國內農業(yè)領域物聯(lián)網(wǎng)研究與應用現(xiàn)狀分析

馬享優(yōu)　信麗媛　王曉蓉　王麗娟

摘要：論述了物聯(lián)網(wǎng)的定義、內涵，對其在我國農業(yè)領域主要應用方向、現(xiàn)狀作出分析。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；計算機；網(wǎng)絡；農業(yè)

中圖分類號： TP311 文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.06.017

2009年11月3日，溫家寶總理向北京科技界發(fā)表了題為《讓科技引領中國可持續(xù)發(fā)展》的講話，提出“我們要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術，及早部署后IP時代相關技術研發(fā)”。2010年3月5日，溫總理在十一屆全國人大三次會議上所作的政府工作報告中指出“要加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應用，加大對戰(zhàn)略性新興產業(yè)的投入和政策支持”。此后幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術研究迅速升溫，無論在理論的縱深方向，還是在應用的廣度上，都獲得了前所未有的發(fā)展。如今，物聯(lián)網(wǎng)技術應用已遍及城市管理、家居環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境資源保護、交通、物流、司法、校園以及農業(yè)等眾多領域，在整個國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。

我國雖然是21世紀崛起中的發(fā)展中國家，工業(yè)化程度越來越高，但是全國有十億農民，農業(yè)問題關系到國民經(jīng)濟和民生之根本，不容忽視。充分利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科學技術，提高農業(yè)生產水平，增加農民收入是科研工作者和社會各方重點關注的熱點話題。

1物聯(lián)網(wǎng)定義概述

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網(wǎng)絡的綜合應用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后的信息產業(yè)第三次浪潮，將是推動世界生產力變革的核心驅動力，是信息產業(yè)領域未來競爭的制高點[1]。

所謂物聯(lián)網(wǎng)，一般說來是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接， 進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡技術，其核心和基礎仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術”，但用戶端可以延伸和擴展到任何物品和物品之間，進行信息交換和通訊[2]。

物聯(lián)網(wǎng)這個概念，最早是MITAuto-ID中心的Ashton教授1999年在研究RFID時提出，由于計算機軟硬件技術的飛速進步，2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念，但其定義和范圍已經(jīng)發(fā)生較大的拓展和變化，不僅僅是指基于RFID技術的物聯(lián)網(wǎng)，更多的是指能夠通過將傳感器植入物體中，獲取各種信息，再通過無線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等實現(xiàn)信息的交互傳遞的物聯(lián)網(wǎng)。常見的傳感器包括電子標簽(RFID)、攝像頭、GPS、以及紅外感應器、激光掃描器等[3]。

2物聯(lián)網(wǎng)在我國農業(yè)領域的研究應用

2．1物聯(lián)網(wǎng)在獲取土壤和作物信息的研究與應用

隨著現(xiàn)代科學技術發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)重要組成部分的各種性能的傳感器包括非接觸快速測量傳感器和智能化傳感器的開發(fā)，為田間土壤和作物信息的采集提供了全新的精細量化的技術手段，這些先進的傳感器的應用，為測量土壤容重、土壤堅實度、土壤含水量、土壤pH值、肥力（N、P、K含量）、大氣溫度、大氣濕度、風速、太陽輻射、作物生長情況、作物產量等重要信息提供了有力的 技術支持[4]。

如王景才等[5]開展的土壤水分傳感器性能對比測試工作項目，對初步征集的分屬不同工作原理和類別的15種型號的土壤水分傳感器（其中一種屬于時域反射儀，其他l4種屬于頻域反射儀），進行了長時間野外田間埋設條件下的實驗，研究發(fā)現(xiàn)，大部分傳感器穩(wěn)定率較好，絕大部分傳感器對降水反應也良好。高峰采用無線傳感器網(wǎng)絡技術,設計了作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集節(jié)點的自動部署、數(shù)據(jù)自組織傳輸,可以精確獲取作物需水信息,溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境信息，以及水分虧缺時作物水分生理指標微變化信息等，具有功耗低、成本低廉、魯棒性好、擴展靈活等優(yōu)點，可應用于農田、溫室、苗圃等區(qū)域[6]。張航[7]通過室內和田間試驗, 利用電容式傳感器監(jiān)測的土壤電導率、含水率和溫度, 研究測定土壤硝態(tài)氮質量的方法。在室內以NH4NO3分析純?yōu)槿苜|,進行了溶液質量濃度0～10 g·L-1的7次土柱試驗;在2009年和2010年春玉米生育期內監(jiān)測了不同滴灌水量條件下土壤電導率、含水率和溫度動態(tài)變化。結果表明,土壤電導率能較好的反映土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)的變化;土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)與電導率、含水率和溫度之間的關系可用二次多項式描述,且3個土壤參數(shù)對土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)的影響均達到了極顯著水平（P≤0.01）。

