农业物联网技术是计算机技术、电子信息技术、网络技术、通信技术、人工智能技术等交叉应用在农业领域的前沿技术，是智慧农业发展的重要技术支撑，是我国农业现代化、绿色高效可持续发展的重要技术方向。 本书系统总结了编著者在农业物联网技术研究及其在小麦、玉米等大田作物中的应用成果，着重介绍了农业物联网的基本原理、关键技术的实现过程和生产应用方法，力争为读者提供农业物联网技术及其大田作物应用过程的全面知识。本书包含8章内容，首先对国内外农业物联网现状进行了概述，然后，系统介绍了农业物联网传感及传输的技术和方法、农业物联网大田信息采集系统、农业物联网数据管理系统、基于物联网的环境数据异常检测系统、基于物联网图像处理的作物生长监测系统，最后，介绍了农业物联网的发展趋势和前景展望。 本书是一部农业物联网技术研究与大田作物信息化生产有机结合的专著，可作为智慧农业、农业工程与信息技术、计算机科学与技术及与之相关学科的科技人员、教育工作者、农技推广人员、农业管理人员及研究生、本科生等的参考读物。

第一章 物联网概述
　　第一节 物联网的概念与发展
　　物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业的第四次技术革命，已成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家长期竞争力的先导领域，受到了全社会极大的关注。本章系统地介绍了物联网的概念、产生与发展过程，阐明了物联网的体系架构与关键技术，提出了物联网的应用领域及相关案例，阐述了物联网技术在大田作物中的应用与发展，以期为现代农业的发展提供技术支撑。
　　一、物联网基本概念
　　物联网（internet of things，IoT），顾名思义就是物物相连的互联网。物联网的核心和基础仍然是互联网，我们可以把物联网看作是在互联网基础上通过对终端类型的延伸和扩展形成的新一代复合型网络。相比传统以计算机为主体的互联网，物联网将其用户端（客户端）延伸和扩展到了任何物品与物品之间，使得通过网络互联能够进行信息交换和通信的对象变成了万事万物，即实现了泛互联。
　　物联网的概念，早在1999年就被提出，当时被称为传感网，其定义是：通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，以实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网利用感知设备获取无处不在的现实世界的信息，实现物与物、物与人之间的信息交流，支持智能的信息化应用，实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合，*终形成统一的智能基础设施。
　　国际电信联盟（ITU）发布的 ITU 互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，其概念图如图1-1所示。
　　根据国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物品与物品（thing to thing， T2T）、人与物品（human to thing，H2T）、人与人（human to human，H2H）之间的互相联结。但是与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的联结，从而使得物品联结更加简化；而 H2H是指人之间不依赖于计算机而进行的互联。因为互联网并没有考虑到对于任何物品联结的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。当前，许多学者在讨论物联网时，经常还会引入一个 M2M的概念，可以解释为人到人（man to man）、人到机器（man to machine）、机器到机器（machine to machine）。从本质上讲，人与机器、机器与机器的交互，大部分是为了实现人与人之间的信息交互。
　　图1-1 物联网的概念图
　　通过对上述概念的归纳总结，我们可以得出：物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合而形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。
　　物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是互联网的应用拓展，具有智能、先进、互联的三个重要特征。国际电信联盟曾描绘“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会“提醒”主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色设置和水温的要求等。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，实现了物理空间与数字空间的无缝连接，也因此被称为继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业发展的第四次技术革命。
　　二、物联网概念的产生与发展
　　（一）物联网概念的产生
　　无论是物联网还是传感网，都不是*近才出现的新兴概念。传感器网络的构想*早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局资助卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）进行分布式传感器网络研究项目。
　　1995年比尔 盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。1995年夏天，在美国卡耐基梅隆大学的校园里有一个自动售货机，如图1-2所示，出售可乐且价格比市场上的便宜一半。所以，很多学生都去那个机器上买可乐。但是学生们经常发现，人跑过去，可乐已经售完，白跑一趟。于是有几个聪明的学生想了一个办法，他们在自动售货机里装了一串光电管，用来计数，看还剩下多少罐可乐。然后把自动售货机与互联网对接。这样，学生们去自动售货机前，可以先在网上查看一下还剩下多少罐可乐，免得白跑一趟。后来美国有线电视网（CNN）专程来学校，实地拍摄了一段新闻。当时还没有物联网（internet of things）这个概念。大家*初的想法很简单，就是把传感器（sensor）连到互联网上，提高数据的输入速度，扩大数据的来源。这是对物联网的初次接触。
　　图1-2 美国卡耐基梅隆大学的可乐自动售货机
