農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研究與應(yīng)用探索

邱開榮 彭麗麗 王 峻

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和現(xiàn)代化，必須引入現(xiàn)代科技。以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化的應(yīng)用水平，還可以改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式，加快農(nóng)業(yè)信息化的步伐，形成環(huán)境信息化、農(nóng)藝技術(shù)信息化、農(nóng)產(chǎn)品管理信息化，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)跨越式發(fā)展、推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供了有力的技術(shù)支撐。江蘇省和無(wú)錫市農(nóng)機(jī)部門與江南大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園百盛傳感網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，聯(lián)合成立江蘇省現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備創(chuàng)新中心，于2009年適時(shí)開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)并開展平臺(tái)建設(shè)，同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、茶葉生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探索，取得初步成效。

1 物聯(lián)網(wǎng)特征

物聯(lián)網(wǎng)具有三個(gè)特征：一是全面感知。即可利用射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification，又稱電子標(biāo)簽、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)），傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息——感知數(shù)據(jù)的感知層。二是可靠傳遞。通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去——數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層。三是智能處理。利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化控制——針對(duì)各種應(yīng)用的應(yīng)用層。這是物聯(lián)網(wǎng)最終的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過(guò)對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能的處理、分析、應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)本身的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，都將是面對(duì)某項(xiàng)具體應(yīng)用而存在的。物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新、普及和應(yīng)用，將是以具體的應(yīng)用解決方案的整合創(chuàng)新為動(dòng)力的。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、服務(wù)、管理、決策智能化的新一代信息技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用包括農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境管理、生產(chǎn)過(guò)程管理、農(nóng)產(chǎn)品與食品安全、農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施管理等。充分體現(xiàn)了農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合、農(nóng)機(jī)化與信息化融合，技術(shù)裝備化、過(guò)程科學(xué)化、方式集約化、管理現(xiàn)代化的特點(diǎn)。有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐漸由經(jīng)驗(yàn)型、定性化向知識(shí)型、定量化轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式由粗放式轉(zhuǎn)向精細(xì)化，提高農(nóng)業(yè)資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研究

無(wú)錫市作為“感知中國(guó)中心”，匯集了600多家物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，其中以江蘇省現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備創(chuàng)新中心為代表的農(nóng)業(yè)與裝備物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)單位，針對(duì)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)的實(shí)際需求，從提高農(nóng)業(yè)資源利用率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工和流通過(guò)程以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、調(diào)控與安全監(jiān)管角度出發(fā)，系統(tǒng)、科學(xué)地研究并完成了包括種植（養(yǎng)殖）計(jì)劃、種植（養(yǎng)殖）監(jiān)控、病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)防治、視頻監(jiān)控、采摘控制、收購(gòu)控制、加工控制、流通控制、銷售及溯源十大管理系統(tǒng)的架構(gòu)與建設(shè)（見圖 1）。

2.1 種植（養(yǎng)殖）計(jì)劃系統(tǒng)

一直以來(lái)，從國(guó)家到地方，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均缺乏健全的預(yù)警機(jī)制，使得市場(chǎng)信息捕捉滯后，預(yù)警與監(jiān)控缺乏靈敏度，政府指導(dǎo)調(diào)控困難，農(nóng)民和企業(yè)盲目地生產(chǎn)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品供求失衡現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)大。同時(shí)，由于產(chǎn)業(yè)鏈利益分配不均，種植（養(yǎng)殖）戶虧損，中間商盈利，造成種植戶的生產(chǎn)積極性下降，對(duì)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)、健康的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。以植物生物學(xué)特性和土壤、水質(zhì)特性為基礎(chǔ)的種植（養(yǎng)殖）計(jì)劃系統(tǒng)通過(guò)及時(shí)獲取市場(chǎng)信息、預(yù)測(cè)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化，安排下一季度的生產(chǎn)。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)成功應(yīng)用后將有效提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)管理的組織度、與市場(chǎng)的對(duì)接度，降低生產(chǎn)資料成本，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，增加政府宏觀調(diào)控、技術(shù)指導(dǎo)的靈敏性。

2.2 種植（養(yǎng)殖）監(jiān)管及病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)防治系統(tǒng)

