《农业物联网技术及其应用》系统地介绍了农业物联网技术的理论基础和实际应用,主要包括农业信息的快速感知、无线传输、智能处理与控制的关键技术、装备及实际应用案例。总体思路是在详细介绍农业物联网基本技术原理的基础上,介绍相关关键技术及其实际应用案例,并结合著者团队相关研究成果进行农业物联网综合应用的说明。《农业物联网技术及其应用》立足于团队十多年的研究成果,实现了理论和应用的统一,使读者对物联网技术在农业中的应用有全面系统的了解。
《农业物联网技术及其应用》可作为高等农业院校农业物联网、农业信息化、农业工程、农业电气化等相关方向本科生和研究生的专业教材,也可作为非农业高等院校物联网技术、信息技术等相关方向本科生和研究生的选修教材,亦可作为农业和农村信息化领域同行和技术人员的培训教材和参考书。
适读人群 :本书可作为高等院校农业工程、生物系统工程等专业教学教材,也可供有关技术人员阅读参考。
农业物联网技术是农业与物联网技术的交叉和融合,是农业信息化和“互联网+农业”的重要内容,是实现农业生产自动化、信息化和智能化的重要途径,对实现我国农业现代化和可持续发展具有重要意义。
物联网(internet of things,IoT)技术是20世纪末21世纪初提出并发展起来的高新技术。物联网技术在互联网的基础上,通过感知技术和智能传感仪器,实现“万物互联”。近年来,伴随着网络通信、电子、控制、制造、云计算和传感器等技术的发展,物联网技术得到了迅猛发展,其应用范围几乎涉及各行各业,已成为世界各国提升国家竞争力的重要组成部分。在我国,物联网产业作为战略性新兴产业之一得到国家的大力扶持,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》和《物联网“十二五”发展规划》均对我国物联网产业的发展提出指导和规划。
农业是物联网技术的重点应用领域之一。当前,我国正处于传统农业向现代农业过渡阶段,物联网技术已逐步应用于农业生产的各个方面,如设施园艺、大田种植、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流、农产品溯源等领域。农业生产中作物生长的特异性、生产过程的长期性和生产环境的复杂性决定了物联网技术在农业应用中的特殊性,因此,必须结合农业生产实际情况,研发适于我国农业发展特色的物联网技术和装备,实现农业生产信息快速实时获取、稳定高效传输、生产作业的智能决策与精准控制,对节约劳动力成本、减少水肥药等农资投入、降低环境污染、提升农产品品质和产量、促进农业生态和谐和可持续发展具有重要意义。
本书的撰写团队是国内最早开展农业物联网技术研究和应用的团队之一,常年工作在农业传感仪器和农业物联网技术研究与应用的前沿,在农业生产信息采集与过程控制、农业传感器开发、农产品品质检测和溯源等,进行了广泛的探索和研究。本书著者、团队负责人何勇教授是“十二五”国家863计划现代农业技术领域主题专家、863计划项目首席专家,长期致力于农业物联网技术和智能农业装备的研究、开发、应用和推广。本书著者主持了多项与农业物联网技术相关的国家和省部级项目,积累了丰富的研发成果和推广应用经验,多次荣获国家和省部级科技成果奖励。
目前,国内外出版的相关专著和教材,偏重于介绍物联网技术理论基础,实际应用案例较少,缺乏一本理论与实践相结合的著作。本书是团队十余年农业物联网技术研究与推广应用的成果积累,是多个国家863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金及省部级科研项目的成果。内容上突出理论和实际应用的结合,从物联网技术的理论基础出发,结合著者对复杂农业环境的理解,通过典型案例展示物联网系统的整体性和应用效果,既详细介绍农业物联网的基本理论、关键技术,又面向农业各个方面的实际应用,深入浅出。本书主要内容包括农田土壤.作物.环境信息感知技术及其应用、畜禽水产养殖信息感知技术及其应用、农业对象个体识别、定位导航技术、遥感技术、信息传输与决策处理、物联网标准体系及实际应用案例分析,揭示了物联网技术在农业中的具体应用流程和方式。
