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農業物聯網技術與大田作物應用 版權信息
- ISBN:9787030724786
- 條形碼:9787030724786 ; 978-7-03-072478-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
農業物聯網技術與大田作物應用 內容簡介
農業物聯網技術是計算機技術、電子信息技術、網絡技術、通信技術、人工智能技術等交叉應用在農業領域的前沿技術,是智慧農業發展的重要技術支撐,是我國農業現代化、綠色高效可持續發展的重要技術方向。 本書系統總結了編著者在農業物聯網技術研究及其在小麥、玉米等大田作物中的應用成果,著重介紹了農業物聯網的基本原理、關鍵技術的實現過程和生產應用方法,力爭為讀者提供農業物聯網技術及其大田作物應用過程的全面知識。本書包含8章內容,首先對國內外農業物聯網現狀進行了概述,然后,系統介紹了農業物聯網傳感及傳輸的技術和方法、農業物聯網大田信息采集系統、農業物聯網數據管理系統、基于物聯網的環境數據異常檢測系統、基于物聯網圖像處理的作物生長監測系統,*后,介紹了農業物聯網的發展趨勢和前景展望。 本書是一部農業物聯網技術研究與大田作物信息化生產有機結合的專著,可作為智慧農業、農業工程與信息技術、計算機科學與技術及與之相關學科的科技人員、教育工作者、農技推廣人員、農業管理人員及研究生、本科生等的參考讀物。
農業物聯網技術與大田作物應用 目錄
前言
**章 物聯網概述 1
**節 物聯網的概念與發展 1
一、物聯網基本概念 1
二、物聯網概念的產生與發展 2
三、物聯網的基本特點 7
第二節 物聯網體系架構及關鍵技術 8
一、物聯網體系架構 8
二、物聯網關鍵技術 11
第三節 物聯網的應用 14
一、物聯網應用領域 14
二、物聯網應用案例 17
第四節 農業物聯網的發展與應用 19
一、農業物聯網的定義 19
二、農業物聯網的發展現狀 20
三、農業物聯網大田作物應用 24
參考文獻 25
第二章 農業信息傳感技術 28
**節 農業傳感器技術 28
一、農業物聯網與傳感器 28
二、農業傳感器的基本原理 28
三、農業傳感器的分類 29
四、農業傳感器的應用 39
第二節 基于電學與電磁學原理的農業傳感技術 41
一、土壤含水量傳感技術 41
二、土壤電導率傳感技術 51
三、土壤養分傳感技術 54
四、大氣壓力傳感技術 55
第三節 基于光學與光輻射原理的農業傳感技術 57
一、太陽輻射傳感技術 57
二、光照度傳感技術 60
三、雨量傳感技術 62
四、CO2傳感技術 64
五、視頻圖像傳感技術 66
第四節 基于熱傳導原理的農業傳感技術 73
一、土壤溫度傳感技術 73
二、空氣溫濕度傳感技術 74
三、風速風向傳感技術 77
參考文獻 81
第三章 農業信息傳輸技術 83
**節 無線傳感器網絡 83
一、無線傳感器網絡概述 83
二、無線傳感器網絡的體系結構 85
三、無線傳感器網絡的特點 86
四、無線傳感器網絡的關鍵技術 90
第二節 藍牙技術 93
一、藍牙技術簡介 93
二、藍牙協議的體系結構 95
三、藍牙技術的特點 97
四、藍牙關鍵技術 98
第三節 WiFi技術 99
一、WiFi技術簡介 99
二、WiFi技術的網絡結構 100
三、WiFi技術的特點 101
四、WiFi網絡關鍵技術 102
第四節 ZigBee技術 103
一、ZigBee技術簡介 103
二、ZigBee技術的網絡結構 104
三、ZigBee技術的特點 105
四、ZigBee數據傳輸技術 106
第五節 窄帶物聯網技術 108
一、窄帶物聯網簡介 108
二、窄帶物聯網的網絡架構 109
三、窄帶物聯網的特點 110
四、窄帶物聯網的關鍵技術 110
參考文獻 113
第四章 大田信息采集系統 114
**節 大田信息采集系統的關鍵技術與實現 114
一、ZigBee網絡管理軟件設計技術 114
二、基于ZigBee的農田信息采集系統 116
三、斷點續傳技術 120
四、VPN技術 121
五、其他關鍵技術 123
第二節 系統總體框架設計與實現 126
一、下位機ARM+Linux系統 126
二、上位機農業信息管理系統 128
第三節 系統的驗證 132
一、數據精度驗證 132
二、ZigBee傳輸距離對數據的影響 133
參考文獻 134
第五章 農業物聯網數據存儲管理系統 136
**節 數據存儲方法與技術 136
一、數據存儲的基本概述 136
二、結構化數據存儲 137
三、非結構化數據存儲 138
第二節 農業物聯網數據存儲模型設計 140
一、農業物聯網數據特點分析 140
二、數據存儲模型總體設計 141
三、關鍵模塊詳細設計 146
四、存儲模型整體讀寫流程 162
第三節 農業物聯網數據管理系統 163
一、系統需求分析 163
二、系統架構設計 165
三、數據庫設計 166
四、系統平臺 173
五、系統實現 175
參考文獻 179
