学期《智慧农业导论》复习资料汇编文档格式.docx
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智慧农业是农业生产的高级阶段,是集新兴的互联网、移动互联网、云计算、物联网和大数据技术为一体,依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、智能服务,为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。
物联网
物联网这个概念,早在2000年美国就已经提出,当时叫传感网。
其定义是通过射频识别、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,把任何物品通过物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。
通俗的说,物联网是在“互联网概念”基础上,将用户端延伸和扩展到物与物之间进行信息交换和通信的一种网络。
物联网的英文名称为“TheInternetofThings”,简称IOT,即“物物相连的互联网”。
这表明两点,第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础之上延伸和扩展的一种网络;
第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。
物联网是将无处不在的末端设备和设施,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等,以及贴上电子标签的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物品”,通过各种通讯网络实现互联互通,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、在线升级、决策支持等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化服务,图6-2-1是一个物联网的概念图,可将各种智能终端连接起来。
大数据
2011年,美国麦肯锡在研究报告《大数据的下一个前沿:
创新、竞争和生产力》中给出了大数据的定义:
大数据是指大小超出典型数据库软件工具收集、存储、管理和分析能力的数据集。
大数据研究机构Gartner公司分析师道格·
兰尼认为:
大数据具有量大、变化快和多样性高的特点,是需要新型处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力来适应海量、高增长率和多样化的信息资产。
百度百科对于大数据的定义:
大数据是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理
和处理的数据集合,是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。
人工智能
即人工智能是研究人类智能活动的规律,构造具有一定智能的人工系统,研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作,也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。
人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为(如学习、推理、思考、规划等)的学科,主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机,使计算机能实现更高层次的应用。
人工智能将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。
可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科,其范围已远远超出了计算机科学的范畴。
4.农业进入数字时代:
第三次绿色革命!
不断增长的智慧农机能够把数据变成有用而实时的知识,正成为农业生产力可持续增长的关键动力。
减轻劳动强度、追求更高收成,也就是说减少使用昂贵的化肥、化学品支出和劳动时间。
这意味着越来越依赖先进的农机进行农田耕、播种、锄草、是收获和加工等。
GPS的运用可使拖拉机和收割机准确作业,通过其他基于卫星的传感器农民可以了解器土壤水分含量分布图及作物生长情况。
这就使得农民始终明白自己的土地和作物情况,知道如何去管理它,这样的系统有助于他从了解每个地块精确到了解某平方米的情况。
智能手机,相当于几十年前的一台超级计算机,具有收集和分析数据的能力。
进入大数据时代,新颖的技术,可以使我们利用大量的可用信息。
5.精准农业
精准农业(或称精确农业)是基于物联网方法的一个整体概念,可使农业更加可控和准确。
简单地说,针对每个植物和动物都能够得到精确的管理,这由比人还准确的机器决定。
与传统方法最大的不同是,精确农业允许针对每平方米甚至每株植物/动物做出决策,而不是为某块地做出决策。
通过精确测量田间变化,农民可以提高农药和化肥的有效性,或者有选择地使用它们。
6.智慧农业可用技术
l传感器:
土壤、水、光、湿度、温度管理
l软件:
针对特定农业服务或用途的IoT平台的专用软件
l连接:
蜂窝、LoRa等
l位置:
GPS、卫星等
l机器人:
自主拖拉机、加工设施等
l数据分析:
独立分析解决方案、用于下游解决方案的数据流等。
l基于此,农民甚至不用去田间就能监测田间情况,并为整个农场或单一工厂做出战略决策。
智能农业的驱动力是物联网,连接集成在农场上的智能机器和传感器,使农业流程采用数据驱动
