《農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范》

ICS

CCS

CI

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CIXXX-2023

農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范

TechnicalSpecificationforFarmDataAcquisitionandInterconnectionFusion

（征求意見(jiàn)稿）

2023-X-X發(fā)布2023-X-X實(shí)施

?中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)?發(fā)布

T/CIXXX—2023

農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范的術(shù)語(yǔ)和定義、智慧農(nóng)場(chǎng)模式下分布

式多傳感器部署、數(shù)據(jù)傳輸與通信方式、農(nóng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)多源信息互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范。

本文件適用范圍為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理領(lǐng)域農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)

發(fā)和建設(shè)。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語(yǔ)與定義

3.1

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ConvolutionalNeuralNetwork

是一種用于圖像識(shí)別和處理的深度學(xué)習(xí)模型，通過(guò)卷積操作提取特征，用于圖像識(shí)別

分類和處理。

3.2

多模態(tài)感知信息MultimodalSensoryInformation

從多種傳感器獲取的不同類型數(shù)據(jù)融合，提供綜合視角，以此來(lái)提供更全面、準(zhǔn)確的

情境認(rèn)知。

3.3

時(shí)間戳Timestamp

一個(gè)標(biāo)記或標(biāo)識(shí)，用于表示特定時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間值。它通常是一個(gè)數(shù)字或字符串，用于

記錄某個(gè)事件發(fā)生的確切時(shí)間。

3.4

線性插值法LinearInterpolationMethod

一種數(shù)值分析方法，用于在已知數(shù)據(jù)點(diǎn)之間估算未知數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值，適用于數(shù)據(jù)補(bǔ)全

和平滑，通過(guò)插值計(jì)算近似值，保持趨勢(shì)和連續(xù)性。

1

T/CIXXX—2023

3.5

遷移學(xué)習(xí)TransferLearning

通過(guò)在源任務(wù)上學(xué)習(xí)到的模型或特征表示，來(lái)幫助改善目標(biāo)任務(wù)的學(xué)習(xí)效果，尤其在

目標(biāo)任務(wù)的樣本相對(duì)較少的情況下，遷移學(xué)習(xí)能夠起到很好的輔助作用。

3.6

魯棒性Robustness

系統(tǒng)或模型對(duì)噪聲、干擾和變化的抵抗力，保持穩(wěn)定性和性能，實(shí)現(xiàn)可靠有效的運(yùn)行。

3.7

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GraphNeuralNetwork

一種深度學(xué)習(xí)模型，用于處理圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)和邊的關(guān)系學(xué)習(xí)圖中的復(fù)雜模式

和信息傳遞。

3.8

編碼器Encoder

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高維表示，捕捉關(guān)鍵特征，適用于自然語(yǔ)言處理、

圖像處理等任務(wù)，有助于信息提取和學(xué)習(xí)。

4總體設(shè)計(jì)

4.1基本原則

（1）符合國(guó)家的政策。貫徹國(guó)家的法律法規(guī)。認(rèn)真貫徹國(guó)家有關(guān)法律法規(guī)和方針政策，

確保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)家發(fā)展和農(nóng)業(yè)進(jìn)步的積極作用。

（2）充分考慮使用要求。合理利用農(nóng)業(yè)資源，因地制宜，加快實(shí)現(xiàn)智能管理決策與農(nóng)

機(jī)作業(yè)協(xié)同優(yōu)化，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的智能升級(jí)。

（3）適時(shí)制定，協(xié)調(diào)配套。以時(shí)效性、協(xié)調(diào)性、綜合性為目標(biāo)，制定一個(gè)符合當(dāng)下農(nóng)

業(yè)技術(shù)需求、市場(chǎng)需求，更具有前瞻性和可操作性的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范總體思路介紹

在智慧農(nóng)場(chǎng)中，以多傳感器的農(nóng)田地面、無(wú)人駕駛拖拉機(jī)、耕種機(jī)、施肥機(jī)可以實(shí)現(xiàn)

指定軌跡工作、自動(dòng)駕駛、多種環(huán)境信息檢測(cè)、存儲(chǔ)信息等；在管理者的控制下，各個(gè)裝

備，各個(gè)環(huán)境協(xié)同配合，確保農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取與智能融合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)事活動(dòng)。由

于我國(guó)的智慧農(nóng)業(yè)正處于發(fā)展階段，農(nóng)作物的生長(zhǎng)管理過(guò)程具有個(gè)性化、定制化、精細(xì)化

等特點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取和互聯(lián)信息融合成為一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的全局性難題。農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

2

T/CIXXX—2023

與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范不僅解決了在農(nóng)事活動(dòng)中全階段的數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)融合的統(tǒng)一的問(wèn)題，

