智能农业与物联网(论文)

农业复杂大系统的智能控制与农业物联网关系探讨陈一飞（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DiscussingonRelationbetweenAgriculturalInternetofThingsandAgricultureComplexLargeSystemIntelligentControlChenYifei(CollageofInformation&ElectricalPowerEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)AbstractThestudyonAgricultureComplexLargeSystemIntelligentControl(ACLSC)basedoncomplexlargesystemscyberneticsisanvaluableresearchingcontent.Inthispaper,theframeofIntelligentAgriculture(IA)dependingonlargesystemscyberneticsanddescribingofintelligentcontrolispresented,andwediscussedtheIAcontent.Bytheway,weindicatedthatIAmustbeclosefeedbackcontrolsystemwithintelligentcontrol.Ontheotherhand,basedonthenetworkstructure,thebasicdefinitionandframeofInternetofThingshadbeendiscussedtoo,andtherelationbetweenIAandInternetofThingshadbeenresearchedfirstlytoo.WedesignedtheworkpositionandfunctionofInternetofThingsinIAlargesystem,anddiscussedtheinterfacetoconnectIAsystem.KeywordsIntelligentAgriculture(IA),AgriculturalInternetofThings,NetworkController1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[1]。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[2]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[3]。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[1]。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[3]。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（radioFrequencyIdentification,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《Internetofthingsin2020》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[4]。（图2物联网体系架构）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[5]、蔬菜智能培育控制系统例子[5]、林业病虫害与防火预警系统例子[4]、物联网技术在区域农田土壤墒情监测应用例子[6]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