或数据使能。
7.计算思维的本质
抽象:
在不同层次上完成问题建模:
忽略某些细节,如最短路径求解,方程计算。
数据建模:
考虑数据特点,数据可抽象为线性结构,树结构,图结构等。
自动化:
机械地一步一步地自动执行,并选择合适的计算机执行问题的抽象。
待求
解问
题
问题
分析
问题求解
方法之一
数据
模型
功能
数据结构
算法步骤
程序自动化实现
问题抽象
借助现有软件或工具完成所需功能
问题求解方法之二
8.云计算
云计算(cloudcomputing)是分布式计算的一种,指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,然后,通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。
“云”实质上就是一个网络,狭义上讲,云计算就是一种提供资源的网络,使用者可以随时获取“云”上的资源,按需求量使用,并且可以看成是无限扩展的,只要按使用量付费就行。
2006年8月9日,Google首席执行官埃里克·
施密特(EricSchmidt)在2006年的搜索引擎大会
(SESSanJose2006)上首次提出了“云计算”(CloudComputing)的概念。
云是网络、互联网的一种比喻说法,它是基于互联网提供动态、易扩展、虚拟化资源的一种计算模式,通常以服务的形式提供。
云计算是一种商业计算模型,它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使用户能够按需
获取计算力、存储空间和信息服务。
也就是说,云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用、便捷、按需的网络访问。
用户只要进入可配置的计算资源共享池(包括网络、服务器、存储、应用软件、服务等资源),那么这些资源就像水、电、煤气一样能够被快速提供,取用方便,费用低廉,只是这种服务是通过互联网传输的。
云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。
所请求的资源来自“云”,而不是固定有形的实体。
应用在“云”中运行,用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。
只需一台笔记本或者一个手机,就可以通过网络服务来实现我们需要的一切,甚至包括超级计算这样的任务。
9.5G技术
随着移动互联网的发展,越来越多的设备接入到移动网络中,新的服务和应用层出不穷,全球移动宽带用户在2018年有望达到90亿,到2020年,预计移动通信网络的容量需要在当前的网络容量
上增长1000倍。
移动数据流量的暴涨将给网络带来严峻的挑战。
首先,如果按照当前移动通信网络发展,容量难以支持千倍流量的增长,网络能耗和比特成本难以承受;
其次,流量增长必然带来对频谱的进一步需求,而移动通信频谱稀缺,可用频谱呈大跨度、碎片化分布,难以实现频谱的高效使用;
此外,要提升网络容量,必须智能高效利用网络资源,例如针对业务和用户的个性进行智能优化,但这方面的能力不足;
最后,未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络,要提升网络容量,必须解决高效管理各个网络,简化互操作,增强用户体验的问题。
为了解决上述挑战,满足日益增长的移动流量需求,亟需发展新一代5G移动通信网络
第五代移动通信技术(英语:
5thgenerationmobilenetworks或5thgenerationwirelesssystems、5th-Generation,简称5G或5G技术)是最新一代蜂窝移动通信技术,也是即4G(LTE-A、WiMax)、
3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。
5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。
5G特点:
峰值速率需要达到Gbit/s的标准,以满足高清视频,虚拟现实等大数据量传输。
空中接口时延水平需要在1ms左右,满足自动驾驶,远程医疗等实时应用。
超大网络容量,提供千亿设备的连接能力,满足物联网通信。
频谱效率要比LTE提升10倍以上。
连续广域覆盖和高移动性下,用户体验速率达到100Mbit/s。
流量密度和连接数密度大幅度提高。
系统协同化,智能化水平提升,表现为多用户,多点,多天线,多摄取的协同组网,以及网络间灵活地自动调整。
10.物联网
物联网作为一种聚合性复杂系统,涉及了信息技术自上而下的每一个层面,其体系架构一般自下而上分为感知层、网络层、应用层三个层面。
感知层
感知层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。
数据采集子层通过各种类型的传感器获取物理世界中发生的物理事件和数据信息,例如各种物理量、标识、音视频多媒体数据等。
物联网的数据采集涉及传感器、射频识别(RFID)、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。
短距离通信技术和协同信息处理子层将采集到的数据在局部范围内进行协同处理,以提高信息的精度,降低信息冗余度,并通过具有自组织能力的短距离传感网接入广域承载网络。
网络层
网络层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层,包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网等。
根据应用需求,可作为透明传输的网络层,也可升级以满足未来不同内容传输的要求。
