一枚傳感器的農(nóng)業(yè)之旅

吳磊

從北疆到南陲，從東海到西防，中國復(fù)雜的地理、氣候環(huán)境，決定了農(nóng)業(yè)也以不同的形態(tài)呈現(xiàn)出鮮明的地域特色，即便如北京這樣的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，亦有獨(dú)具個(gè)性的都市農(nóng)業(yè)發(fā)展思路。這種多樣性給了ICT技術(shù)極大的用武之地，比如物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并非新生事物，早年的傳感網(wǎng)就是其雛形。近幾年來，無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，使得傳感網(wǎng)逐漸演進(jìn)為今天的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）。經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)模型基本可以分為傳感、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算四個(gè)環(huán)節(jié)，近兩年興起的移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等概念和物聯(lián)網(wǎng)也密不可分。某種意義上，數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長正是因?yàn)榉涸诘穆?lián)接，由此對(duì)傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算能力提出了新的要求。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)遇上農(nóng)業(yè)，一般人首先想到的可能是用傳感器獲取溫度、濕度、光照、風(fēng)力等數(shù)據(jù)進(jìn)行作物監(jiān)控管理，或者在牛耳朵上打上RFID耳標(biāo)進(jìn)行動(dòng)物溯源。但今天，看似簡單的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的滲透其實(shí)遠(yuǎn)超常識(shí)，因?yàn)閼?yīng)用場景的不同，物聯(lián)網(wǎng)漸漸改變著古老農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”的傳統(tǒng)。

農(nóng)機(jī)有“智慧”

我國重要的糧食主產(chǎn)地東北，是應(yīng)用大型農(nóng)機(jī)裝備的主要區(qū)域。在東北，糧食生產(chǎn)主要以農(nóng)場為單位，比如黑龍江紅星農(nóng)場、856農(nóng)場、閆家崗農(nóng)場等。由于耕地面積廣大，農(nóng)場的生產(chǎn)經(jīng)營與“一畝三分地”式的小農(nóng)作業(yè)完全不同。

比如土地平整和起壟作業(yè)，一方面對(duì)拖拉機(jī)手的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)提出了很高的要求，因?yàn)檫@直接決定了作業(yè)質(zhì)量如直線度、平整度；另一方面由于作業(yè)過程中需要注意力高度集中，造成勞動(dòng)強(qiáng)度很大，非常需要拖拉機(jī)在作業(yè)過程中減少人為操作。

因此科研人員想到給拖拉機(jī)安裝傳感器、激光儀、導(dǎo)航設(shè)備等，賦予拖拉機(jī)“智慧”，使得拖拉機(jī)在導(dǎo)航狀態(tài)下自動(dòng)走直；利用激光發(fā)收設(shè)備結(jié)合傳感器精確完成土地平整作業(yè)。

除了生產(chǎn)作業(yè)之外，農(nóng)場的管理同樣需要借助物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)黑龍江紅星農(nóng)場技術(shù)負(fù)責(zé)人孫洪江介紹，基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，紅星農(nóng)場近年引進(jìn)了一套機(jī)車監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)。

孫洪江說，紅星農(nóng)場屬于國營農(nóng)場，行使國家土地管理職能。農(nóng)場把土地承租給農(nóng)戶，機(jī)車由農(nóng)戶自己購買，農(nóng)場實(shí)行統(tǒng)一管理，每輛機(jī)車在農(nóng)場有編制。農(nóng)場根據(jù)農(nóng)戶的作業(yè)量進(jìn)行結(jié)算。

以往每年耕種時(shí)節(jié)，是由農(nóng)機(jī)統(tǒng)計(jì)員手工統(tǒng)計(jì)每個(gè)農(nóng)戶的工作量，但因?yàn)楦N面積大，往往一塊地有3～5臺(tái)機(jī)車作業(yè)，有的車干得多，有的車干得少，統(tǒng)計(jì)員就偷懶取平均數(shù)，農(nóng)戶吃大鍋飯。

