中的推理、演算和发出调控指令的能力；（3）物联网可能具有对采集来的数据进行一定的调节能力，但没有对控制对象的控制、调节能力，因为该网络中没有所说的“控制系统的大脑”；（4）从控制系统角度看，物联网中的信息流是自下（感知层）向上（应用层）的单向传输的；（5）单靠物联网根本不可能完成一个系统的智能的、自动的调控，所以最终它解决不了系统实现控制目标的问题。

故此，我们认为：针对一个控制系统、以及要实现对目标进行有效的调控而言，物联网的这些特点是它自身的短板！据此，我们把物联网只能看成一个控制系统的反馈检测通道是谓恰当的。如图3所示。

（图3.物联网在控制系统的位置示意）

3.3 对于农业物联网的认识

将物联网技术应用到农业系统、特别是农业现场级的信号检测与传输中，便构成了农业物联网的基本框架。目前所有论述物联网在农业领域的应用无外乎是给出了几个在农业检测中的应用例子，如葡萄设施栽培生态无线传感和滴灌智能控制系统例子、蔬菜智能培育控

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制系统例子、林业病虫害与防火预警系统例子、物联网技术在区域农田土壤墒情监测应

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用例子等。我们认为这些都仅仅涉及到传感器如何在农业系统的应用、以及如何构建检测传输网络问题，还没有涉及到对农业被控对象如何进行智能的、自动调控的问题。也因此，我们认为这样的例子仅仅说明：利用物联网的概念，解决了检测与信息传输的事情。那么这样的农业物联网无疑是初级的、和不成熟的，还没有上升到物联网的高层面上，如物-物相连！

那么，如何按照物联网的定义构建一个适合智能农业大系统控制要求的农业物联网则是一个值得重视的问题。

首先要明确的是：网络是信息的载体，而不是控制系统的全部。物联网也好、传感网也罢，要看它为谁服务。基于农业系统的低成本和实用性、通用性、一网多用等要求，我们应该将农业物联网的功能进行扩展。考虑到与农业大系统控制系统相融合，这里我们提出将农业物联网技术应该向如下几方面拓展的建议：

（1） 不仅将其设计为控制系统的检测、反馈通道，还要利用这个信道完成控制信息的前

向传输任务，即控制、调控任务；因此农业物联网必须具备信号的双向流动能力；

（2） 留有一定的带宽； （3） 网络坚强、稳定；

（4） 组网成本低，网络节点低功耗； （5） 开发农业物联网网络控制器，并具备与任何传感器和执行器有即插即用的兼容接口；

以上考虑的出发点是建立在目前暂时无需在农业领域实现物-物、人-物相联的功能，因为这些功能的实现势必需要农业控制系统成为无主控制系统——即控制系统中的各个节点谁都可以成为控制核心。而这些功能显然在目前农业控制领域中还不适用。

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4 智能协同控制器与农业物联网应用层的接口

在本文论述的智能农业大系统中，其控制性能一般体现在农业资源的协调配置、能耗约束和产出优化的调控方面上，故智能协同控制器是至关重要的环节，也是智能控制的一种体现。那么智能协同控制器如何与农业物联网有良好的接口则又是一个关键环节。基于上述农业物联网的拓展结构，我们不妨按照如图4所示的体系来研究接口问题。

（图4 智能协同控制器与农业物联网的接口示意）

图中所示，农业物联网的网络控制器起着承上启下的关键作用，而其具备怎样的接口将是至关重要的。这里按照物联网的一般定义，我们设计了农业物联网网络控制器的结构如图5所示。

(图5 物联网网络控制器架构)

在这个架构中，我们设计的农业物联网应具备四层功能：感知层、传输层、处理层和应用层。而网络控制器融合了处理层和应用层的内容，并在I/O界面设计了接口A和接口B。接口A用于农业领域传感器的即插即用，比如常用的RS232、RS485等，而接口B则用于网络外部拓扑传输接口，如以太TCP/IP等，这里定义为与智能农业协同控制器的接口。对于网络控制器的设计要求建议具备如下功能： （1） 融合以太网（Ethernet）、并基于TCP/IP通讯标准的接口