而且為我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)向生產(chǎn)智能化、作業(yè)精準(zhǔn)化、管理數(shù)字化、服務(wù)網(wǎng)格化方面的轉(zhuǎn)型升

級(jí)給出了標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)規(guī)范

如圖1所示，總體路線圖包括研究對(duì)象、傳感器、傳感器部署方法、通信傳輸和數(shù)據(jù)

融合五個(gè)部分。農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)融合技術(shù)規(guī)范應(yīng)從關(guān)鍵農(nóng)機(jī)設(shè)備及農(nóng)田表面的分布式

傳感器網(wǎng)絡(luò)部署出發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳感器少重疊，動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備調(diào)整的高效使用，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸

和通信協(xié)議，獲得更全面、準(zhǔn)確、有價(jià)值的數(shù)據(jù)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)多層融合實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)機(jī)自

主協(xié)同安全作業(yè)。

圖1總體路線圖

4.3關(guān)鍵設(shè)備的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)部署策略

4.3.1關(guān)鍵農(nóng)機(jī)的分布式傳感器部署策略概述

智慧農(nóng)業(yè)是一種利用現(xiàn)代信息技術(shù)和傳感器技術(shù)來(lái)優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的創(chuàng)新農(nóng)業(yè)方式。在

智慧農(nóng)業(yè)中，使用以各自為獨(dú)立的傳感器存在著諸多不足，如收集能力有限、缺乏容錯(cuò)性、

不能適應(yīng)多變環(huán)境、高成本和高能耗等。相比之下，分布式傳感器能夠克服以各自獨(dú)立的

傳感器的限制，它是由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信和協(xié)作，將多

個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和融合，從而提供更全面、準(zhǔn)確的環(huán)境信息。這種集成能力使得

分布式傳感器系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)復(fù)雜及多參數(shù)的環(huán)境下更加有優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的

3

T/CIXXX—2023

調(diào)整，精準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化的農(nóng)機(jī)裝備是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工具，是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的前

提，因此分布式傳感器與農(nóng)業(yè)結(jié)合對(duì)于增加作業(yè)收益，減低勞動(dòng)成本是至關(guān)重要的。在下

面將分別對(duì)關(guān)鍵農(nóng)機(jī)及地貌分布式傳感器部署進(jìn)行討論。

4.3.2無(wú)人駕駛拖拉機(jī)分布式傳感器部署

無(wú)人駕駛拖拉機(jī)是一種自主的農(nóng)用車，主要作用是在田間根據(jù)精準(zhǔn)導(dǎo)航路徑規(guī)劃在預(yù)

作業(yè)區(qū)域與各項(xiàng)農(nóng)機(jī)具配合完成耕作、播種、施肥及收獲，在這些環(huán)節(jié)根據(jù)周圍的環(huán)境及

工作情況進(jìn)行路徑跟蹤、轉(zhuǎn)彎掉頭、緊急剎車、障礙避讓、倒車、斷點(diǎn)續(xù)行、機(jī)具升級(jí)等

功能。無(wú)人駕駛拖拉機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器、車載控制器、車載顯示器、

液壓控制閥、位姿測(cè)量?jī)x等系統(tǒng)和裝置組成。下面表1給出了無(wú)人駕駛拖拉機(jī)所需用的傳

感器種類，其中圖2、圖3給出了穿梭車所需傳感器的位置擺放。

（1）北斗定位用于精準(zhǔn)的獲取車輛的位置信息。通常會(huì)在拖拉機(jī)的頂部安裝，當(dāng)多個(gè)

智能設(shè)備協(xié)同作業(yè)，實(shí)時(shí)感知作業(yè)執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使協(xié)同設(shè)備與本地運(yùn)動(dòng)軌跡耦合協(xié)

同控制，以確保作業(yè)執(zhí)行裝置軌跡的準(zhǔn)確性。

（2）攝像頭置于車輛頂部與四周，用于監(jiān)視無(wú)人駕駛拖拉機(jī)周圍的環(huán)境情況。它相當(dāng)

于車輛的“眼睛”，用于獲取拖拉機(jī)周圍前視攝像頭使用頻率最高，需要實(shí)現(xiàn)道路、障礙

物、行人識(shí)別等多重功能；后視攝像頭主要用于倒車預(yù)警和后車防撞；環(huán)視攝像頭對(duì)四個(gè)

