农业物联网技术作为现代农业最前沿的发展领域之一,是当今世界发展农业信息化,实现农业可持续发展的关键和核心技术。农业物联网信息技术主要包括农业信息感知、传输与信息应用三个层面。而传统农田信息获取面临几大技术瓶颈：一是传感器技术落后,作物养分信息传感器比较鲜见,二是传统农田信息监测只是单点、静态的定时测定,无法实现实时动态检测,难于实现无人值守的农业自动化作业要求。因此,研究植物养分感知技术及关键传感器技术,研究针对大规模农田信息采集无线传输协议与深度路由机制；开发农业物联网软硬件平台已经成为现代农业亟待解决的关键问题。本研究以农业物联网的三个核心层面为研究对象,研究基于可见.近红外光谱植物养分的快速无损感知技术,研究基于FFT算法及小波变换的光谱微弱信号处理方法,并开发了植物叶片养分测定和植物冠层养分、生理信息测定的传感仪器。提出了主动诱导式大规模农业物联网的自组织网络协议和农业物联网深度路由技术,研究了农业物联网故障情况下智能路由维护方法,开发了农业物联网信息采集设备及控制系统,并成功应用到农业生产实践中。主要研究内容与创新性成果有：
(1)提出了以可见/近红外光谱技术为基础的植物养分测定方法,通过光谱数据预处理-特征波长提取-线性和非线性建模预测的光谱分析技术路径,研究并提取了13个作物养分检测特征波段和3个作物生理信息检测特征波段,开发了适用于农业物联网实时动态植物养分与生理信息检测传感器,通过实验证明,传感器氮素含量检测R2=0.8237,叶绿素检测R2=0.9361,NDVI检测R2=0.9672,LAI检测R2=0.7698。另外,研究了单点作物叶片叶绿素含量、氮含量、水分含量同时检测的方法,开发了多参数叶片养分信息检测仪器,并得到叶绿素检测R2=0.9148,氮素含量检测R2=0.9207,水分含量检测R2=0.8656。
(2)应用高灵敏度微信号输出的光电感应器作为植物养分检测的光谱信息探测器,设计了信号处理电路,研究了传感的微弱信号处理方法,应用FFT算法及小波分析方法分别对光谱信号进行滤波与微信号提取。经比较发现,小波变换处理后的信号更接近原始有用信号；而FFT算法在高频段处理与小波分析基本相同,低频段信号噪声去除效果略差于小波分析。实验结果表明,处理后信号中噪声振幅被降至0.5uv以下,信噪比提升为8db。
(3)研究适应于大规模农田信息采集的主动诱导式农业物联网自组织网络组网协议,提出了基于F-MSG,B-MSG (?)肖息事件驱动体制的组网实现方法,并在该组网协议基础上提出了自组织网络协议的最短路径路由组网(SLR)方法,资源竞争模式优化机制(X-SLR)方法,并首次提出深度路由预防(S-SLR)等优化管理方法。实验表明：SLR模式的QoS=1.13,X-SLR优化的QoS=0.14,S-SLR优化的QoS=0.23。经优化后的网络性能大幅提高。在此基础上,提出了网络深度路由的信息调度与组网管理机制,使农业物联网路由深度可达到12级,除了网络延时有所增大外,QoS=0.83,其它参数基本不变。说明网络性能良好,完全达到农业生产的实际需求。
(4)研究了自组织网络故障发生后的智能化路由维护方法,提出了基于局部网络重组与越级路由两种智能路由维护方式,通过实验表明局部网络重组路由维护对网络平均延时为5秒以内,网络丢包率低于1.5%,QoS=0.15。越级路由维护的网络丢包率控制在3%以内,平均延时为8秒,QoS=0.26。说明两种路由维护完全满足农业物联网的网络性能要求。
(5)在农业物联网信息实时获取基础上,研究了农业物联网系统与农业自动化控制装备相结的农业智能化信息管理系统,对农业园区水泵恒压控制、自动肥水管理等方法进行了研究,开发物联网信息与控制系统并在农业园区进行了应用示范。
上述研究成果为大规模田间多维信息实时动态获取、智能化低功耗远程传输及自动控制奠定了理论基础,具有广阔的应用前景。