　　明确的物联网概念提出于1999年，来源于“ internet of things”一词，由美国麻省理工学院（MIT）自动识别（Auto-ID）中心的 Kevin Ashton教授首先提出，其定义很简单，即把所有物品通过射频识别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。也就是说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。
　　早期的物联网是依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《 ITU互联网报告2005：物联网》，提出了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于 RFID技术的物联网。报告中指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别（RFID）技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。
　　过去，人们一直是将物理基础设施和 IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心、计算机、宽带等。而在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带融合为统一的基础设施，实现人类社会与物理系统的整合。在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，并达到“智慧”状态，从而提高资源利用率和生产力水平，实现人与自然和谐统一。
　　（二）物联网的发展
　　根据美国研究机构福里斯特研究公司（Forrester Research）预测，物联网所带来的产业价值将比互联网大30倍，将成为下一个万亿美元级别的信息产业业务。“物联网”概念的问世，打破了人类之前的思维方式，是当今世界经济和科技发展的战略制高点之一。
　　1.国外物联网发展
　　2003年，美国《技术评论》中提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。
　　2004年，日本总务省（MIC）提出 u-Japan计划，该计划力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接，希望将日本建设成一个随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会，实现从有线到无线、从网络到终端，包括认证、数据交换在内的无缝链接泛在网络环境，100%的日本国民可以利用高速或超高速网络。
　　2006年，韩国确立了 u-Korea计划，该计划旨在建立无所不在的社会（ubiquitous society），在民众的生活环境里建设智能型网络［如 IPv6（互联网协议第6版）、BCN（Business Collaboration Network，商业协同网络）、USN（Ubiquitous Sensor Network，无所不在的网络）］和各种新型应用设施（如 DMB、Telematics、 RFID），让民众可以随时随地享有科技智慧服务。2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网确定为新增长动力，提出到2012年实现“通过构建世界*先进的物联网基础设施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标。
　　2008年后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上。
　　2009年欧盟委员会发表了欧盟物联网行动计划，描绘了物联网技术的应用前景，提出欧盟政府要加强对物联网的管理，进而引领世界物联网的发展。
　　2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一， IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。
　　2009年2月24日，IBM论坛2009上，IBM大中华区首席执行官钱大群公布了名为“智慧地球”的*新策略。此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为 IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。今天，“智慧地球”战略被美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似之处，同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年互联网革命一样的科技和经济浪潮，不仅为美国所关注，更为世界所关注。
　　2020年，全球物联网的连接数首次超过非物联网连接数，这意味着物联网发展达到了一个新的历史时刻，但基于物联网的应用开发和各类创新还并未达到非常丰富的程度，还具备较大的发展空间。
　　2.国内物联网发展
　　中国在物联网领域的起步很早，早在1999年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所就拨款40万元进行传感网产品的研发，研发出的产品2003年开始在“动态北仑”等项目中得到应用，是物联网在中国的早期发展。2004年年初，全球产品电子代码管理中心授权中国物品编码中心为国内代表机构，负责在中国推广 EPC（产品电子代码）与物联网技术。4月，在北京建立了第一个 EPC与物联网概念演示中心。
　　2005年，国家烟草专卖局的卷烟生产经营决策管理系统实现用 RFID出库扫描，商业企业到货扫描。许多制造业也开始在自动化物流系统中尝试应用 RFID技术。
　　2006年2月7日，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中确定的“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中将传感网列入重点研究领域。2008年11月，在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新（创新2.0）形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本。而创新2.0形态的形成又进一步推动新一代信息技术的健康发展。