方向的攝像頭進(jìn)行拼接實(shí)現(xiàn)車身周圍障礙物的檢測(cè)。

（3）毫米波雷達(dá)置于車輛前方與周圍兩側(cè)，用于防撞、盲區(qū)檢測(cè)、車道偏離預(yù)警。通

過(guò)探測(cè)周圍車輛、行人、障礙物等物體的距離和速度信息，實(shí)現(xiàn)前向、后向、側(cè)向等方向

的防撞功能。當(dāng)車輛靠近其他物體或者有其他車輛或者行人進(jìn)入盲區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)

或者自動(dòng)剎車，避免碰撞事故的發(fā)生。

（4）車輛動(dòng)態(tài)傳感器通常安裝在車輛的前輪或/和后輪處，用于監(jiān)測(cè)車的動(dòng)態(tài)情況，

主要包括轉(zhuǎn)角傳感器、速度傳感器、輪轉(zhuǎn)傳感器。轉(zhuǎn)角傳感器的主要作用是測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)

向角度并將這些信息反饋給無(wú)人駕駛系統(tǒng)，以幫助控制拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向和導(dǎo)航；速度傳感器：

用于測(cè)量車輛的行駛速度。它可以通過(guò)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速或車輪傳感器來(lái)提供車輛的實(shí)時(shí)速

度信息，用于導(dǎo)航、車速控制和制動(dòng)系統(tǒng)；輪轉(zhuǎn)傳感器用于監(jiān)測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

它們可通過(guò)感知車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)提供車輛的行駛狀態(tài)信息，幫助車輛保持穩(wěn)定性、進(jìn)行牽引

控制和抓地力分配。

4

T/CIXXX—2023

圖2無(wú)人拖拉機(jī)傳感器位置

（5）機(jī)具的自動(dòng)升降傳感器通常安裝在機(jī)具的升降部件上，用于監(jiān)測(cè)和控制機(jī)具的升

降狀態(tài)。機(jī)具可以在自動(dòng)模式下根據(jù)作業(yè)需要自動(dòng)升降，通過(guò)與地面或作業(yè)目標(biāo)的距離來(lái)

確定機(jī)具升降的準(zhǔn)確位置，從而實(shí)現(xiàn)精確的作業(yè)。當(dāng)機(jī)具需要在不平整地形上進(jìn)行作業(yè)時(shí)，

自動(dòng)升降傳感器可以幫助保持機(jī)具的水平和平衡，以確保作業(yè)質(zhì)量和安全。

圖3無(wú)人拖拉機(jī)傳感器位置

表1無(wú)人拖拉機(jī)所使用的傳感器總覽

傳感器種類應(yīng)用數(shù)量傳感器使用功能

北斗定位1個(gè)無(wú)人拖拉機(jī)及協(xié)同設(shè)備軌跡跟蹤

攝像頭5個(gè)監(jiān)視無(wú)人拖拉機(jī)周圍環(huán)境

5

T/CIXXX—2023

毫米波雷達(dá)4個(gè)無(wú)人拖拉機(jī)防撞、盲區(qū)檢測(cè)、車道偏離

車輛動(dòng)態(tài)傳感器4～6個(gè)提供車輛動(dòng)態(tài)行駛信息

機(jī)具的自動(dòng)升降傳感器3個(gè)控制協(xié)同機(jī)具的升降狀態(tài)

4.3.3智能播種施肥器具分布式傳感器部署

智能播種施肥器是一種結(jié)合先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)備，用于自動(dòng)化地進(jìn)行作物的種

植和施肥操作。圍繞智慧農(nóng)場(chǎng)典型作業(yè)智能決策、質(zhì)量評(píng)價(jià)等需求，接入農(nóng)機(jī)時(shí)空信息，

播種量、施肥量、噴灑量等作業(yè)信息，基于多傳感器融合方法，構(gòu)建種肥藥施用量作業(yè)質(zhì)

量實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)施用狀態(tài)的判斷和作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)反饋，建立作業(yè)均勻性和重漏檢

測(cè)等農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型；利用作業(yè)量、作業(yè)資源消耗、作業(yè)路徑、補(bǔ)給點(diǎn)位、實(shí)時(shí)位

置等參數(shù)，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)種肥藥及燃油等典型農(nóng)機(jī)作業(yè)資源狀態(tài)，構(gòu)建農(nóng)機(jī)作業(yè)資源自主補(bǔ)給

規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)資源的智能補(bǔ)給。下面表2給出了智能播種施肥器具所需用的傳

感器種類，其中圖4給出了智能播種施肥器具所需傳感器的位置擺放。

（1）播種控制傳感器安裝在播種器具上，用于檢測(cè)種子的投放量、間距和深度確保農(nóng)