第六章 基于物聯網的環境數據異常檢測系統 181
**節 數據挖掘與異常檢測方法 181
一、分類技術 182
二、聚類技術 189
三、異常挖掘技術 194
第二節 大田作物環境數據分類算法研究 196
一、相關理論背景 197
二、算法描述 201
三、試驗結果與討論 203
第三節 基于數據流的大田作物環境數據聚類算法 211
一、相關理論背景 212
二、算法描述 214
三、小麥生長環境異常檢測原型系統 218
四、試驗結果與討論 222
第四節 基于物聯網的冬小麥晚霜凍害監測系統 224
一、物聯網在冬小麥晚霜凍害監測中的研究現狀 225
二、晚霜凍害監測系統技術路線及系統實現 226
參考文獻 246
第七章 基于物聯網圖像處理的作物生長監測系統 249
**節 圖像處理技術的基本原理與算法 249
一、圖像顏色空間模型 249
二、圖像預處理 253
三、圖像分割技術 256
第二節 圖像處理技術在農業中的應用 259
一、種子分析與分類 259
二、田間管理 260
三、作物收獲 260
四、作物生長營養診斷 261
第三節 小麥和玉米營養監測系統 262
一、基于圖像處理的小麥和玉米的營養監測系統 262
二、系統設計 263
三、小麥營養監測系統的功能設計與實現 265
四、玉米營養監測系統的功能設計與實現 279
第四節 基于圖像處理的作物植被覆蓋度識別 286
一、作物植被覆蓋度識別技術路線 286
二、圖像采集 286
三、圖像顏色空間轉換 288
四、圖像分割 290
五、結果分析 292
第五節 小麥病害檢測與防災減災系統 296
一、小麥病害檢測系統 296
二、基于物聯網的小麥生長環境異常檢測系統 313
參考文獻 323
第八章 農業物聯網發展趨勢和前景展望 326
**節 農業物聯網發展面臨的機遇與挑戰 326
一、農業物聯網發展機遇 326
二、物聯網在農業領域面臨的挑戰 330
第二節 農業物聯網發展需求與趨勢 336
一、農業物聯網發展需求 336
二、農業物聯網發展趨勢 337
第三節 農業物聯網發展對策與建議 345
一、制定農業物聯網標準 345
二、加快農業物聯網核心技術研發 346
三、加強農村現代化人才培養 346
四、加快促進技術轉化為生產效益 347
五、強化農業物聯網安全管理 347
六、建立農業物聯網綠色環保與廢物回收機制 348
參考文獻 348
農業物聯網技術與大田作物應用 節選
**章 物聯網概述 **節 物聯網的概念與發展 物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業的第四次技術革命,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,受到了全社會極大的關注。本章系統地介紹了物聯網的概念、產生與發展過程,闡明了物聯網的體系架構與關鍵技術,提出了物聯網的應用領域及相關案例,闡述了物聯網技術在大田作物中的應用與發展,以期為現代農業的發展提供技術支撐。 一、物聯網基本概念 物聯網(internet of things,IoT),顧名思義就是物物相連的互聯網。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,我們可以把物聯網看作是在互聯網基礎上通過對終端類型的延伸和擴展形成的新一代復合型網絡。相比傳統以計算機為主體的互聯網,物聯網將其用戶端(客戶端)延伸和擴展到了任何物品與物品之間,使得通過網絡互聯能夠進行信息交換和通信的對象變成了萬事萬物,即實現了泛互聯。 物聯網的概念,早在1999年就被提出,當時被稱為傳感網,其定義是:通過射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網相連接,以實現物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網利用感知設備獲取無處不在的現實世界的信息,實現物與物、物與人之間的信息交流,支持智能的信息化應用,實現信息基礎設施與物理基礎設施的全面融合,*終形成統一的智能基礎設施。 國際電信聯盟(ITU)發布的 ITU 互聯網報告,對物聯網做了如下定義:通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網相連接,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡,其概念圖如圖1-1所示。 根據國際電信聯盟(ITU)的定義,物聯網主要解決物品與物品(thing to thing, T2T)、人與物品(human to thing,H2T)、人與人(human to human,H2H)之間的互相聯結。但是與傳統互聯網不同的是,H2T是指人利用通用裝置與物品之間的聯結,從而使得物品聯結更加簡化;而 H2H是指人之間不依賴于計算機而進行的互聯。因為互聯網并沒有考慮到對于任何物品聯結的問題,故我們使用物聯網來解決這個傳統意義上的問題。