何勇,浙江大学“求是”特聘教授、博士生导师。浙江大学农业信息技术研究所所长、浙江大学数字农业与农村信息化研究中心常务副主任、农业部设施农业装备与信息化重点实验室副主任,“十二五”国家863计划现代农业技术领域“数字农业技术与装备”主题专家、863计划项目首席专家、国家教学名师、国家百千万人才、国家农村信息化示范省指导专家、第四届教育部高校优秀青年教师、浙江省首届十大师德标兵、第四届浙江省十大杰出青年、浙江省有突出贡献中青年专家、全国优秀科技工作者,享受国务院政府特殊津贴。曾先后在日本东京大学、东京农工大学、美国伊利诺伊大学访问和担任客座教授。据:ESI新统计,全球共有4615名科学家进入农业科学领域前1%的“*被引科学家”,何勇教授名列72位,按T'OP论文数排序名列19位,H指数35。
主要从事农业物联网、农村信息化、农用航空和智能农业装备等方面的科研和教学工作。主持国家863计划、国家自然科学基金、国家科技支撑计划及省部级重点科研项目50余项。发表论文400余篇,其中SCI收录300余篇。出版著作和教材20多部,获授权发明专利70多项、软件著作权登记30多项。担任EI,SEVIER出版公司SCI收录农业工程杂志Computers and Electronics in Agriculture主编,Food and Bioprocess Technology,等10多本国际学术期刊编委,《农业机械学报》、《浙江大学学报》等10多本国内学术刊物的编委。担任国际农业工程学会(CIGR)第六分会委员、亚洲精细农业联合会常务理事。担任浙江省全国农村信息化示范省建设专家组组长、浙江省永康现代农业装备创新园区专家组组长,担任国际学术会议分会场主席、学术委员会委员30余次。负责的“精细农业”课程荣获国家精品课程和国家资源公开课程。指导的2位博士研究生分别获得2012年、2013年国家百篇优秀博士论文提名。获国家科技进步奖二等奖1项,浙江省科技进步奖一等奖3项、二等奖9项,
目录
前言
第1章 绪论1
1.1物联网的起源与发展1
1.2物联网的概念与内涵1
1.2.1物联网的概念1
1.2.2物联网的内涵2
1.3物联网的发展历史与现状3
1.3.1物联网发展历史3
1.3.2各国物联网的发展战略3
1.3.3物联网的典型行业应用5
1.4农业物联网系统8
1.4.1农业物联网的架构8
1.4.2农业物联网的特点8
1.4.3农业物联网的应用11
1.5农业物联网的发展前景12
参考文献13
第2章 土壤信息感知技术14
2.1概述14
2.2土壤特征指标感知技术14
2.3土壤养分指标感知技术17
2.4土壤污染指标感知技术24
参考文献27
第3章 农作物信息感知技术28
3.1概述28
3.2作物养分信息感知技术28
3.2.1作物养分信息传统检测方法28
3.2.2作物养分信息快速检测方法30
3.3作物生理形态信息感知技术38
3.3.1作物生理信息感知技术38
3.3.2作物三维形态信息感知技术42
3.4作物病虫害信息感知技术46
3.4.1作物病害信息感知技术47
3.4.2作物虫害信息感知技术50
参考文献54
第4章 农田环境信息感知技术58
4.1概述58
4.2传感器技术58
4.3农田环境信息感知传感器技术59
4.3.1温度传感器59
4.3.2热电偶和热电阻传感器61
4.3.3湿度传感器62
4.3.4光照传感器64
4.3.5光电传感器64
4.3.6二氧化碳传感器65
4.4农田小气象(小气候)67
4.4.1风速、风向传感器68
4.4.2雨量传感器70
4.4.3蒸发量传感器71
4.4.4辐照(辐射)传感器72
4.4.5应用案例73
参考文献78
第5章 畜禽水产养殖信息感知技术80
5.1概述80
5.2畜禽养殖信息感知技术80
5.2.1畜禽养殖背景80
5.2.2畜禽养殖物联网信息感知技术架构81
5.2.3主要应用系统82
5.2.4畜禽养殖信息感知的传感器技术86
5.2.5应用案例88
5.3水产信息感知技术93
5.3.1水产养殖背景93
5.3.2水产信息感知系统94
5.3.3水产养殖水质感知技术95