经过10余年的快速发展,移动通信、互联网等技术已经比较成熟,在物联网的早期阶段基本能够满足数据传输的需要。
网络层主要关注来自于感知层的、经过初步处理的数据经由各类网络的传输问题,这涉及到智能路由器、不同网络传输协议的互通、自组织通信等多种网络技术。
应用层
应用层主要包括服务支撑层和应用层,服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据,形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库,应用层面向各类使用数据的用户。
在物联网的体系结构中,感知层实现物联网全面感知的核心能力,是物联网中关键技术、标准化、产业化方面亟需突破的部分,关键在于具备更精确、更全面的感知能力,并解决低功耗、小型化和低成本问题。
网络层主要以广泛覆盖的移动通信网络作为基础设施,是物联网中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分,关键在于为物联网的应用特征进行优化改造,形成系统感知的网络。
应用层提供丰富的应用,将物联网技术与行业信息化需求相结合,实现广泛智能化的应用解决方案,关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障及有效商业模式
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的开发等。
第2章农业数字化技术
1.农业数据是根据农业自身的特征,即农业地域性、季节性、多样性、周期性产生的来源广泛、类型多样、结构复杂、有潜在价值,并难以应用通常方法处理和分析的数据集合。
2.农业数据的采集方式包括天、地、空以及其他采集方式。
天:
是指利用卫星,也就是遥感技术采集数据,采集作物的数据信息,并将数据上传至农业大数据平台,渗透农业生产经营的各环节,为经营者的管理决策提供依据。
其中包括北斗/GPS卫星。
空:
是指利用无人机,高光谱仪或者高清摄像机采集数据。
地:
是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,进行数据处理。
地面采集方式是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
3.农用传感器主要包括以下四种:
农业水体信息传感器、农业土壤信息传感器、农业气象信息传感器、农业动植物生理信息传感器。
4.农业气象信息是指与农业生产环境密切相关的空气温度、湿度、空气中的二氧化碳和氨气、光照强度、降雨量等农业气象参数。
5.条码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的一种自动识别技术,具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点,在当今的自动识别技术中占有重要的地位。
条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记,“条”指对光线反射率较低的部分,“空”指对光线反射率较高的部分,这些条和空组成的数据表达一定的信息,并能够用特定的设备识读,转换成与计算机兼容的二进
制和十进制信息。
通常对于每一种物品,它的编码是唯一的。
6.二维码是在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码,使用黑白矩形图案表示二进制数据,被设备扫描后课获取其中包含的信息。
一维条码的宽度记载着数据,而其长度并没有记载数据。
二维码的长度、宽度均记载着数据。
二维条码有一维条码没有的“定位点”和“容错机制”。
容错机制在即使没有辨识到全部的条码、或是说条码有污损时,也可以正确的还原条码上的信息。
二维条码的种类很多,不同的机构开发出的二维条码具有不同的结构以及编写、读取方法。
7.无线射频识别技术RFID又称电子标签,无线射频识别,是一种无线通信技术。
主要利用无线微波对物体进行近距离无接触的探测和跟踪。
在无线传感器网络中往往利用RFID技术赋予无线传感器网络节点的ID号,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。
当前RFID的技术已经逐渐成熟,依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大类。
低频段RFID,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz;
高频段电子标签的工作频率一般为3MHz~30MHz,高频电子标签一般也采用无源方式,其工作能量同低频标签一样RFID应用系统一般由读写器、标签和计算机系统等部分组成,有些简易的RFID系统则只是由读写器与标签组成。
8.3S技术是测量工程科学技术的重要组成部分,3S技术的快速发展是测绘技术和科学的一次深刻革命,3S技术是全球定位系统(GlobalPositioningSystem)GPS、地理信息系统
(GeographicInformationSystem)GIS和遥感技术(RemoteSensing)RS技术的总和。
9.遥感(Remotesensing简称RS)就是遥远的感知,指借助对电磁波敏感的仪器,在不与探测目标接触的情况下,记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息,揭示目标物的特征、性质及其变化的综合探测技术。