作物的均勻種植和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)量。

（2）施肥控制傳感器部署在施肥噴桿或施肥箱內(nèi)，用于測(cè)量土壤養(yǎng)分含量。農(nóng)作物需

要施肥時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精確控制施肥量。

（3）剩余物資存儲(chǔ)部署在農(nóng)機(jī)具里邊，用于檢測(cè)農(nóng)機(jī)具中剩余化肥或種子的數(shù)量。當(dāng)

農(nóng)機(jī)具在農(nóng)田進(jìn)行工作時(shí)，可以實(shí)時(shí)掌握物資存儲(chǔ)情況，確保及時(shí)補(bǔ)充和管理物資，避免

在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)物資不足導(dǎo)致的中斷和浪費(fèi)，提高資源利用效率。

6

T/CIXXX—2023

圖4智能播種施肥傳感器位置

表2耕種器具所使用的傳感器總覽

傳感器種類應(yīng)用數(shù)量傳感器使用功能

播種控制傳感器2個(gè)檢測(cè)種子投放量、間距

施肥控制傳感器2個(gè)精準(zhǔn)控制施肥的數(shù)量

剩余物資存儲(chǔ)傳感器4個(gè)檢測(cè)農(nóng)機(jī)具中剩余種子、肥料的數(shù)量

4.3.4智慧農(nóng)場(chǎng)地貌分布式傳感器部署

智慧農(nóng)場(chǎng)地面分布式傳感器是一類安裝在農(nóng)場(chǎng)里，并廣泛分布于整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的傳感器系

統(tǒng)。這些傳感器使用分布式布置，以覆蓋整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的不同區(qū)域，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種環(huán)境參數(shù)

和農(nóng)業(yè)指標(biāo)。它們通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫r(nóng)場(chǎng)管理系統(tǒng)中，為農(nóng)民和農(nóng)場(chǎng)經(jīng)理提供

關(guān)鍵的決策支持和實(shí)時(shí)信息。主要通過(guò)農(nóng)田表面、農(nóng)作物植株、農(nóng)場(chǎng)周圍環(huán)境和土壤下層

四個(gè)方面對(duì)農(nóng)場(chǎng)地貌分布式傳感器的部署進(jìn)行描述。下面表3給出了農(nóng)場(chǎng)地貌中所需用的

傳感器種類，其中圖5給出了農(nóng)場(chǎng)地貌中所需傳感器的位置擺放。

（1）農(nóng)田表面

a）土壤濕度傳感器：埋入農(nóng)田表面，部署在農(nóng)場(chǎng)的多個(gè)地方。傳感器通常通過(guò)檢測(cè)土

壤中的電導(dǎo)率或介電常數(shù)來(lái)測(cè)量土壤濕度，幫助合理調(diào)整灌溉量。

b)土壤溫度傳感器：使用溫度敏感元件測(cè)量土壤表面溫度，用于了解土壤生態(tài)系統(tǒng)

的狀況和作物生長(zhǎng)條件。這些敏感元件在不同溫度下表現(xiàn)出不同的電阻或電特性，通過(guò)測(cè)

量這些電阻或電特性的變化，傳感器可以計(jì)算出土壤的溫度。

c)土壤pH傳感器：放置在土壤表面，監(jiān)測(cè)土壤的酸堿度，幫助調(diào)整土壤酸堿平衡。

d)光照傳感器：安裝在農(nóng)田表面或植物上方，可以有效地采集并分析光照強(qiáng)度、變

化情況、光線分布、照射時(shí)間等多項(xiàng)物理量變化，用于作物的光合作用和光周期管理。

(2)農(nóng)作物植株：

a）蒸騰速率傳感器：安裝在植物周圍，超于地面一米處，監(jiān)測(cè)植物蒸騰速率，幫助合

理控制灌溉和水分管理。

b）病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器：安裝在植株附近，監(jiān)測(cè)植物是否感染病蟲(chóng)害，及早采取防治措

施。

(3)農(nóng)場(chǎng)周邊環(huán)境：

7

T/CIXXX—2023

a）風(fēng)速傳感器：安裝在農(nóng)場(chǎng)周邊，監(jiān)測(cè)風(fēng)速，避免風(fēng)災(zāi)對(duì)農(nóng)作物的影響。

b）雨量傳感器：安裝在農(nóng)場(chǎng)周邊，監(jiān)測(cè)降雨量，幫助農(nóng)場(chǎng)管理者進(jìn)行灌溉和排水規(guī)劃。

c）氣象站傳感器（多參數(shù)綜合傳感器）：可以安裝在農(nóng)場(chǎng)周邊或農(nóng)田上空，提供綜合

的氣象信息，包括溫度、濕度、光照、風(fēng)速等。

（4）土壤下層：

a）土壤氮、磷、鉀含量傳感器：埋入土壤下層，測(cè)量土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分的含量，用于精