當前,許多學者在討論物聯網時,經常還會引入一個 M2M的概念,可以解釋為人到人(man to man)、人到機器(man to machine)、機器到機器(machine to machine)。從本質上講,人與機器、機器與機器的交互,大部分是為了實現人與人之間的信息交互。 圖1-1 物聯網的概念圖 通過對上述概念的歸納總結,我們可以得出:物聯網是指通過各種信息傳感設備,實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息,與互聯網結合而形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人,所有的物品與網絡的連接,方便識別、管理和控制。 物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體,讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡,是互聯網的應用拓展,具有智能、先進、互聯的三個重要特征。國際電信聯盟曾描繪“物聯網”時代的圖景:當司機出現操作失誤時汽車會自動報警;公文包會“提醒”主人忘帶了什么東西;衣服會“告訴”洗衣機對顏色設置和水溫的要求等。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術,實現了物理空間與數字空間的無縫連接,也因此被稱為繼計算機、互聯網與移動通信網之后世界信息產業發展的第四次技術革命。 二、物聯網概念的產生與發展 (一)物聯網概念的產生 無論是物聯網還是傳感網,都不是*近才出現的新興概念。傳感器網絡的構想*早由美國軍方提出,起源于1978年美國國防部高級研究計劃局資助卡耐基梅隆大學(Carnegie Mellon University)進行分布式傳感器網絡研究項目。 1995年比爾 蓋茨在《未來之路》一書中也曾提及物聯網,只是當時受限于無線網絡、硬件及傳感設備的發展,并未引起重視。1995年夏天,在美國卡耐基梅隆大學的校園里有一個自動售貨機,如圖1-2所示,出售可樂且價格比市場上的便宜一半。所以,很多學生都去那個機器上買可樂。但是學生們經常發現,人跑過去,可樂已經售完,白跑一趟。于是有幾個聰明的學生想了一個辦法,他們在自動售貨機里裝了一串光電管,用來計數,看還剩下多少罐可樂。然后把自動售貨機與互聯網對接。這樣,學生們去自動售貨機前,可以先在網上查看一下還剩下多少罐可樂,免得白跑一趟。后來美國有線電視網(CNN)專程來學校,實地拍攝了一段新聞。當時還沒有物聯網(internet of things)這個概念。大家*初的想法很簡單,就是把傳感器(sensor)連到互聯網上,提高數據的輸入速度,擴大數據的來源。這是對物聯網的初次接觸。 圖1-2 美國卡耐基梅隆大學的可樂自動售貨機 明確的物聯網概念提出于1999年,來源于“ internet of things”一詞,由美國麻省理工學院(MIT)自動識別(Auto-ID)中心的 Kevin Ashton教授首先提出,其定義很簡單,即把所有物品通過射頻識別和條碼等信息傳感設備與互聯網連接起來,實現智能化識別和管理。也就是說,物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一個新技術。 早期的物聯網是依托射頻識別(RFID)技術的物流網絡,隨著技術和應用的發展,物聯網的內涵已經發生了較大變化。2005年11月17日,在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上,國際電信聯盟(ITU)發布《 ITU互聯網報告2005:物聯網》,提出了“物聯網”的概念。物聯網的定義和范圍已經發生了變化,覆蓋范圍有了較大的拓展,不再只是指基于 RFID技術的物聯網。報告中指出,無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨,世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行信息交換。射頻識別(RFID)技術、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。 過去,人們一直是將物理基礎設施和 IT基礎設施分開:一方面是機場、公路、建筑物,而另一方面是數據中心、計算機、寬帶等。而在物聯網時代,鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶融合為統一的基礎設施,實現人類社會與物理系統的整合。在此意義上,基礎設施更像是一塊新的地球工地,世界的運轉就在它上面進行,并達到“智慧”狀態,從而提高資源利用率和生產力水平,實現人與自然和諧統一。 (二)物聯網的發展 根據美國研究機構福里斯特研究公司(Forrester Research)預測,物聯網所帶來的產業價值將比互聯網大30倍,將成為下一個萬億美元級別的信息產業業務。“物聯網”概念的問世,打破了人類之前的思維方式,是當今世界經濟和科技發展的戰略制高點之一。 1.