5.3.4应用案例107
参考文献107
第6章 个体识别技术109
6.1射频识别技术原理与应用109
6.1.1射频识别技术原理109
6.1.2RFID电子标签应用111
6.2二维码个体识别技术114
6.2.1二维码识别技术原理114
6.2.2二维码的编码分类114
6.2.3二维码的应用及发展前景116
6.3条形码118
6.3.1一维条码技术的基础术语118
6.3.2维条码的结构119
6.3.3维条码的编码方法119
6.3.4维条码个体标识119
6.3.5条形码的种类122
6.3.6条形码扫描阅读原理123
6.3.7常用条形码扫描器工作方式及性能分析124
6.3.8条形码阅读设备选择125
6.4二维码、RFID比较与应用126
6.4.1二维码应用特点126
6.4.2RFID与二维码之间的比较127
6.4.3二维码、RFID相结合在农业生产、加工、物流全过程应用127
参考文献127
第7章 定位与导航技术129
7.1概述129
7.2全球卫星定位系统131
7.2.1GPS走位方式132
7.2.2GLONASS卫星导航系统143
7.2.3伽利略定位系统144
7.2.4北斗卫星导航系统145
7.2.5COMPASS卫星导航系统149
7.2.6卫星导航系统的兼容性与互操作性153
7.3农机导航156
7.3.1农机导航的关键技术156
7.3.2基于农机动力学模型的导航路径跟踪控制方法156
7.3.3模型无关的导航路径跟踪控制方法157
7.3.4农机自动导航应用158
参考文献161
第8章 农业遥感技术163
8.1概述163
8.1.1农业遥感的定义163
8.1.2遥感技术的分类164
8.1.3农业遥感系统的组成165
8.2农业遥感的基本原理165
8.2.1辐射165
8.2.2大气窗口167
8.2.3地物波谱特性168
8.3遥感数据处理171
8.3.1遥感数字图像处理171
8.3.2影像判读171
8.3.3影像的目视解译171
8.3.4数据解译172
8.3.5相关软件173
8.4农业遥感平台分类173
8.4.1地面遥感174
8.4.2航空遥感174
8.4.3航天遥感176
8.5农业遥感的应用179
8.5.1基于遥感的作物信息感知179
8.5.2基于遥感的土壤信息感知183
8.5.3基于遥感的水体信息感知185
8.5.4基于遥感的环境信息感知188
参考文献189
第9章 通信技术192
9.1概述192
9.2有线通信技术192
9.2.1电力载波组网传输技术192
9.2.2现场总线技术200
9.3无线通信技术208
9.3.1物联网无线通信技术208
9.3.2常用的农业物联网无线通信技术213
9.44G、SG通信技术219
9.4.1移动通信的发展历程219
9.4.24G网络体系和层次结构220
9.4.3SG发展的新特点225
参考文献233
第10章 网络技术236
10.1概述236
10.2Zigbee组网原理与应用236
10.2.1IEEE802.15.4技术标准236
10.3ZigBee组网原理239
10.3.1ZigBee技术概述239
10.3.2ZigBee组网原理240
10.3.3ZigBee网络性能242
10.4主动诱导式自组织农业物联网通信协议243
10.4.1主动诱导式组网原理243
10.4.2主动诱导式网络局部智能维护原理251
10.5网络结构254
10.5.1星型拓扑网254
10.5.2网型拓才l、网255
10.5.3环型拓扑网255
10.5.4树型拓扑网256
10.5.5混合型拓扑网257
参考文献258
第11章 农业信息处理技术259
11.1农业信息技术基本概念259
11.1.1农业信息特点及类型259
11.1.2物联网中的农业信息260
11.2基础农业信息处理关键技术261
11.2.1数据搜索技术261
11.2.2数据存储技术262
11.2.3丢计算技术263
11.2.4大数据处理265
11.2.5地理信息系统267
11.2.6农业物联网数据的标准化269