確施肥管理。

b）土壤侵蝕傳感器：埋入土壤下層，監(jiān)測(cè)土壤侵蝕情況，幫助采取防止土壤流失的措

施。

圖5農(nóng)田傳感器位置

表3農(nóng)田所使用的傳感器總覽

傳感器種類應(yīng)用數(shù)量傳感器使用功能

土壤濕度傳感器若干檢測(cè)電導(dǎo)率或介電常數(shù)測(cè)量土壤濕度

土壤溫度傳感器若干測(cè)量土壤表面溫度

8

T/CIXXX—2023

土壤PH傳感器若干監(jiān)測(cè)土壤的酸堿度

光照傳感器若干采集并分析光照強(qiáng)度、光照變化、光纖分布

蒸騰速率傳感器若干監(jiān)測(cè)植物蒸騰速率控制灌溉

病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器若干監(jiān)測(cè)植物是否感染病蟲(chóng)害

風(fēng)速傳感器4～8個(gè)監(jiān)測(cè)農(nóng)場(chǎng)中風(fēng)速

雨量傳感器4～6個(gè)監(jiān)測(cè)雨天的降雨量

氣象站傳感器2～4個(gè)提供綜合氣象信息

土壤氮、磷、鉀含量傳感

若干測(cè)量土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分的含量

器

土壤侵蝕傳感器若干監(jiān)測(cè)土壤侵蝕情況

4.4基于虛擬力覆蓋算法動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備優(yōu)化調(diào)度框架

隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面變得愈加重要。傳感器網(wǎng)絡(luò)由

大量的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)傳感器所處位置的不

同，節(jié)點(diǎn)的布置也會(huì)有所區(qū)別。在一些特定的場(chǎng)合中，我們需要節(jié)點(diǎn)能夠相互覆蓋，以保

證數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性，但是也同樣面臨著多類傳感器網(wǎng)絡(luò)重疊，造成資源浪費(fèi)，降低使

用效率。

本文件在面向復(fù)雜地貌特征、農(nóng)場(chǎng)網(wǎng)格劃分、機(jī)耕道建設(shè)等，關(guān)于多類傳感器網(wǎng)絡(luò)的

重疊、覆蓋優(yōu)化部署等問(wèn)題，引入虛擬力覆蓋算法探索局部/全局、時(shí)間/空間相結(jié)合的動(dòng)

態(tài)傳感設(shè)備優(yōu)化調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的全面感知，優(yōu)化部署過(guò)程如圖6所示。

9

T/CIXXX—2023

圖6農(nóng)場(chǎng)全面感知優(yōu)化部署過(guò)程

（1）首先，基于近端策略優(yōu)化建立多類異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)重疊、覆蓋優(yōu)化部署模型。根據(jù)

地貌特征、網(wǎng)格劃分、機(jī)耕道建設(shè)等，將農(nóng)場(chǎng)劃分為個(gè)地塊，每個(gè)

地塊部署溫度、濕度、光照等種不同的傳感器，每種傳感器

()的數(shù)量為。利用加權(quán)無(wú)向圖表征傳感器優(yōu)化部署問(wèn)

題，其中，表示傳感器集合，表示傳感器之間的連接關(guān)系，表示權(quán)矩陣，

表示傳感器和傳感器之間的距離。如圖7所示。

10

T/CIXXX—2023

圖

圖7靜態(tài)傳感器最優(yōu)部署方案

a）針對(duì)地塊，狀態(tài)表示第步傳感器部署圖，傳感器的特征為

，其中，表示傳感器的類型，表示傳感器的狀態(tài)，例如農(nóng)田表面?zhèn)鞲?/p>

器的位置、數(shù)據(jù)采集特性、傳感器之間的距離、鏈路質(zhì)量等；

b）將圖中特征編碼為初始的頂點(diǎn)嵌入表征和邊嵌入表征

，利用Transformer更新獲得頂點(diǎn)嵌入表征和邊嵌入表征。

c）根據(jù)嵌入表征向量選擇傳感器部署策略，

，其中表示多層感知器。為了得到傳感器部署

策略，利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將策略參數(shù)化為，為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

d）基于近端策略優(yōu)化算法，訓(xùn)練得到最優(yōu)的參數(shù)，即可得到網(wǎng)格地塊的類傳

感器優(yōu)化部署模型。

f）根據(jù)不同網(wǎng)格地塊的差異性，利用遷移學(xué)習(xí)生成每個(gè)網(wǎng)格地塊的多類傳感器局部?jī)?yōu)