國外物聯網發展 2003年,美國《技術評論》中提出傳感網絡技術將是未來改變人們生活的十大技術之首。 2004年,日本總務省(MIC)提出 u-Japan計劃,該計劃力求實現人與人、物與物、人與物之間的連接,希望將日本建設成一個隨時、隨地、任何物體、任何人均可連接的泛在網絡社會,實現從有線到無線、從網絡到終端,包括認證、數據交換在內的無縫鏈接泛在網絡環境,100%的日本國民可以利用高速或超高速網絡。 2006年,韓國確立了 u-Korea計劃,該計劃旨在建立無所不在的社會(ubiquitous society),在民眾的生活環境里建設智能型網絡[如 IPv6(互聯網協議第6版)、BCN(Business Collaboration Network,商業協同網絡)、USN(Ubiquitous Sensor Network,無所不在的網絡)]和各種新型應用設施(如 DMB、Telematics、 RFID),讓民眾可以隨時隨地享有科技智慧服務。2009年韓國通信委員會出臺了《物聯網基礎設施構建基本規劃》,將物聯網確定為新增長動力,提出到2012年實現“通過構建世界*先進的物聯網基礎設施,打造未來廣播通信融合領域超一流信息通信技術強國”的目標。 2008年后,為了促進科技發展,尋找經濟新的增長點,各國政府開始重視下一代的技術規劃,將目光放在了物聯網上。 2009年歐盟委員會發表了歐盟物聯網行動計劃,描繪了物聯網技術的應用前景,提出歐盟政府要加強對物聯網的管理,進而引領世界物聯網的發展。 2009年1月28日,奧巴馬就任美國總統后,與美國工商業領袖舉行了一次“圓桌會議”,作為僅有的兩名代表之一, IBM首席執行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念,建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施。當年,美國將新能源和物聯網列為振興經濟的兩大重點。 2009年2月24日,IBM論壇2009上,IBM大中華區首席執行官錢大群公布了名為“智慧地球”的*新策略。此概念一經提出,即得到美國各界的高度關注,甚至有分析認為 IBM公司的這一構想極有可能上升至美國的國家戰略,并在世界范圍內引起轟動。今天,“智慧地球”戰略被美國人認為與當年的“信息高速公路”有許多相似之處,同樣被他們認為是振興經濟、確立競爭優勢的關鍵戰略。該戰略能否掀起如當年互聯網革命一樣的科技和經濟浪潮,不僅為美國所關注,更為世界所關注。 2020年,全球物聯網的連接數首次超過非物聯網連接數,這意味著物聯網發展達到了一個新的歷史時刻,但基于物聯網的應用開發和各類創新還并未達到非常豐富的程度,還具備較大的發展空間。 2.國內物聯網發展 中國在物聯網領域的起步很早,早在1999年,中國科學院上海微系統與信息技術研究所就撥款40萬元進行傳感網產品的研發,研發出的產品2003年開始在“動態北侖”等項目中得到應用,是物聯網在中國的早期發展。2004年年初,全球產品電子代碼管理中心授權中國物品編碼中心為國內代表機構,負責在中國推廣 EPC(產品電子代碼)與物聯網技術。4月,在北京建立了**個 EPC與物聯網概念演示中心。 2005年,國家煙草專賣局的卷煙生產經營決策管理系統實現用 RFID出庫掃描,商業企業到貨掃描。許多制造業也開始在自動化物流系統中嘗試應用 RFID技術。 2006年2月7日,《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中確定的“新一代寬帶移動無線通信網”重大專項中將傳感網列入重點研究領域。2008年11月,在北京大學舉行的第二屆中國移動政務研討會“知識社會與創新2.0”提出移動技術、物聯網技術的發展代表著新一代信息技術的形成,并帶動了經濟社會形態、創新形態的變革,推動了面向知識社會的以用戶體驗為核心的下一代創新(創新2.0)形態的形成,創新與發展更加關注用戶、注重以人為本。而創新2.0形態的形成又進一步推動新一代信息技術的健康發展。 2009年下半年,物聯網概念開始在中國盛行。尤其是自2009年8月7日,溫家寶總理在無錫調研時,對微納傳感器研發中心予以高度關注,提出了把“感知中國”中心設在無錫、輻射全國的想法,從此開啟了物聯網從技術研發到產業應用的發展大幕。物聯網、傳感網等概念引起業內外的廣泛關注,相關討論此起彼伏,把我國物聯網領域的研究和應用開發推向了高潮,無錫市率先建立了“感知中國”研究中心,中國科學院、運營商、多所大學在無錫建立了物聯網研究院,江南大學還建立了全國首家實體物聯網工廠學院。自溫家寶總理提出“感知中國”以來,物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一,寫入政府工作報告,物聯網在中國受到了全社會極大的關注,其受關注程度是美國、歐盟及其他各國不可比擬的。 2009年9月11日,“傳感器網絡標準工作組成立大會暨‘感知中國’高峰論壇”在北京舉
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