摘要
IoT 通过连接田间传感器、灌溉系统、农机和气象站，该技术正在推动精准农业的变革，使农民能够远程监测田间状况、实现日常任务自动化，并在恰当的时间和地点精准施水及分配其他资源。从土壤湿度监测和植物体液流量测量，到覆盖数千英亩土地的整支农机队协调，互联技术有助于减少浪费、降低运营成本，并支持更可持续的农业实践。 Hexagon、IRROMETER、CropX 和 WiseConn 等公司的实际应用案例表明，在效率提升、节水和作物管理方面均取得了可量化的成效。
技术正在改变农民监测作物、管理水资源、操作机械以及应对田间状况变化的方式。与在整个田地中采用统一管理方式不同，精准农业帮助种植者利用详细数据，针对单个田块、区域或植株做出决策。
美国农业部将精准农业定义为一种在正确的时间、正确的地点投入正确资源的方法。传感器、GPS、无线网络、自动化设备、云平台和数据分析技术有助于农民确定特定地点所需的水、肥料、农药、劳动力或能源的用量。
该技术的应用范围仍在持续扩大。美国农业部（USDA）2023年的数据显示，70%的大型作物种植农场采用了导航和自动转向系统，而68%的农场则使用了产量监测仪、产量图或土壤图。（经济研究局）
简答：IoT 在精准农业中是如何应用的？
物联网通过连接田间传感器、农机、灌溉设备、气象站、摄像头和控制系统，为精准农业提供支持。这些互联设备收集并传输数据，使农民能够远程监测田间状况、实现常规作业自动化、更精准地投入生产资源，并迅速应对与天气、设备或作物相关的问题。
什么是精准农业？
精准农业，也称为精准耕作或智能农业，是指利用数据和技术，根据特定地点的实际情况来管理农业生产活动。
传统农业做法通常会将水、肥料或农药在整个田地中均匀施用。而精准农业技术则使种植者能够针对土壤、水分、天气、植物健康状况和作物生长发育等方面的差异进行针对性管理。
一个精准农业系统可能包括：
- 土壤湿度、温度、空气湿度和养分传感器
- GPS和卫星定位
- 气象和微气候监测站
- 无线网状网络、蜂窝网络或长距离射频连接
- 相机、无人机和卫星图像
- 自动化泵、阀门、喷雾器和喂料系统
- 基于云的农业数据平台
- 移动仪表盘、警报和远程控制
- 灌溉、种植、收获及设备调配的分析
这些技术帮助农民从采用笼统的时间表和估算，转向基于当前田间数据的决策。
IoT 如何助力精准农业
农业IoT 解决方案通常包括四个相互关联的层。
1. 传感器和联网设备
传感器可采集有关土壤墒情、降雨量、温度、湿度、风速、植物活性、储罐液位、设备状态及其他条件的信息。联网控制器还可以控制水泵、阀门、灌溉设备、风扇、喂料机或其他农业系统。
2. 农场无线连接
无线连接将数据从现场传输到网关、控制室、云平台或移动应用程序。根据具体应用场景的不同，这可能涉及蜂窝网络、射频网状网络、Wi-Fi 或长距离低功耗通信。
农业网络通常必须覆盖大片区域，同时还要在植被、地形、建筑物和机械设备周围运行，且受限于电力供应。
3. 数据处理与分析
云端和边缘应用程序将传感器读数转化为有用的信息。农民可以查看趋势、将实际表现与生产计划进行对比、接收警报，并判断何时需要采取干预措施。
4. 自动化与远程管理
联网控制系统可以自动修改灌溉计划、启动设备、调整灌溉量，或向工作人员发出警报。远程设备管理还帮助操作员监控网络状态、更新配置，并排查已部署设备的故障，而无需亲赴每个地点。
数字化农业解决方案支持灌溉控制、储料仓和储罐监测、农场自动化、温室管理、牲畜监测、设备互联以及环境监测等应用。
IoT 在精准农业中的常见应用
精准农业IoT 的应用可支持农业生产的几乎每个阶段。
精准灌溉
土壤湿度传感器、气象数据、作物监测数据以及联网的灌溉控制系统，有助于农民确定何时、何地以及需要灌溉多少水。这既能减少不必要的用水和能耗，又能防止作物因缺水或过量灌溉而受损。
作物与土壤监测
传感器可以持续监测水分、温度、湿度、养分状况及其他参数。历史数据和实时数据使农户能够更清楚地了解整个生长季节中环境条件的变化情况。
农业设备管理