化部署方案。為了避免不同傳感器之間造成重疊問(wèn)題，使用Voronoi圖去除冗余節(jié)點(diǎn)，從

11

T/CIXXX—2023

而獲得多類異構(gòu)傳感器的優(yōu)化部署方案。

（2）其次，構(gòu)建基于虛擬力覆蓋算法的動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備優(yōu)化調(diào)度策略。隨著農(nóng)作物生長(zhǎng)

態(tài)勢(shì)演化，覆蓋傳感網(wǎng)絡(luò)將退化為非覆蓋網(wǎng)絡(luò)，造成農(nóng)場(chǎng)感知空洞，需要?jiǎng)討B(tài)傳感設(shè)備進(jìn)

行必要補(bǔ)充。以最小化成本為目標(biāo)，基于虛擬力覆蓋算法建立動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度

策略，形成動(dòng)靜態(tài)相結(jié)合的農(nóng)場(chǎng)覆蓋感知方案。

a）根據(jù)感知某特定信息的傳感網(wǎng)絡(luò)部署方案，假設(shè)傳感器的位置集合為

，傳感器的感知半徑為，當(dāng)玉米、小麥等農(nóng)作物生長(zhǎng)到一定高度

時(shí)，傳感器的感知能力受阻造成感知空洞。

b）利用虛擬力覆蓋算法，感知空洞可吸引田間信息車、無(wú)人拖拉機(jī)等動(dòng)態(tài)感知設(shè)備，

引力為。其中，為吸引力系數(shù)，表示空洞的重要度；

為動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)與感知空洞的距離；表示動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的感知半徑。

c）被多個(gè)臨近動(dòng)態(tài)傳感器同時(shí)覆蓋的網(wǎng)格地塊，傳感器之間通過(guò)排斥力

減少覆蓋冗余。其中，為排斥力系數(shù)；

為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的距離。則動(dòng)態(tài)傳感器的總虛擬力為

。

d）為了獲得動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備的調(diào)度策略，定義狀態(tài)包含部署傳感器位置、性能、農(nóng)場(chǎng)

環(huán)境等信息，動(dòng)作為動(dòng)態(tài)傳感設(shè)備的位移，即，表示的位移，是總

虛擬力的函數(shù)，定義收益為部署成本的相反數(shù)。因此，可定義損失函數(shù)：

其中，為折扣因子，為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。采用自適應(yīng)梯度下降算法得到最

優(yōu)參數(shù)。最后，使用-貪婪算法選擇最佳策略，即可構(gòu)建動(dòng)態(tài)感知設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度策

略，形成動(dòng)靜態(tài)相結(jié)合的實(shí)時(shí)覆蓋優(yōu)化感知方案。

4.5智慧農(nóng)場(chǎng)多源信息通信傳輸技術(shù)

4.5.1智慧農(nóng)場(chǎng)多源信息通信傳輸技術(shù)概述

智慧農(nóng)場(chǎng)多源信息通信傳輸技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)各種數(shù)據(jù)的高效傳輸和集成。通過(guò)

利用多種通信技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取來(lái)自多個(gè)信息

源的數(shù)據(jù)，包括農(nóng)場(chǎng)中氣象信息、土壤狀態(tài)、植物生長(zhǎng)情況以及機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況等。這

些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整合和分析后，為農(nóng)場(chǎng)主和農(nóng)作物管理者提供準(zhǔn)確的決策支持和智能化農(nóng)業(yè)解

決方案，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、資源利用率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)

模式。

12

T/CIXXX—2023

4.5.2智慧農(nóng)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸

在智慧農(nóng)場(chǎng)中，通過(guò)部署諸多不同作用的智能傳感器，用以收集農(nóng)場(chǎng)中各種各樣的環(huán)

境信息。例如土壤水分、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及空氣濕度等信息，可以用于判斷作

物的長(zhǎng)勢(shì)以及生長(zhǎng)情況。而農(nóng)機(jī)設(shè)備上的傳感器收集的信息主要是為了輔助農(nóng)機(jī)設(shè)備的自

動(dòng)行駛，防止在行駛過(guò)程中與障礙物發(fā)生碰撞。為了將所有的數(shù)據(jù)收集在一起進(jìn)行傳輸，

在農(nóng)場(chǎng)之中安置了多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用來(lái)收集附近的傳感器數(shù)據(jù)。

由于ZigBee技術(shù)具有能耗低且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此采用ZigBee數(shù)據(jù)采集

節(jié)點(diǎn)。這種傳感節(jié)點(diǎn)在農(nóng)場(chǎng)之中主要分為兩類，一種是移動(dòng)式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，另

外一種是固定式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。其中固定節(jié)點(diǎn)一般安裝在農(nóng)場(chǎng)中經(jīng)過(guò)測(cè)量和定位