因此，為了能準(zhǔn)確獲取每個(gè)農(nóng)戶每天的工作量，農(nóng)場和國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心合作，給每臺(tái)機(jī)車上安裝一個(gè)傳感器和GPS定位，傳感器能實(shí)時(shí)獲取機(jī)車作業(yè)數(shù)據(jù)并傳送到機(jī)載終端，終端把數(shù)據(jù)發(fā)送到農(nóng)場的系統(tǒng)平臺(tái)。

孫洪江說，就是這樣一套系統(tǒng)，一方面能讓農(nóng)場管理者實(shí)時(shí)了解機(jī)車的田間位置、作業(yè)軌跡、農(nóng)戶的作業(yè)量，系統(tǒng)自動(dòng)生成日、月、年報(bào)表，給核算提供支持；另一方面由于機(jī)載終端可以自動(dòng)生成作業(yè)報(bào)表，農(nóng)戶自己也可以很清楚地知道每天干了多少活，產(chǎn)生了多少效益。

美國風(fēng)河公司認(rèn)為，利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)使農(nóng)田與農(nóng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)化、為農(nóng)場主提供決策支持是未來智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。未來不管是火星上的探測(cè)車、空中的飛機(jī)還是田間的農(nóng)機(jī)，都需要具備一些基本能力——物聯(lián)網(wǎng)中每一個(gè)終端設(shè)備都需要網(wǎng)絡(luò)互連性、可管理性和安全性。

孫洪江對(duì)這樣的趨勢(shì)看得很清楚，但多年的實(shí)踐也讓他深切體會(huì)到理論與現(xiàn)實(shí)的差距。他以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的變量施肥為例指出，困擾變量施肥的瓶頸在土壤取樣和化驗(yàn)，雖然國外提供了土壤取樣機(jī)和快速化驗(yàn)的設(shè)備，但誤差率高，所以精確的變量施肥依然沒有從技術(shù)上解決。

溫室與節(jié)水

如果說大型農(nóng)場的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還有些“粗獷”，那么對(duì)于溫室種植而言，物聯(lián)網(wǎng)加上自動(dòng)控制技術(shù)，已經(jīng)讓整個(gè)生產(chǎn)過程變得智能化。

在北京瑞正園種植部經(jīng)理穆金星眼里，如今的草莓種植與十幾年前已完全不同。穆金星介紹，他手下的一位草莓技術(shù)員種了20多年草莓，來瑞正園之前一直在遼寧老家種?！?個(gè)棚五畝地，一天看三次，夫妻二人忙得沒時(shí)間扭秧歌?！蹦陆鹦切φf。

在草莓種植過程中，濕度控制很關(guān)鍵，所以農(nóng)戶都會(huì)在大棚里放濕度計(jì)。“濕度不夠就要澆水，所以人得成天在棚里呆著?！?/p>

北京瑞正園成立于2008年，創(chuàng)始人張建國稱最初的想法就是讓家人吃上健康食物，養(yǎng)雞種菜。后來漸漸涉足有機(jī)蔬菜水果的種植，基地面積從最初的160畝發(fā)展到現(xiàn)在2000余畝，投資超過3億元。

2011年瑞正園和北京市農(nóng)林科學(xué)院、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心合作利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)種植草莓，在大棚里裝上可以探測(cè)土壤和空氣溫度、濕度以及光照強(qiáng)度的傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)棚內(nèi)的溫度、濕度和光照。

穆金星說，瑞正園的草莓一共156個(gè)大棚，技術(shù)管理員有52人，平均一個(gè)人管理三個(gè)棚，生產(chǎn)效率大為提高。

節(jié)水灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的技術(shù)熱點(diǎn)。在重慶忠縣柑橘種植過程中，智能灌溉控制系統(tǒng)圍繞“信息監(jiān)測(cè)—決策控制—系統(tǒng)集成”三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)柑橘種植特征，對(duì)不同海拔高度柑橘生理生態(tài)信息及本地氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)配套灌溉施肥系統(tǒng)，為柑橘生長提供了最優(yōu)的水肥保障。