联网机械可报告其位置、作业状态、速度、空转时间、燃油消耗量和生产效率。农场管理者可利用这些信息，更高效地协调拖拉机、收割机、喷雾机和运输车辆的作业。
天气与微气候监测
在大型农业经营中，各种条件可能存在显著差异。分布式气象站有助于农民监测降雨、风力、霜冻风险、高温、湿度以及其他田间条件，而不再仅依赖区域性预报。
农业自动化
联网控制器可控制水泵、阀门、闸门、风机、给料机、发电机及其他设备。自动化减少了人工巡检的需求，并有助于运营方更快地应对不断变化的状况。
远程监控与警报
农场管理者可以收到有关霜冻、漏水、水箱水位过低、设备故障、温度异常或灌溉问题的通知。早期预警有助于防止作物减产、水资源浪费以及计划外停机。
精准农业中IoT 的七个应用案例
以下精准农业的实例展示了如何利用互联技术来改善灌溉、机械协调、环境监测和农场管理。
1. Hexagon 协调农业机械与田间作业
Hexagon农业事业部提供用于自动转向、精准喷洒、车队调度和交通优化的精准农业工具。
其HxGN AgrOn控制室为农业和林业作业提供了对机械、任务、路线及生产活动的集中视图。安装在拖拉机、收割机和卡车上的显示屏和传感器可采集诸如机器位置、速度、停机、转向、施用效果以及种植或收获量等信息。
Digi XBee 模块和DigiMesh网络使机器和显示屏能够在田间进行信息交换。随后，数据可通过网关传输至AgrOn平台进行分析。
Hexagon 表示，这种可视性有助于农业作业协调机械设备、减少闲置时间、优化路线，并及时应对性能问题。其客户案例中提到的改进包括：收割机效率提高 1.5%、燃油消耗降低 4%、维护成本降低 3%。(Digi)
精准农业应用演示：
- 农业车队管理
- 自动转向与机器控制
- 设备位置和活动监控
- 路线与交通优化
- 种植、喷洒、施肥和收获的协调工作
2. Origo.ag 可监测天气并控制远程农用设备
Origo.ag为澳大利亚各地的大面积农田耕作和畜牧业开发农业IoT 解决方案。
其联网的气象、气候和土壤观测站可监测温度、湿度、降雨量、风速、霜冻风险、火灾风险、土壤湿度和太阳辐射。摄像头可用于监测牲畜，或拍摄作物生长的延时影像。
该系统还支持远程控制。农民可以使用联网设备来操作水泵、发电机、海水淡化设备、阀门、流量控制装置和给料机。
Digi XBee 通过 DigiMesh 配置的模块可将分布在广阔农业区域内的各站点和控制设备连接起来。这种网状架构能够通过多台设备中继消息，为远程农业环境提供了一个可扩展且具有自愈能力的网络。
农民可通过Origo XDASH平台获取信息，该平台会显示当前状况、历史趋势、储罐液位以及设备状态。Origo表示，数据可在几秒钟内从监测站传输到农民的手机或电脑上，从而帮助农民更快地做出决策，并对关键设备进行远程控制。
精准农业应用演示：
- 当地天气和微气候监测
- 霜冻和火灾风险监测
- 土壤湿度测量
- 储罐和牲畜饮水槽监测
- 泵、阀门和给料机的远程控制
3. IRROMETER 将土壤湿度传感器连接至云端
IRROMETER提供的土壤湿度传感器可帮助种植者确定何时、何处以及需要灌溉多少水。
其张力计、WATERMARK传感器和数据记录仪可采集作物根区的水份数据。IRROMETER IC-10传感器监控仪采用Digi XBee 3蜂窝调制解调器和LTE-M连接技术，将这些信息传输至IRROcloud。
农民可以通过云应用程序查看实时读数、历史数据、平均值、可视化图表以及季节性趋势。该平台还可以通过API与其他农业应用程序共享传感器信息。
这种基于蜂窝网络的设计消除了手动从各个传感器中读取数据的需求。此外，它还支持在无法使用本地 Wi-Fi 或有线网络的区域进行部署。
IRROMETER公司表示，其IC-10设备每小时记录一次湿度水平，每两小时传输一次读数，且无需更换电池即可连续运行两年以上。该解决方案有助于种植者降低抽水成本、减少现场巡检次数、降低能耗、减少硝酸盐淋失，并避免不必要的灌溉。
精准农业应用演示：
- 根区土壤水分监测
- 农业传感器与蜂窝网络的连接
- 基于云的灌溉规划
- 历史水分分析
- 霜冻预警和远程通知
4. Dynamax 通过测量植物树液流量来优化灌溉