的監(jiān)控點(diǎn)，而移動(dòng)的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)一般根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，比如根據(jù)種植的作物不

同增加或減少控制。因此，需要根據(jù)農(nóng)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)確定ZigBee無(wú)線模塊安裝的距離和

大小，確保農(nóng)場(chǎng)區(qū)域可以被ZigBee無(wú)線模塊完全覆蓋。

針對(duì)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目繁多，分布范圍大等特點(diǎn)，必須要采用GPRS技

術(shù)和ZigBee無(wú)線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖8所示，依據(jù)節(jié)點(diǎn)

的設(shè)計(jì)模式，將數(shù)據(jù)傳輸分為兩部分。首先，是從節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就是利用

ZigBee傳輸模塊把一個(gè)區(qū)域里的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)中心點(diǎn)上；第二部分是將主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳

遞到服務(wù)器，由于無(wú)線微波技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，故采用無(wú)線微波技

術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器之中。這樣能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳遞，不但可以從很大程度上

減少數(shù)據(jù)傳輸成本，而且方便快捷。

圖8傳感器數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)易流程圖

4.5.3數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議

13

T/CIXXX—2023

在智慧農(nóng)場(chǎng)中，很多設(shè)備和傳感器都是分布在廣闊的農(nóng)田中，使用最基本的通信協(xié)議

TCP/IP、DNS可以確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸和高效的設(shè)備訪問(wèn)，提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確和便捷的信息

交換和管理功能。使用無(wú)線通信技術(shù)可以解決布線和傳輸距離的問(wèn)題。常用的無(wú)線通信技

術(shù)包括LoRaWAN、Zigbee、Wi-Fi等。這些技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸和廣域覆蓋的特

點(diǎn)，適用于智慧農(nóng)場(chǎng)中大規(guī)模、分散的數(shù)據(jù)傳輸需求。

(1)TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）是能在多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膮f(xié)議簇，

它是在互聯(lián)網(wǎng)的使用中的最基本的底層通信協(xié)議，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息及時(shí)、完整傳輸。

(2)DNS（DomainNameSystem）用于將域名解析為IP地址。給設(shè)備分配自己的域名，

有助于設(shè)備的標(biāo)識(shí)和區(qū)分。設(shè)備的域名可以基于其功能、位置或其他特征命名，幫助管理

者更好地識(shí)別和管理設(shè)備。農(nóng)場(chǎng)工作人員和管理者也可以通過(guò)域名輕松地訪問(wèn)各種設(shè)備和

系統(tǒng)，提高了網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的便捷性和效率。

(3)ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，常用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)，

支持較小的數(shù)據(jù)傳輸和長(zhǎng)期低功耗運(yùn)行。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征。通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的

監(jiān)測(cè)，提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確的掌握農(nóng)場(chǎng)的環(huán)境條件，方便農(nóng)業(yè)人員及時(shí)根據(jù)不

同的條件做出反應(yīng)。

(4)LoRaWAN是一種適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗、長(zhǎng)距離無(wú)線通信協(xié)議。常用于連接

遠(yuǎn)距離的傳感器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)土壤濕度、氣象條件、環(huán)境參數(shù)等。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，

LoRaWAN擁有長(zhǎng)距離傳輸、低功耗、低成本和多節(jié)點(diǎn)連接等特點(diǎn)，使其在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中擁

有更大的優(yōu)勢(shì)。

(5)WIFI又稱作“移動(dòng)熱點(diǎn)”，是一種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)。傳感器通過(guò)串口將數(shù)

據(jù)傳遞到WiFi模組上，WiFi模組通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到路由器上，路由器將傳感器

數(shù)據(jù)上傳云端，從而達(dá)到數(shù)據(jù)收集的作用。同時(shí)，作業(yè)人員也可以使用不同的便攜式設(shè)備

通過(guò)WIFI連接到互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)的設(shè)備和環(huán)境，實(shí)時(shí)查看農(nóng)場(chǎng)的情況。

4.6農(nóng)場(chǎng)多源信息互聯(lián)融合技術(shù)

4.6.1農(nóng)場(chǎng)的多源信息互聯(lián)融合技術(shù)概述及框架

多源信息融合技術(shù)指利用相關(guān)手段將調(diào)查、分析將獲取到的所有信息全部綜合到一起，

并對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，最后得到統(tǒng)一的信息的技術(shù)。該技術(shù)的目的是將各種不同的數(shù)

據(jù)信息進(jìn)行綜合，吸取不同數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)然后從中提取出統(tǒng)一的，比單一數(shù)據(jù)更好、更豐