柑橘園相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，這套系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了果園信息采集自動(dòng)化，信息管理遠(yuǎn)程化，生產(chǎn)經(jīng)營決策智能化，大幅度提高了柑橘栽培與經(jīng)營的效益，為柑橘產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

嘗到甜頭的瑞正園，接下來還要把物聯(lián)網(wǎng)及自動(dòng)控制技術(shù)引入到葡萄等其他水果蔬菜的種植中。但是穆金星也承認(rèn)，目前有些工作機(jī)器仍然沒法替代人工，比如摘除老化的葉片、梳花梳果。

蜜蜂的啟示

把傳感器安裝在田間地頭并不困難，但要在動(dòng)物身上放傳感器就不那么容易了。一個(gè)有趣的例子是在蜜蜂身上貼RFID標(biāo)簽，這是倫敦大學(xué)Queen Mary學(xué)院的一項(xiàng)動(dòng)物行為學(xué)研究。研究人員把實(shí)驗(yàn)室的幾百只黃蜂貼上RFID標(biāo)簽，當(dāng)黃蜂尋蜜時(shí)，安裝在蜂箱或者假花里的閱讀器就可以獲取黃蜂的RFID數(shù)據(jù)。

獲取這些數(shù)據(jù)后就能更好地研究諸如“一個(gè)蜂房內(nèi)可以容納多少只蜜蜂”、“蜜蜂可以連續(xù)在外活動(dòng)多久”、“蜜蜂‘迷巢現(xiàn)象的原因”等蜜蜂行為學(xué)的課題。這改變了傳統(tǒng)用顏料標(biāo)識(shí)導(dǎo)致速度慢、精度差的弊端。

國內(nèi)的RFID企業(yè)遠(yuǎn)望谷在2009年與江西農(nóng)業(yè)大學(xué)蜜蜂研究所合作建設(shè)了“基于RFID的蜜蜂研究信息平臺(tái)”，在國內(nèi)尚屬首例。

給蜜蜂貼上RFID芯片的例子大大拓展了傳感器應(yīng)用場景的想象空間，盡管這只是一項(xiàng)學(xué)術(shù)研究。在實(shí)踐中，除司空見慣的給牛羊貼RFID耳標(biāo)外，日本富士通公司給韓國的牛蹄綁上計(jì)步器觀察“牛的發(fā)情行為學(xué)”，則產(chǎn)生了不小的商業(yè)價(jià)值。

據(jù)韓國首爾韓暢牧場社長金希澈解釋，對(duì)于畜牧農(nóng)戶而言，通過牛的發(fā)情期來支配懷孕、分娩的管理方法是直接影響銷售的關(guān)鍵。

牛的發(fā)情周期為21天，其中可孕時(shí)間僅有16個(gè)小時(shí)。如果錯(cuò)過這一時(shí)間段，就必須再等21天。在傳統(tǒng)管理模式下，為了觀察牛的發(fā)情征兆，牧場工作人員需要隨時(shí)確認(rèn)牛的狀態(tài)。而牛的發(fā)情時(shí)間主要在夜晚和凌晨，即使安裝有攝像頭，依然難以有效觀察。實(shí)際上，即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員，在肉眼觀察時(shí)，平均發(fā)現(xiàn)率也只有58%。

相比肉眼直接觀察，富士通牛步系統(tǒng)使用計(jì)步器能準(zhǔn)確掌握牛的生理周期。事實(shí)上，有發(fā)情征兆的牛步伐數(shù)會(huì)比平時(shí)增加。安裝計(jì)步器后，每頭牛的步伐數(shù)信息會(huì)通過發(fā)射器搜集到牛棚一邊的接收器上。每隔一小時(shí)，接收器所采集的信息會(huì)傳輸?shù)礁皇客ǖ钠脚_(tái)進(jìn)行分析，得到的分析結(jié)果又傳送給牧場管理員。