因为目前工业控制领域的控制网络,无论是有线的、还是无线的已经向用以太网络取代各种现场总线的方向发展，并大量兼容TCP/IP标准。因此今后绝大部分传感器的网络接口都具备基于TCP/IP协议的以太网接口；

（2） 具备路由器（Hub）功能，并含有网关

这是作为数据双向传输的一般要求而设计的；

（3） 具备数据处理和数据融合功能

这里我们定义其具备数据融合能力是基于将有用的、关联信息在此就地进行融合处理，然后将结果发往上位智能协同控制器，其可以极大地避免远程数据传出的数据丢失、和海量数据导致数据通道拥塞问题发生，又可以减轻智能协同控制器的在线运算负担；

（4） 具备数据暂存能力和防火墙

有些时候的网络数据传输是需要等待的，故有必要配置暂存器；

（5） 报警及热备份

作为一个具备网络控制功能及数据传输、和调节的关键环节，其故障报警及控制备

份处理是必备的措施；

为了实现智能农业大系统的有效控制，这里还要求农业物联网的感知层具备数据分解和数据锁存及放大驱动能力，最后通过此通道驱动通用执行器完成系统的控制和调节动作。

5 结论

构建一个网络一定都有其自身的目的。基于以上的论述，我们认为：物联网是一个专业的对各种信息的采集、传输和处理的网络。大量的信息通过这个网络汇总和处理，但是最终这些信息要流向哪里、为谁所用，则是我们要关心的地方。我们认为这些信息还是最终要流向需要它们的地方，如专家系统和控制系统的处理核心，如智能协同控制器。基于大系统控制理念的智能农业概念和系统架构是基于Internet构建的递阶型控制大系统，它是基于闭环的、反馈调控为基础的，故要求信息必须是双向流动的，即检测反馈信息流向和调控执行信息流向。基于我们对物联网的定义分析和理解，讨论了物联网在这个大系统中的地位和功能，拓展了农业物联网的基本功能，设计了农业物联网的四层功能。网络本身的好坏直接影响到控制系统的正常发挥。这里不仅与网络的物理媒介质量有关，还与网络控制器质量有关。因此，网络控制器是网络的神经中枢。它不仅处理、调配各种信息，还要进行适当的推理运算，即数据融合，最后还要具备有效的、实时的、可靠的发送能力。因此，这种网络控制器则是本文论述的智能农业大系统控制中的另一个核心。根据智能农业大系统控制要求，我们提出了农业物联网网络控制器概念，讨论了网络控制器应该具备的功能及接口问题。

参考文献

1. 陈一飞.智能农业：十二五期间我国农业科技进步前瞻,中国农业科技导报,2010,12(6):1-4 2. 赵春江,农村信息化技术,北京:中国农业科学技术出版社,2007

3. 陈一飞,杜尚丰.对农业大系统控制若干问题的思考,农业工程(创刊号),2011,vol.1,1:1-5 4. 张海涛,马建,熊永平.物联网技术应用,北京:机械工业出版社,2011,5. 5. 暴建民.物联网技术与应用导论,北京:人民邮电出版社,2011,10. 6. 彭力.物联网技术概论.北京:北京航天航空大学出版社,2011,9.

2012/3/11

作者： 陈一飞

中国农业大学信息与电气工程学院 电子信息工程系 自动化教研室

北京人，男，副教授，工学硕士，硕士生导师，IEEE会员

研究领域：复杂大系统建模与控制、智能控制理论与技术、智能农业控制技术与集成

课题资助：国家科学自然基金（61174088），国家十一五科技支撑计划（2006BAJ04B03-3）

联系：e-mail:glhfei@126.com

地址：北京市，海淀区，清华东路17号，中国农业大学65信箱，100083