　　2009年下半年，物联网概念开始在中国盛行。尤其是自2009年8月7日，温家宝总理在无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了把“感知中国”中心设在无锡、辐射全国的想法，从此开启了物联网从技术研发到产业应用的发展大幕。物联网、传感网等概念引起业内外的广泛关注，相关讨论此起彼伏，把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮，无锡市率先建立了“感知中国”研究中心，中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院，江南大学还建立了全国首家实体物联网工厂学院。自温家宝总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是美国、欧盟及其他各国不可比拟的。
　　2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在北京举

目录
前言
第一章 物联网概述 1
第一节 物联网的概念与发展 1
一、物联网基本概念 1
二、物联网概念的产生与发展 2
三、物联网的基本特点 7
第二节 物联网体系架构及关键技术 8
一、物联网体系架构 8
二、物联网关键技术 11
第三节 物联网的应用 14
一、物联网应用领域 14
二、物联网应用案例 17
第四节 农业物联网的发展与应用 19
一、农业物联网的定义 19
二、农业物联网的发展现状 20
三、农业物联网大田作物应用 24
参考文献 25
第二章 农业信息传感技术 28
第一节 农业传感器技术 28
一、农业物联网与传感器 28
二、农业传感器的基本原理 28
三、农业传感器的分类 29
四、农业传感器的应用 39
第二节 基于电学与电磁学原理的农业传感技术 41
一、土壤含水量传感技术 41
二、土壤电导率传感技术 51
三、土壤养分传感技术 54
四、大气压力传感技术 55
第三节 基于光学与光辐射原理的农业传感技术 57
一、太阳辐射传感技术 57
二、光照度传感技术 60
三、雨量传感技术 62
四、CO2传感技术 64
五、视频图像传感技术 66
第四节 基于热传导原理的农业传感技术 73
一、土壤温度传感技术 73
二、空气温湿度传感技术 74
三、风速风向传感技术 77
参考文献 81
第三章 农业信息传输技术 83
第一节 无线传感器网络 83
一、无线传感器网络概述 83
二、无线传感器网络的体系结构 85
三、无线传感器网络的特点 86
四、无线传感器网络的关键技术 90
第二节 蓝牙技术 93
一、蓝牙技术简介 93
二、蓝牙协议的体系结构 95
三、蓝牙技术的特点 97
四、蓝牙关键技术 98
第三节 WiFi技术 99
一、WiFi技术简介 99
二、WiFi技术的网络结构 100
三、WiFi技术的特点 101
四、WiFi网络关键技术 102
第四节 ZigBee技术 103
一、ZigBee技术简介 103
二、ZigBee技术的网络结构 104
三、ZigBee技术的特点 105
四、ZigBee数据传输技术 106
第五节 窄带物联网技术 108
一、窄带物联网简介 108
二、窄带物联网的网络架构 109
三、窄带物联网的特点 110
四、窄带物联网的关键技术 110
参考文献 113
第四章 大田信息采集系统 114
第一节 大田信息采集系统的关键技术与实现 114
一、ZigBee网络管理软件设计技术 114
二、基于ZigBee的农田信息采集系统 116
三、断点续传技术 120
四、VPN技术 121
五、其他关键技术 123
第二节 系统总体框架设计与实现 126
一、下位机ARM+Linux系统 126
二、上位机农业信息管理系统 128
第三节 系统的验证 132
一、数据精度验证 132
二、ZigBee传输距离对数据的影响 133
参考文献 134
第五章 农业物联网数据存储管理系统 136
第一节 数据存储方法与技术 136
一、数据存储的基本概述 136
二、结构化数据存储 137
三、非结构化数据存储 138
第二节 农业物联网数据存储模型设计 140
一、农业物联网数据特点分析 140
二、数据存储模型总体设计 141
三、关键模块详细设计 146
四、存储模型整体读写流程 162
第三节 农业物联网数据管理系统 163
一、系统需求分析 163
二、系统架构设计 165
三、数据库设计 166
四、系统平台 173
五、系统实现 175
参考文献 179
第六章 基于物联网的环境数据异常检测系统 181
第一节 数据挖掘与异常检测方法 181
一、分类技术 182
二、聚类技术 189
三、异常挖掘技术 194
第二节 大田作物环境数据分类算法研究 196
一、相关理论背景 197
二、算法描述 201
三、试验结果与讨论 203
第三节 基于数据流的大田作物环境数据聚类算法 211
一、相关理论背景 212
二、算法描述 214
三、小麦生长环境异常检测原型系统 218
四、试验结果与讨论 222
第四节 基于物联网的冬小麦晚霜冻害监测系统 224
一、物联网在冬小麦晚霜冻害监测中的研究现状 225
二、晚霜冻害监测系统技术路线及系统实现 226
参考文献 246
第七章 基于物联网图像处理的作物生长监测系统 249
第一节 图像处理技术的基本原理与算法 249
一、图像颜色空间模型 249
二、图像预处理 253
三、图像分割技术 256
第二节 图像处理技术在农业中的应用 259
一、种子分析与分类 259
二、田间管理 260
三、作物收获 260
四、作物生长营养诊断 261
第三节 小麦和玉米营养监测系统 262
一、基于图像处理的小麦和玉米的营养监测系统 262
二、系统设计 263
三、小麦营养监测系统的功能设计与实现 265
四、玉米营养监测系统的功能设计与实现 279
第四节 基于图像处理的作物植被覆盖度识别 286
一、作物植被覆盖度识别技术路线 286
二、图像采集 286
三、图像颜色空间转换 288
四、图像分割 290
五、结果分析 292
第五节 小麦病害检测与防灾减灾系统 296
一、小麦病害检测系统 296
二、基于物联网的小麦生长环境异常检测系统 313
参考文献 323
第八章 农业物联网发展趋势和前景展望 326
第一节 农业物联网发展面临的机遇与挑战 326
一、农业物联网发展机遇 326
二、物联网在农业领域面临的挑战 330
第二节 农业物联网发展需求与趋势 336
一、农业物联网发展需求 336
二、农业物联网发展趋势 337
第三节 农业物联网发展对策与建议 345
一、制定农业物联网标准 345
二、加快农业物联网核心技术研发 346
三、加强农村现代化人才培养 346
四、加快促进技术转化为生产效益 347
五、强化农业物联网安全管理 347
六、建立农业物联网绿色环保与废物回收机制 348
参考文献 348