2．2物聯(lián)網(wǎng)在畜牧業(yè)上的研究與應用

現(xiàn)代畜牧養(yǎng)殖業(yè)的集約化程度高、養(yǎng)殖對象數(shù)量龐大，對從業(yè)人員來說，其標識和管理工作會非常繁重，勞動強度大，難以實現(xiàn)高效率的生產管理與控制。而與畜牧業(yè)相關的食品安全，今年來越發(fā)受到全社會的重視，因此，畜產品安全的信息化已經(jīng)成為食品安全監(jiān)管工作中十分重要的組成部分，而物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術，是一種非接觸的快速識別技術，對于我國當前的畜牧養(yǎng)殖業(yè)能產生良好的效果[8]。

劉堯等[9]將RFID技術、物聯(lián)網(wǎng)和電子產品代碼系統(tǒng)相關技術引入到豬肉質量安全管理中,設計了RFID/EPC物聯(lián)網(wǎng)架構下豬肉質量安跟蹤追溯系統(tǒng)，在確定豬肉供應鏈各個環(huán)節(jié)的溯源信息的基礎上，采用EPC編碼技術對豬肉生產加工各環(huán)節(jié)溯源信息進行編碼，構建了豬肉跟蹤追溯系統(tǒng)平臺，將豬肉生產加工流程各環(huán)節(jié)的溯源信息錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，對每個環(huán)節(jié)的信息進行識別、記錄管理和跟蹤，形成一個完整的信息鏈，有效地串聯(lián)各環(huán)節(jié)的信息，保證了信息的有效記錄和完整傳遞，實現(xiàn)了豬肉生產全程網(wǎng)絡化管理，可以對豬肉產品快速地進行跟蹤追溯。朱偉興[10]采用Zigbee無線技術將舍內各保育床及周圍設備組成無線網(wǎng)絡系統(tǒng),以ARM-LINUX嵌入式服務器為現(xiàn)場控制中心，并建立了互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)（WIFI 無線網(wǎng)絡基站）和遠程控制中心。該系統(tǒng)可以依據(jù)分布于各保育床內的傳感器獲得的環(huán)境參數(shù),精確調節(jié)各保育床內的小氣候環(huán)境。采用B/S（瀏覽器/服務器）模式確保用戶端通過internet與wifi無線技術將服務器無縫連接,使用普通瀏覽器即可遠程實時監(jiān)控豬舍。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,信息無線采集、環(huán)境自動調控及遠程可視化調控均達到實際需求,適合保育豬舍環(huán)境智能化精準管理,可應用于自動化、智能化的牲畜養(yǎng)殖中。

2．3 物聯(lián)網(wǎng)在水產業(yè)上的研究與應用

溶解氧是指以分子狀態(tài)溶存于水中的氧氣單質，水中養(yǎng)殖的魚蝦蟹等在生命活動過程中要不斷地呼吸消耗水中溶解氧，水體中的溶氧含量長期低于正常范圍時，魚蝦蟹的攝食量減少、抵抗力下降、疾病增多。相反，溶氧大量過量對魚蝦也不好，會引起氧中毒及氣泡病，嚴重時可使養(yǎng)殖對象大量死亡[11]。所以利用物聯(lián)網(wǎng)技術掌握水中溶解氧的動態(tài)規(guī)律，對于改進水產養(yǎng)殖技術、獲得高產非常重要。楊世鳳[12]等研發(fā)了1套基于ZigBee的溶解氧無線檢測與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)在主站使用GSM 模塊，而在分站用ZigBee網(wǎng)絡與主站通信。系統(tǒng)主站主要由3部分構成：數(shù)據(jù)獲取由AVR單片機讀取ZigBee模塊傳來的數(shù)據(jù)，并傳送給上位機；上位機運行LabV1Ew 編寫的程序控制并顯示魚塘溶解氧，然后存入數(shù)據(jù)庫；外部通信部分由1個GSM模塊與用戶手機通信，1個上位機配置好的apache服務器與用戶通過Internet通信使用戶可以遠程獲取魚塘信息并有效地控制魚塘環(huán)境。用戶可以在任何有覆蓋手機網(wǎng)絡或有互聯(lián)網(wǎng)信號的地方實現(xiàn)對魚塘的控制，在魚塘環(huán)境超標時系統(tǒng)還會自動發(fā)送報警信號至用戶的手機。本系統(tǒng)為魚塘養(yǎng)殖提供了可靠的技術支持，降低了人力費用與電力消耗。愛立信聯(lián)手中國農業(yè)大學在江蘇宜興大閘蟹養(yǎng)殖基地部署“智能漁業(yè)示范項目”，研究推廣利用物聯(lián)網(wǎng)技術，在宜興的大閘蟹養(yǎng)殖點池塘里安裝了一套基于無線傳感網(wǎng)絡的水質監(jiān)控系統(tǒng)，利用廣泛分布在池塘中的傳感器定期采集數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡傳送到云計算平臺實現(xiàn)對水質的各種指標，如溫度、酸堿度和溶解氧含量的實時監(jiān)控。平臺繼而對數(shù)據(jù)信息進行分析判斷，在異常時發(fā)出警報信號，并向增氧機等水質控制器發(fā)送指令，以改善水質指標。由于大閘蟹養(yǎng)殖具有高風險性，很多肉眼看不出來的環(huán)境變化會導致大閘蟹大量死亡。因此，掌握實時的水質情況信息對農民來說非常重要。當?shù)剞r民通過手機對大閘蟹養(yǎng)殖點的池塘水質進行實時、精準的遠程監(jiān)控，從而實現(xiàn)降低能耗，節(jié)省勞力，增產增收的作用[13]。