遥感的工作过程为从远离地面的不同工作平台(如高塔、气球、飞机、火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等)上通过各种传感器和探测器(如照相机、红外探测仪、雷达等)对地球表面电磁波(辐射)进行探测,并经过信息的传输、处理和判读分析,对地球的资源与环境进行探测和监测。
10.3s技术用到的关键技术主要包括:
时空定位、一体化数据管理、语义和非语义信息自动提取、全数字化智能系统、数据传输与交换、可视化理论与技术、设计方法及CASE工具的研究。
第3章数据传输技术
1.计算机网络的发展阶段
计算机网络的发展经历一个由简单到复杂,又到简单(指入网容易、使用简单、网络应用大众化)的过程,计算机网络的发展大致分为四个阶段。
第一阶段:
以单计算机为中心的联机终端系统。
它以单个主机为中心,实现了大量终端与主机之
间的连接与通信,此时的终端无处理能力。
第二阶段:
以通信子网为中心的主机互联。
许多单计算机网络相互连接形成的计算机网络,包括通信子网和资源子网两部分。
第二代计算机网络的典型代表是APPA网络(APPANET),被认为是现代意义上计算机网络开始的标志。
第三阶段:
计算机网络体系结构标准化。
1984年,国际标准化组织(ISO)正式颁布了一个使各种计算机互联成网的标准框架——开放系统互连参考模型(OpenSystemInterconnectionReferenceModel,OSI)。
第四阶段:
以网络互连为核心的Internet全球网络形成。
Internet最初起源于ARPANET,该网络最重要的一项成果就是TCP/IP协议的研制成功。
2.计算机网络的定义和功能
通常的定义为:
将地理位置不同且有独立功能的多个计算机系统,通过通信设备和通信线路连接起来,在网络软件的支持下,实现彼此之间数据通信和资源共享的系统。
以资源共享为主要目标的计算机网络,具有以下几方面的功能。
(1)数据通信
(2)资源共享
(3)负荷均衡和分布处理
(4)提高系统的可靠性和可用性
3.计算机网络体系结构
计算机网络的各层及其协议的集合,称为网络的体系结构(Architecture)。
4.局域网
局域网(LocalAreaNetwork,LAN)是在一个局部的地理范围内(如一个学校、公司和机关内),一般方圆10几公里以内,将各种计算机,外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。
5.传输介质
有线传输介质是指利用线缆或光缆等充当传输导体的传输介质,包括双绞线和光缆等。
常用的无线信道有微波、卫星信道、红外线和激光信道等。
6.网络互连设备及连接
网络互连是网络领域中的一项重要技术,是指将多个拓扑结构相同或不同的网络通过一定的网络
设备相互连接构成更大规模的网络。
网络互连设备是把网络中用通信线路连接起来的各种设备的总称,它主要负责网间协议和功能转换,不同的网络互连设备工作在不同的协议层中。
常用的网络互连设备主要有中继器、集线器、网桥、交换机、路由器等。
下图描述了网络互连设备与OSI/RM各层的对应关系。
7.万维网
网络互连设备与OSI、TCP/IP对应关系
万维网是分布式超媒体(hypermedia)系统,它是超文本(hypertext)系统的扩充。
一个超文本由多个信息源链接成。
利用一个链接可使用户找到另一个文档。
超媒体与超文本的区别是文档内容不同。
超文本文档仅包含文本信息,而超媒体文档还包含其他表示方式的信息,如图形、图像、声音、动画,甚至活动视频图像。
8.URL
统一资源定位系统(uniformresourcelocator;
URL)是因特网的万维网服务程序上用于指定信息位置的表示方法。
9.IP地址
IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式,它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址,以此来屏蔽物理地址的差异。
IPv4使用32位二进制地址,以点分十进制表示。
IPv6使用128位二进制地址。
10.域名
域名是由一串用点分隔的名字组成的Internet上某一台计算机或计算机组的名称。
例如
11.域名服务器
运行域名服务器程序,以完成域名到IP地址解析的机器。
12.TCP最主要的特点
TCP是面向连接的运输层协议。
每一条TCP连接只能是点对点的(一对一)。
TCP提供可靠交付的服务。
TCP提供全双工通信。
TCP是面向字节流。
13.网络地址转换NAT
通过将内部网络的私有IP地址翻译成全球唯一的公网IP地址,使内部网络可以连接到互联网等外部网络上。
14.物联网
物联网(TheInternetofThings,简称IOT)是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各类可能的网络接入,实现物与物、物与人的泛在连接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
15.物联网与互联网的不同之处
物联网提供行业性、专业性与区域性的服务;
物联网数据主要是通过自动方式获取的;
物联网是可反馈、可控制的“闭环”系统
16.物联网的应用
智能工业、智能农业、智能交通、智能电网、智能医疗、智能家居、智能物流等。
智能农业:
将物联网技术用于大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流、农副产品食品安全质量监控与溯源等领域,实现对农业生产过程中的土壤、环境、水资源的实时监测,对动植物生长过程的精细管理,对农副产品生产的全过程监控与可追溯管理,对大型农业机械作业服务的优化调度。
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