Dynamax开发了用于监测植物的仪器，这些仪器可测量植物与土壤、水、风及太阳条件之间的相互关系。
其SapIP-TDP Sap Velocity系统可测量蒸腾作用，即水分从土壤通过植物的根、茎和叶进行传输的过程。这些植株层面的数据有助于种植者了解作物实际消耗了多少水分。
每个 SapIP 节点均可连接多个 sap velocity 探头。Digi XBee SX 900 MHz 射频模块将测量数据传输至网关，网关再将信息发送至 Dynamax AgriSensors 仪表盘。 Digi Remote Manager 该平台可集中监控已部署的网关及网络连接状况。
该系统会频繁进行监测，汇总测量数据，并通过仪表盘和灌溉建议展示结果。据Dynamax称，约有200名葡萄种植者使用该解决方案来了解葡萄藤的健康状况和需水量。种植者可以利用这些数据，在作物产量、果实品质、风味形成和用水量之间取得平衡。
精准农业应用演示：
- 植物水平的水利用监测
- 树液流动与蒸腾作用的测量
- 灌溉建议
- 葡萄园及高价值作物管理
- 远程农业网络管理
5. CropX 利用土壤数据按田块区域优化灌溉
CropX开发了一套灌溉解决方案，该方案集成了土壤传感器、无线通信、云端分析以及一款移动应用程序。
埋设在地面中的传感器会采集有关田间和土壤状况的信息。通过无线连接，这些数据被传输至云端，由CropX软件对田间各处的差异进行分析。
该系统不会以相同的灌溉量对每个区域进行灌溉，而是根据具体田块区域的实际需求来确定灌溉量。农民可以通过移动端或网页界面查看灌溉地图、查看系统状态并修改设置。
在Digi的客户案例中，CropX报告称，在大面积农田中，灌溉用水量减少了10%至20%。
精准农业应用演示：
- 基于区域的灌溉管理
- 土壤状况分析
- 自动灌溉调节
- 移动农场管理
- 农业节水
6. WiseConn 实现分散农田的灌溉自动化
WiseConn开发了 DropControl，旨在帮助种植者监测和控制大型农业经营中的灌溉系统。
无线节点连接到土壤湿度传感器、气象站、水井、水泵和阀门。DigiMesh 网络在节点与中央网关之间传输信息，使该系统能够在分布广泛的田地中运行。
农民可以使用 DropControl 应用程序评估土壤和天气状况，确定合适的灌溉水量，并远程启动或校准水泵和阀门。
Digi的客户案例报告显示，该系统已在1,500个站点部署，覆盖面积达50,000英亩，服务于300家农业企业。WiseConn还报告称，使用该系统的客户节水率最高可达30%。
精准农业应用演示：
- 分布式灌溉控制
- 泵和阀门自动化
- 水井和土壤湿度监测
- 长距离农业网状网络
- 基于数据的灌溉计划安排
7. Ranch Systems 实现农场监测与控制的集中化管理
Ranch Systems为葡萄园、果园及其他种植高价值作物的农场提供无线监测和自动化解决方案。
其RanchMaster平台整合了六个应用领域：
- 天气与气候监测
- 土壤湿度监测
- 灌溉控制
- 水箱和池塘监测
- 远程摄像头
- 提醒和通知
传感器和控制器负责采集现场数据，并控制灌溉泵、发动机、水箱和阀门等设备。Digi XBee 无线模块将农场内的各类设备相互连接，而蜂窝网络则将汇总后的信息传输至中央服务器。
这种集中化方案用一个平台取代了孤立的系统，用于监测环境状况并协调农业作业。Ranch Systems 表示，目前已在全球部署了超过 5,000 个监测站，为 1,000 多家农业客户提供服务。
精准农业应用演示：
- 葡萄园和果园监测
- 灌溉与施肥管理
- 霜冻和高温预警
- 储罐、阀门和泵的远程控制
- 全农场自动化
基于IoT 的精准农业的优势
农业IoT 的价值不仅在于收集更多数据。一个设计合理的系统有助于将这些数据转化为及时的行动。
更高效地利用水资源
土壤、气象和植物传感器有助于种植者根据作物的实际需求进行灌溉。自动灌溉控制系统能够对不断变化的条件作出响应，无需等待人工检查。
提高作物产量和品质