2．4物聯(lián)網(wǎng)在設施農業(yè)上的應用

設施農業(yè)是采用比較先進、系統(tǒng)的人工設施。改進農作物生長環(huán)境，進行優(yōu)質高效生產，是一種高投入、高產出、知識與技術密集的集約化型產業(yè)[14]。由于封閉性較好，相對開放的大田種植環(huán)境而言，其中的溫濕度、光照、二氧化碳等作物生長條件更容易調控，在這方面，物聯(lián)網(wǎng)有其獨到的優(yōu)勢。

閻曉軍[15]等根據(jù)北京市設施農業(yè)產前、產中、產后全產業(yè)鏈條需求和發(fā)展中存在的問題，以設施農業(yè)生產綜合管理與病蟲害防控為切入點，提出了北京市設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用模式架構和完整的總體構建思路，設計方案包括：（1）設施農業(yè)數(shù)據(jù)感知與采集；（2）設施農業(yè)感知與控制信息傳輸網(wǎng)絡；（3）北京設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺、兩級監(jiān)控中心、預警與控制決策、技術標準規(guī)范以及企業(yè)運營模式得建立等。

天津市現(xiàn)代農業(yè)科教創(chuàng)新基地與相關企業(yè)合作，開展了農業(yè)大棚高效管理、溫濕度環(huán)境監(jiān)控等方面的研究，運用微功率無線通訊技術、數(shù)字化溫濕度傳感技術，建立了基于ZigBee無線檢測網(wǎng)絡的農業(yè)大棚遠程監(jiān)測系統(tǒng)，集模擬量/開關量采集、繼電器控制、RS-232串口通訊于一體，測量精確可靠、操作簡便，在基地中得到良好應用[16]。

2．5 物聯(lián)網(wǎng)在其他農業(yè)領域上的應用

除了上述幾方面的研究應用外，物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)、精確灌溉、作物病蟲害防治等方面的研究應用也有報道。張浩平[17]提出了適用于林區(qū)監(jiān)測的、基于鏈式分簇的無線傳感器網(wǎng)絡的布設方案以及基于ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議的方案實現(xiàn)途徑；北京市建立了一種“基于物聯(lián)網(wǎng)的設施農業(yè)病蟲害生物控制專家服務平臺”，利用物聯(lián)網(wǎng)技術、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)技術，實現(xiàn)了對設施農業(yè)病蟲害的實時監(jiān)控和有效控制。該平臺已經(jīng)在北京市和河北省的100多個設施大棚內進行了初步測試[18]；趙小強[19]等設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及太陽能技術的節(jié)水農業(yè)自適應灌溉系統(tǒng),可監(jiān)控水質測量、水壩水位、土壤的溫濕度等，通過無線通訊技術,實現(xiàn)自適應灌溉、智能泄水、水質監(jiān)測等功能。

3結論

隨著農業(yè)產業(yè)結構調整的進一步深化，相關農業(yè)領域的集約化程度會越來越高，會不可避免的產生各種各樣的問題，如生產效率不高、農產品安全和環(huán)境污染嚴重等[20-22]。物聯(lián)網(wǎng)集現(xiàn)代智能、計算機軟硬件、網(wǎng)絡技術于一體，能夠為農業(yè)領域提供定位、定時、定量的感知與控制技術以及實施現(xiàn)代化操作技術與管理方案，毫無疑問將會給農業(yè)經(jīng)濟帶來更高的技術含量，對農產品產量、質量以及其經(jīng)濟效益的提高產生積極影響。然而，物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興事物，應用于農業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)技術還會遇到與應用于其他行業(yè)類似的問題，一是標準，二是成本，三是技術難度大、四是專業(yè)人才缺乏，五是長效運行機制尚未健全等問題，上述存在問題的逐一解決，需要政府的大力引導和支持，電信運營商和設備生產企業(yè)等社會力量在資金和技術加大投入，全國高等院校對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的逐步重視以及政府引導、支持與市場化手段相結合的互利互惠機制的建立等作為保證。

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