農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，光照、水分、溫度、濕度、土壤酸堿性、二氧化碳等生態(tài)環(huán)境因子起著綜合作用，任何一環(huán)境因子的改變都可能對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，且不同作物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境因子的要求存在差異。同樣，水產(chǎn)養(yǎng)殖和動(dòng)物養(yǎng)殖過(guò)程中，其水質(zhì)包括水體含氧溶氧含氮量、氣候條件等因子的改變也會(huì)影響動(dòng)物的生長(zhǎng)。而病蟲害一直是困擾設(shè)施栽培的一大難題，其爆發(fā)條件由植物、病原菌以及環(huán)境因子三大要素共同作用決定，當(dāng)前兩個(gè)因素滿足時(shí)，溫濕度等任一環(huán)境因子的改變，都可能引起病原菌的大量繁殖。當(dāng)前高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多以園區(qū)設(shè)施生產(chǎn)為主，如設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，其環(huán)境的相對(duì)封閉性，溫室大棚內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等通常高于外界，為病蟲害繁殖提供了良好的條件。種植環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)與病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械如噴滴灌、二氧化碳發(fā)生器、控溫控濕設(shè)備、植保機(jī)等的結(jié)合使用，養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)與畜禽養(yǎng)殖大棚控溫控濕、水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧投餌等機(jī)械配合使用，可切實(shí)降低企業(yè)生產(chǎn)資料成本的投入，降低勞動(dòng)消耗成本，提高生產(chǎn)安全性。

2.3 采摘控制系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)園區(qū)種植或養(yǎng)殖面積遠(yuǎn)超傳統(tǒng)農(nóng)戶種植養(yǎng)殖面積，且傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要是根據(jù)人工觀察與經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定農(nóng)作物采收時(shí)間，這種方式往往錯(cuò)過(guò)最佳采收時(shí)間，降低農(nóng)產(chǎn)品商品價(jià)值，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)采收控制系統(tǒng)，可通過(guò)設(shè)定的采收時(shí)間和輪詢（依次詢問檢測(cè)器），自動(dòng)預(yù)報(bào)農(nóng)作物采收期，預(yù)測(cè)該系統(tǒng)的應(yīng)用將顯著提高其商品價(jià)值，降低勞動(dòng)消耗成本，提高企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)管理能力。

2.4 加工控制系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)大多采用半人工半機(jī)器進(jìn)行農(nóng)作物和養(yǎng)殖產(chǎn)品加工，人工占主要地位。由于工人加工水平良莠不齊，加之加工環(huán)境無(wú)保障，使得產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)保障，且很可能出現(xiàn)微生物污染。設(shè)立加工控制系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)清洗、保鮮、干燥等自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的控制，減少人工直接加工，避免人為污染，統(tǒng)一生產(chǎn)加工技術(shù)，有效提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)消耗。

圖 1 無(wú)錫農(nóng)業(yè)與裝備物聯(lián)網(wǎng)總平臺(tái)拓?fù)鋱D

2.5 收購(gòu)、流通控制及銷售控制系統(tǒng)

針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化過(guò)程中所涉及的收購(gòu)、流通、銷售等環(huán)節(jié)的需求以及市場(chǎng)信息獲取，構(gòu)建出收購(gòu)控制系統(tǒng)、流通控制系統(tǒng)以及銷售系統(tǒng)，以獲取各環(huán)節(jié)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格變動(dòng)以及市場(chǎng)供求等信息；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的跟蹤，確保農(nóng)產(chǎn)品流通過(guò)程中的安全。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與種植養(yǎng)殖監(jiān)管、病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)防治、加工控制等系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、流通環(huán)節(jié)的可視化跟蹤，方便技術(shù)人員觀察并及時(shí)采取有效措施，確保生產(chǎn)、加工、流通的順利進(jìn)行。

2.7 溯源系統(tǒng)

農(nóng)產(chǎn)品化肥、農(nóng)藥等的殘留量超標(biāo)事件時(shí)有發(fā)生，部分唯利是圖的不良分子違禁使用激素、藥物等，是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的首要因素，也是造成農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)大、市場(chǎng)紊亂的主要因素之一。溯源信息服務(wù)平臺(tái)的建立，其信息采集覆蓋動(dòng)植物種子采購(gòu)、播種（養(yǎng)殖）、施肥用藥、收獲、加工、運(yùn)輸、進(jìn)入超市等各個(gè)環(huán)節(jié)；同時(shí)，還可適時(shí)引入與方便第三方監(jiān)管，強(qiáng)化對(duì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量管理，配合有效的法律法規(guī)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)安全性的可查詢和從餐桌到產(chǎn)地的可追溯提供了便利。

3 實(shí)踐應(yīng)用和發(fā)展前景

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)十大管理系統(tǒng)架構(gòu)與建設(shè)，切合了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，串起了農(nóng)業(yè)從生產(chǎn)到加工甚至到銷售的全過(guò)程，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，推進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化與現(xiàn)代化進(jìn)程，也起到了農(nóng)業(yè)增效農(nóng)民增收的作用。