对灌溉、施肥、机械操作和环境条件进行更精确的控制，有助于农民维持作物健康生长所需的条件。
降低劳动力和运营成本
远程监控减少了前往田间、检查设备、采集传感器读数或手动调整控制参数所花费的时间。
更快地响应问题
警报可提醒操作人员注意霜冻、高温、泄漏、储罐液位过低、机械故障或土壤湿度出现意外变化等情况。
提高设备利用率
通过追踪机械的位置、作业情况、空闲时间和生产效率，有助于管理者协调车队，减少燃油或人力浪费。
更可持续的农业实践
精准施用可减少水、化肥、农药、能源和燃料的不必要消耗。美国农业部（USDA）的研究表明，针对具体地块的精准施用既能降低成本，又能最大限度地减少对环境和生态的影响。
农民和农业技术开发者应考虑哪些因素？
要成功部署精准农业，仅选择传感器或通信模块是不够的。需要考虑的重要因素包括：
- 覆盖范围：网络必须覆盖整个运行区域内的传感器、机器和控制装置。
- 功耗：远程设备可能需要依靠电池或太阳能供电，持续时间可达数月甚至数年。
- 环境耐受性：硬件可能会接触到潮湿、灰尘、化学物质、振动、高温和冰点以下的温度。
- 互操作性：新设备可能需要与现有的泵、阀门、控制器、机器和软件连接。
- 安全性：必须保护数据和远程控制装置，防止未经授权的访问或篡改。
- 可扩展性：该架构应支持新增字段、设备、用户和应用程序。
- 远程管理能力：运维人员需要一种切实可行的方法来监控、配置、更新和排除已部署设备的故障。
- 产品生命周期：农业设备通常会使用多年，因此零部件的长期供应至关重要。
精准农业常见问题解答
精准农业和智能农业有什么区别？
精准农业侧重于利用田间特定数据，更精准地投入资源并管理作物。智能农业是一个更广泛的术语，其中可涵盖精准农业、IoT 连接、人工智能、机器人技术、自动化以及基于云的农场管理。
IoT 在农业领域最常见的应用有哪些？
常见的应用包括精准灌溉、土壤湿度监测、气象监测、牲畜追踪、温室自动化、粮仓监测、机械管理、远程水泵控制、作物成像以及预测性维护。
传感器如何支持精准农业？
农业传感器可测量土壤湿度、温度、空气湿度、降雨量、风速、养分含量、作物耗水量以及储液罐液位等参数。农民利用这些数据，在灌溉、施肥、作物保护和设备操作等方面做出更准确的决策。
IoT 是如何改善农业灌溉的？
IoT 这些系统将土壤、天气和植物数据与联网的水泵和阀门相结合。农民可以根据当前状况安排灌溉计划，对不同区域进行差异化灌溉，并在条件发生变化时远程停止或调整灌溉。
精准农业中采用了哪些无线技术？
精准农业系统可采用蜂窝网络、Wi-Fi、射频网状网络、LoRaWAN、卫星、蓝牙或其他无线技术。具体采用哪种技术，取决于覆盖范围、数据量、电源供应情况、地形、设备密度以及所需的传输频率。
在没有Wi-Fi的地区，精准农业能行得通吗？
是的。在无法使用Wi-Fi或有线宽带的地方，蜂窝模块、长距离射频网络、网状网络、LoRaWAN和卫星连接均可支持农业IoT 应用。
远程设备管理在农业领域有哪些优势？
远程设备管理使操作员能够通过中央控制台监控连接状态、配置设备、部署更新、查看性能并排查设备故障。这不仅减少了现场访问次数，还有助于确保关键农业系统的正常运行。
精准农业是否只对大型农场有益？
不。大型农场虽然能凭借其规模优势获得显著效益，但小型农场也能从针对性应用中获益，例如土壤湿度监测、霜冻预警、温室自动化、储液罐监测或远程灌溉控制。
精准农业如何促进可持续发展？
精准农业有助于种植者根据作物和农田的实际需求合理配置生产投入。通过更精准的灌溉、施肥、喷洒以及机械作业路线规划，可以减少用水量、能耗、农药使用量、燃油消耗以及不必要的田间作业。
连接农业的未来
精准农业使农民能够更全面地掌握作物、设备、灌溉系统及环境状况。IoT 的连接功能将这些信息转化为实际行动，将远程田间采集的数据传输给需要这些数据的人员和应用程序。
随着传感器、无线通信、自动化和数据分析技术的不断进步，农业生产能够更精准地管理资源，更迅速地应对不断变化的状况，并构建生产效率更高、更可持续的农业体系。
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