金希澈說，牛步系統(tǒng)大幅降低了牧場的工作量，為工作人員贏得了更多時(shí)間。而最重要的收獲是：發(fā)情發(fā)現(xiàn)率達(dá)到幾乎100%，大大提高了繁殖率，增加了銷售額。

天安樣本

很多從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的管理者一直存有某種觀念，認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)等ICT技術(shù)只是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理某一環(huán)節(jié)的“錦上添花”，但在北京天安農(nóng)業(yè)副總經(jīng)理劉雁飛看來，ICT技術(shù)已經(jīng)全方位滲透到了農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的所有環(huán)節(jié)，舊有的農(nóng)業(yè)模式正在被顛覆。

天安農(nóng)業(yè)始建于1984年，其前身為北京市農(nóng)業(yè)局組建的小湯山特菜基地，2006年成立了北京天安農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，主要從事蔬菜的生產(chǎn)、加工和銷售。據(jù)劉雁飛介紹，公司目前以有機(jī)蔬菜種植為主，全北京約有基地3000畝，140多家合作商超，并配備了自有物流。

劉雁飛認(rèn)為，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與市場銷售是基本脫節(jié)的，農(nóng)民的種植完全根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，“供不應(yīng)求”或者“菜賤傷農(nóng)”的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。天安打破了這一模式，按照工業(yè)生產(chǎn)方式“以銷定產(chǎn)”，由公司搜集市場需求，繼而指導(dǎo)農(nóng)戶種植。

“比如我預(yù)計(jì)今年需要提供1000斤黃瓜給市場，那我就會(huì)根據(jù)這個(gè)指標(biāo)換算成具體每個(gè)種植單元的種植面積，然后與農(nóng)戶簽訂合約。同時(shí)我要對(duì)農(nóng)戶的生產(chǎn)全程管控，保證食品安全?！眲⒀泔w說，“這就需要依靠信息技術(shù)?！?/p>

為此，天安農(nóng)業(yè)引入了多個(gè)信息管理系統(tǒng)，如生產(chǎn)管理系統(tǒng)、銷售管理系統(tǒng)、ERP管理系統(tǒng)、溫室管家系統(tǒng)、二維碼追溯系統(tǒng)、配送管理系統(tǒng)等。據(jù)天安農(nóng)業(yè)信息工程部經(jīng)理李長春介紹，公司每年沉淀的數(shù)據(jù)量已經(jīng)從4年前的40G提升到現(xiàn)在的100G，“老的SQL Server數(shù)據(jù)庫已經(jīng)跑不動(dòng)了?！?/p>

為此，天安將上馬SAP公司新推出的基于內(nèi)存計(jì)算技術(shù)的高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)HANA，這也是HANA在SAP Business One平臺(tái)的首次應(yīng)用。劉雁飛回憶，2008年，天安在考察了用友、金蝶等軟件企業(yè)之后，決定采用SAP Business One系統(tǒng)，天安也成為SAP中小企業(yè)中的經(jīng)典用戶。

“一旦走上了信息化這條路就沒有退路，只能前行?！眲⒀泔w開玩笑稱，“現(xiàn)在沒有系統(tǒng)不知道怎么干活了。”

天安模式下，一切都是數(shù)據(jù)：蔬菜水果品類、銷售價(jià)格利潤、農(nóng)戶種植面積、溫室環(huán)境因子、消費(fèi)者購買行為……這些數(shù)據(jù)如何關(guān)聯(lián)分析產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值，不光對(duì)天安，對(duì)所有的致力于農(nóng)業(yè)信息化的企業(yè)，都是未來的課題。

劉雁飛說，農(nóng)業(yè)是一個(gè)看起來很美，做起來很累，沉下去又覺得樂在其中的行業(yè)。