2010年以來(lái)，該系統(tǒng)分別選點(diǎn)應(yīng)用于無(wú)錫、蘇州等地的設(shè)施蔬菜、水產(chǎn)養(yǎng)殖和茶園種植等生產(chǎn)，取得顯著效果。

3.1 在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用及效果

在無(wú)錫益家康生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司的設(shè)施蔬菜大棚成功應(yīng)用種植監(jiān)控、病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)防治、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，其種植監(jiān)管系統(tǒng)通過(guò)傳感器，采集每個(gè)設(shè)施大棚內(nèi)的空氣、土壤生態(tài)環(huán)境因子等信息，上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行參數(shù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。針對(duì)不同蔬菜和自然環(huán)境日變化規(guī)律，按照事先設(shè)置的參數(shù)，系統(tǒng)可自動(dòng)開啟相應(yīng)的子系統(tǒng)與噴滴灌、二氧化碳等裝置，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)控。病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)全程監(jiān)控、記錄棚內(nèi)植株表面動(dòng)態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)病蟲害，即采集圖像，然后由相關(guān)技術(shù)人員指導(dǎo)，采取相應(yīng)措施，利用自動(dòng)噴滴灌水肥藥自動(dòng)控制系統(tǒng)或植保機(jī)進(jìn)行除蟲。視頻監(jiān)控系統(tǒng)記錄每個(gè)棚內(nèi)的蔬菜生長(zhǎng)狀況，對(duì)蔬菜葉、莖等表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。技術(shù)人員通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)掌握每個(gè)棚里的蔬菜生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化，方便決策和采取相應(yīng)措施。

種植監(jiān)控、病蟲害預(yù)警預(yù)報(bào)防治、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)在益家康等園區(qū)的實(shí)踐顯示，在大規(guī)模農(nóng)業(yè)園區(qū)生產(chǎn)過(guò)程中，各系統(tǒng)與作物栽培技術(shù)的巧妙結(jié)合不僅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)，而且切實(shí)降低企業(yè)的生產(chǎn)資料、勞動(dòng)消耗成本，提高企業(yè)生產(chǎn)管理能力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2012年，益家康融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜大棚每667 hm2平均產(chǎn)值較傳統(tǒng)設(shè)施生產(chǎn)增加二成左右，技術(shù)應(yīng)用受到公司青睞。

3.2 在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用及效果

在蘇州吳江水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司長(zhǎng)漾湖生態(tài)養(yǎng)殖基地成功應(yīng)用的養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)水體pH值、溶氧量、溫度等傳感器采集水體環(huán)境數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)?；诓煌贩N水生動(dòng)物的生理特性及對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的需求，合理設(shè)置養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)；當(dāng)測(cè)定的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)超出臨界值時(shí)，系統(tǒng)即自動(dòng)開啟相應(yīng)的子系統(tǒng)與增氧機(jī)等裝置。與此同時(shí)，該系統(tǒng)可有效地存儲(chǔ)增氧機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行記錄。此外，技術(shù)人員可通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)了解任一時(shí)刻水面及周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)。

該系統(tǒng)與水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的結(jié)合，有效地提高養(yǎng)殖密度，保護(hù)魚種質(zhì)資源，減少魚、蝦等的死亡率；同時(shí)降低勞動(dòng)成本消耗，增加產(chǎn)量，切實(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及管理能力。據(jù)了解，2012年該企業(yè)單位面積養(yǎng)殖密度平均增加六成左右，平均產(chǎn)值增加四成多。

3.3 在茶園中的應(yīng)用與效果

在無(wú)錫市茶葉品種研究所茶葉種植基地投運(yùn)的物聯(lián)網(wǎng)智能控制管理系統(tǒng)，通過(guò)地域氣象站數(shù)據(jù)與茶園防霜機(jī)的聯(lián)動(dòng)，有效防止早春霜凍災(zāi)害的發(fā)生，還幫助企業(yè)開發(fā)出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品升級(jí)，不僅有效提高經(jīng)濟(jì)效益，還有利于茶園生產(chǎn)技術(shù)日趨完善，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化種植、生產(chǎn)要求，嚴(yán)格控制投入品的使用，從而保證茶園生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

總之，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的一次重大變革。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)機(jī)技術(shù)、農(nóng)藝技術(shù)、食品加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)“生產(chǎn)－加工－流通－銷售”各環(huán)節(jié)，可解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分散性、封閉性、滯后性，促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)信息化，真正形成農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力；可切實(shí)有效提高農(nóng)業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理能力、效率與經(jīng)濟(jì)效益；還方便政府安全監(jiān)管，營(yíng)造健康良好的生態(tài)環(huán)境。其發(fā)展前景廣闊。