11.3多源农业信息融合与处理技术271
11.3.1多源信息融合技术的概念和原理271
11.3.2算法与模型融合技术272
11.3.3融合控制技术273
参考文献273
第12章 农业信息决策与处理275
12.1概述275
12.1.1物联网对农业信息处理技术的新要求275
12.1.2农业信息智能处理方法简介275
12.2农业专家系统276
12.2.1农业专家系统概述276
12.2.2农业专家系统的构建与实例280
12.3农业智能决策支持系统281
12.3.1农业智能决策支持系统的概述281
12.3.2农业智能决策支持系统的结构理论282
12.3.3农业知识规则的确定284
12.4农业预测预警289
12.4.1农业预测预警概述289
12.4.2农业预测预警方法291
12.4.3农业预测预警的分类与应用实例294
参考文献295
第13章 农业物联网标准化与系统应用297
13.1概述297
13.2农业物联网标准相关概念298
13.2.1标准298
13.2.2标准化299
13.2.3标准体系299
13.3物联网标准化体系300
13.3.1物联网感知层标准化300
13.3.2物联网传输层标准化301
13.3.3物联网应用层标准化302
13.3.4农业物联网标准概述302
13.3.5农业物联网标准的重要性303
13.3.6农业物联网标准体系304
13.3.7农业物联网应用系统标准化305
参考文献306
第14章 种植业物联网系统应用307
14.1大田农业物联网系统应用307
14.1.1大田农业物联网概述307
14.1.2大田农业物联网的特点307
14.1.3大田农业物联网系统组成308
14.1.4土壤墒情监控系统309
14.1.5农田环境监测系统311
14.1.6测土配方施肥管理系统312
14.1.7大田作物病虫害诊断与预警系统313
14.2设施农业物联网系统应用314
14.2.1设施农业的概述314
14.2.2设施农业物联网监控系统315
14.2.3设施农业物联网应用系统的功能316
14.2.4设施农业病虫害预测预警系统317
14.2.5设施农业物联网重点应用领域318
14.3果园农业物联网系统应用319
14.3.1概述319
14.3.2果园种植物联网总体结构319
14.3.3果园环境监测系统320
14.3.4果园害虫预警系统321
14.3.5果园土壤水分和养分检测系统321
14.3.6应用案例322
参考文献330
第15章 畜禽水产养殖物联网系统应用331
15.1畜禽农业物联网系统应用331
15.1.1概述331
15.1.2畜禽农业物联网系统的架构332
15.1.3畜禽物联网养殖环境监控系统333
15.1.4精细喂养管理系统335
15.1.5动物繁育监控335
15.1.6畜禽物联网应用案例336
15.2水产农业物联网系统应用338
15.2.1概述339
15.2.2水产农业物联网的总体架构339
15.2.3冰产养殖环境监测系统341
15.2.4水产养殖精细投喂系统342
15.2.5水产养殖疾病预防系统342
15.2.6水产农业物联网应用实例343
参考文献346
第16章 农产品安全溯源系统应用348
16.1农产品加工物联网系统应用348
16.1.1概述348
16.1.2农产品加工物联网的总体架构349
16.1.3畜禽产品跟踪与追溯系统349
16.1.4畜禽批发市场管理系统350
16.1.5畜禽快速检疫系统350
16.1.6畜屠宰加工管理系统351
16.1.7应用案例351
16.2农产品物流物联网系统应用351
16.2.1农产品物流物联网概述351
16.2.2农产品物流物联网的特点352
16.2.3农产品物流物联网的主要技术353
16.2.4农产品物流物联网系统总体架构354
16.2.5农产品配货管理系统356
16.2.6农产品质量追溯系统356
16.2.7农产品运输管理系统356
16.2.8农产品采购交易系统356
16.2.9应用案例357
参考文献358