14

T/CIXXX—2023

富的信息。

在農(nóng)場(chǎng)中主要數(shù)據(jù)來(lái)源有無(wú)人拖拉機(jī)、耕種機(jī)及農(nóng)田表面三大部分傳感器的信息。從

功能上看，無(wú)人拖拉機(jī)主要在田間根據(jù)精準(zhǔn)導(dǎo)航路徑規(guī)劃與各項(xiàng)農(nóng)機(jī)具配合完成耕種、播

種、施肥等。耕種機(jī)主要與無(wú)人拖拉機(jī)協(xié)同完成作物種植、施肥等。農(nóng)田表面則存在大量

的傳感器，廣泛分布于整個(gè)農(nóng)場(chǎng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)多種環(huán)境參數(shù)化和農(nóng)業(yè)指標(biāo)。這些傳感器采

集信息和輸出信息的方式不一樣，要合理利用這些信息，就必須運(yùn)用多傳感器信息互聯(lián)融

合技術(shù)。

在多傳感器信息融合技術(shù)中由于數(shù)據(jù)量很大，所以會(huì)有一部分冗余信息，因此所有經(jīng)

過(guò)傳感器收集的信息都會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，保留重要的信息。對(duì)清洗過(guò)

的數(shù)據(jù)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多模態(tài)感知信息特征提取，引入元路徑圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究“網(wǎng)

格—區(qū)域—農(nóng)場(chǎng)”三級(jí)信息融合策略，最后通過(guò)將三級(jí)融合特征與寬度學(xué)習(xí)得到的特征結(jié)

合在一起，做出最終的決策，根據(jù)這些信息，可以得到判斷出農(nóng)作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、病況等

信息，方便農(nóng)業(yè)人員做出相應(yīng)的對(duì)策和判斷。多源信息融合技術(shù)框架如圖9所示：

15

T/CIXXX—2023

圖9多源信息融合技術(shù)示意圖

4.6.2多源數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)預(yù)處理

在當(dāng)今信息爆炸的時(shí)代，智慧農(nóng)業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。農(nóng)場(chǎng)管理者面對(duì)著

大量來(lái)自不同傳感器、設(shè)備和數(shù)據(jù)源的信息，這些數(shù)據(jù)涵蓋了土壤、氣象、作物、設(shè)施等

各個(gè)方面的信息。然而，這些信息分散、多樣，每種數(shù)據(jù)源都只能提供有限的局部信息。

為了真正實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)場(chǎng)的愿景，將這些來(lái)自多源的信息進(jìn)行整合和處理，以獲得更全面、

準(zhǔn)確、有價(jià)值的綜合信息。在農(nóng)場(chǎng)不同時(shí)間和空間位置傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)有差異性，要使得

數(shù)據(jù)充分被利用，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊處理。

16

T/CIXXX—2023

（1）多源信息數(shù)據(jù)對(duì)齊是指將來(lái)自無(wú)人拖拉機(jī)、耕種設(shè)備及農(nóng)田地面所部署傳感器的

信息進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊和空間對(duì)齊，使得它們具有相同的時(shí)間戳和空間參考，以便進(jìn)行有效的

數(shù)據(jù)融合和分析。

不同傳感器和設(shè)備可能在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣的數(shù)據(jù)需要通過(guò)插值、截

取或填充等方法，調(diào)整其時(shí)間戳，使得數(shù)據(jù)在同一時(shí)間點(diǎn)上是可比較的。比如一個(gè)傳感器

每小時(shí)采集一次土壤濕度數(shù)據(jù)，而另一個(gè)傳感器每天只采集一次土壤濕度數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)對(duì)

齊時(shí)，可以將每天的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，以填充每小時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而使得兩個(gè)傳感器的

數(shù)據(jù)在時(shí)間上對(duì)齊。

（2）空間對(duì)齊與時(shí)間對(duì)齊類似，將來(lái)自不同空間位置的數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或者插值

等操作，將其映射到相同的空間參考上。在智慧農(nóng)場(chǎng)中，存在無(wú)人拖拉機(jī)、農(nóng)場(chǎng)地面等不

同位置的傳感器網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備，它們采集的數(shù)據(jù)需要映射到同一坐標(biāo)系統(tǒng)或同一地理位置上，

以便進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析。比如農(nóng)場(chǎng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)可能覆蓋不同的地塊，每個(gè)地塊具有

不同的坐標(biāo)和空間參考。在數(shù)據(jù)對(duì)齊時(shí)，可以通過(guò)地圖投影或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將不同地塊的數(shù)

據(jù)映射到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)上，使得數(shù)據(jù)在空間上對(duì)齊。

數(shù)