物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

閻世江，張京社，柴文臣

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，太原，030031）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

閻世江，張京社，柴文臣

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，太原，030031）

從物聯(lián)網(wǎng)的概念、國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀等方面論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用情況，分析其中的不足，并提出解決的方法，展望了未來設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；應(yīng)用

近年來，隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)涉及農(nóng)、林、牧、副、漁及農(nóng)產(chǎn)品加工、運輸與流通等多個領(lǐng)域。其中以設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展最為迅速，這是因為設(shè)施農(nóng)業(yè)是在人為可控環(huán)境下進(jìn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更有利于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮其精準(zhǔn)高效的特性，因此設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用成效最為顯著，前景十分廣闊。筆者從事設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多年，致力于研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，通過查閱資料、走訪調(diào)查，從多個角度闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的發(fā)展、應(yīng)用情況，以期為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

1　物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）一詞是美國麻省理工學(xué)院的Kevin Ash-ton教授在20世紀(jì)90年代研究無線射頻技術(shù)時提出來的，通俗的講，其是指在“互聯(lián)網(wǎng)概念”基礎(chǔ)上，物與物之間進(jìn)行信息交換和通訊的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其中射頻識別（RFID）是能讓物品“說話”的一種技術(shù)，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把物品信息集中到處理系統(tǒng)實現(xiàn)分析和處理，并且能通過開放性的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的交換和共享。2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告物聯(lián)網(wǎng)》中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，是指由RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備按協(xié)議把任何物品互相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念［1］。

所謂農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，具體有農(nóng)作物生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營、設(shè)施管理和信息服務(wù)等，它利用各類傳感設(shè)備，采集相關(guān)信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)、移動通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在智能化操作終端顯示，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的全過程監(jiān)控，以利于我們科學(xué)決策［2］。

2　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國外設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)誕生在國外，因此國外設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展較快，20世紀(jì)90年代后期就有較多報道，如英國研發(fā)的禁止外來人員非法進(jìn)入設(shè)施的警報系統(tǒng)和溫室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)等；日本研究名為“Open Plannet，OP”的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室環(huán)境和視頻的實時動態(tài)監(jiān)控［3］；荷蘭研究的花卉植物生長控制系統(tǒng)；美國加州研發(fā)的草莓培育物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測草莓生長情況及土壤、環(huán)境空氣的溫濕度變化，自動控制施肥與澆水。

在體會到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢后，一些發(fā)達(dá)國家大面積推廣這一技術(shù)，除對農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測外，還對使用農(nóng)業(yè)機(jī)械、后續(xù)的加工、物流進(jìn)行監(jiān)控，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用更加完善［4］。應(yīng)用成熟的有英國的農(nóng)業(yè)管理與決策系統(tǒng)、美國的作物決策系統(tǒng)等［2］。其中，尤其值得我們學(xué)習(xí)的是這些國家將農(nóng)業(yè)知識與應(yīng)用系統(tǒng)有效結(jié)合，采集大量第一線數(shù)據(jù)，為育種、土壤水肥管理、病蟲害防治、農(nóng)產(chǎn)品采收加工、物流等全過程提供信息化的服務(wù)。

3　我國物聯(lián)網(wǎng)的研究

我國物聯(lián)網(wǎng)的研究晚于國外發(fā)達(dá)國家。2011年，國家農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，標(biāo)志著國家級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程立項并開始啟動，2013年，上海、天津、安徽成為我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試點［5］，標(biāo)志著我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展駛?cè)肟燔嚨馈?/p>

3.1我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展情況

據(jù)統(tǒng)計，全國已有8個?。▍^(qū)、市）承擔(dān)了國家級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域工程，通過實施取得了階段性成果，也帶動了周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。其中有代表性的如北京市開展了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)用水管理、環(huán)境調(diào)控、設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用示范［6］；江蘇省開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)管理平臺，側(cè)重對設(shè)施農(nóng)業(yè)、豬的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控，實現(xiàn)了自動化，并開始推廣［7］；天津市建設(shè)了總面積逾 667 hm2的核心試驗基地，開展了約1 000棟節(jié)能溫室的示范應(yīng)用，建成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，研究了設(shè)施環(huán)境信息監(jiān)督、智能化控制與管理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。此外，國內(nèi)許多企業(yè)也參與到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)中，如北京紫藤連線科技有限公司、大唐移動通信設(shè)備有限公司等在開發(fā)硬件的同時，還提出了整體解決方案，以適應(yīng)客戶的生產(chǎn)需要［8］。上述系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)類似，如圖1所示，即在溫室中安裝傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)相連，使用戶可以通過手機(jī)或電腦訪問該網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控溫室的情況，如溫度、濕度、作物生長等，也可以與專家在線交流。

3.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)常用傳感器包括光照傳感器、濕度傳感器、壓敏（流體）傳感器以及生物生長特性傳感器等。另外，CMOS圖像傳感器（攝像頭）也可用于監(jiān)控作物的生長。在設(shè)施內(nèi)安裝探測溫度、濕度、光照、CO2濃度等的無線傳感器、攝像頭，將若干傳感器與控制器鏈接，可實時查看溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2濃度等信息。

傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)、電子標(biāo)簽技術(shù)、云計算等，將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，由計算機(jī)控制溫室的施肥、灌溉、門窗開閉、溫度升降等。園區(qū)管理者可以通過手機(jī)或電腦了解溫室的情況，并遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照、CO2濃度的設(shè)備，提高工作效率［9］。

采用傳統(tǒng)種植方式，溫室內(nèi)用工多、工作繁重。而現(xiàn)在，工作人員通過物聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)，可實時監(jiān)控溫室作物的生長參數(shù)，了解作物不同生長階段應(yīng)采取的栽培措施，及如何提高產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)和外觀品質(zhì)、降低農(nóng)藥殘留量等，實現(xiàn)栽培技術(shù)的精確控制。如遇到解決不了的問題，用戶可以登錄農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺，將相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場參數(shù)上傳到云計算中心，中心經(jīng)過選擇后，篩選出對應(yīng)的專家進(jìn)行指導(dǎo)，并將相關(guān)信息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，用戶就可以與專家進(jìn)行遠(yuǎn)程交流了。

4　設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的問題及應(yīng)對舉措

從總體上看，設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前主要在設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園區(qū)中應(yīng)用，距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。筆者經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)存在以下3個方面的問題。

4.1專用傳感器的缺乏

眉痕似斂秋娘怨，夢里唧愁應(yīng)遠(yuǎn)。掩抑惜春心，又黃昏庭院，輕聲情款款。強(qiáng)笑語玉柔花婉，河?xùn)嫺铓?，離筵酒盡，長街月滿。

如前所述，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，但國內(nèi)生產(chǎn)的農(nóng)用傳感器質(zhì)量參差不齊，性能差、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確且沒有合適的標(biāo)準(zhǔn)，因此，傳感器只得依賴進(jìn)口。正如農(nóng)業(yè)部信息中心主任李昌健所說：“我國農(nóng)用傳感器種類不到世界的10%，市場上主要為進(jìn)口設(shè)備，應(yīng)在覆蓋面、適用性上下功夫［4］?！?/p>

我國相關(guān)企業(yè)、科研單位應(yīng)加大傳感器的研發(fā)力度，研制具有我國自主產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)傳感器。

4.2資金的缺乏

設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要求有配套的基礎(chǔ)設(shè)施，而這一建設(shè)需要的資金較多，維護(hù)更新的資金也較多，投資回報周期長。目前，我國的設(shè)施生產(chǎn)多以小農(nóng)戶為主，對于一家一戶的經(jīng)營來講，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施所需資金偏高［5］，大面積推廣仍有一定的難度，只有等經(jīng)營達(dá)到一定的規(guī)模才有可能應(yīng)用。

針對建設(shè)資金缺乏的情況，建議以政府投入為主，采取政府補(bǔ)貼的形式，據(jù)報道，有關(guān)部門正在準(zhǔn)備建立農(nóng)業(yè)信息補(bǔ)貼制度，以加快農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣［5］；同時應(yīng)積極引入社會資金，使投資多元化。

4.3軟件產(chǎn)品研發(fā)的缺乏

建議科研人員借鑒國外的經(jīng)驗，認(rèn)真分析，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況，開發(fā)相應(yīng)的軟件，對搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分加工利用。

5　未來研究的方向

未來設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究可以從以下5個方面入手。

5.1打造一批農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備

著力研制運行穩(wěn)定、壽命長的傳感器，開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的自主研發(fā)，加強(qiáng)動植物生長過程的數(shù)字化監(jiān)測。

5.2注重數(shù)據(jù)的分析

通過分析各類型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物生長規(guī)律，建立設(shè)施作物生長管理模式、病蟲害防治模式等［10，11］。

5.3研究和制定一批農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

聯(lián)合各單位，研究和編制農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ脳l形碼（一維碼、二維碼）、電子標(biāo)簽等的使用規(guī)范。

5.4形成可推廣的技術(shù)模式

針對設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)等的監(jiān)測監(jiān)控，開發(fā)相應(yīng)的全過程管理系統(tǒng)，構(gòu)建全程技術(shù)服務(wù)體系。

5.5培育農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)

按照引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的模式，積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造、軟件開發(fā)及相關(guān)服務(wù)，培育產(chǎn)業(yè)化研究基地、中試基地和生產(chǎn)基地，積極推廣這一技術(shù)，促進(jìn)其發(fā)展。

［1］姚世鳳，馮春貴，賀圓圓，等.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011（7）：190-192.

［2］余欣榮.物聯(lián)網(wǎng)改變農(nóng)業(yè)、農(nóng)民、農(nóng)村的新力量農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)知識讀本［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2012：63-64.

［3］張唯，劉婧.設(shè)施農(nóng)業(yè)種植下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.科技廣場，2012（1）：238-241.

［4］唐珂.國外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及對我國的啟示［J］.中國科學(xué)院院刊，2013，28（6）：700-707.

［5］喬金亮.物聯(lián)網(wǎng)如何和農(nóng)業(yè)更好結(jié)合［N］.經(jīng)濟(jì)日報，2013-11-5（13）.

［6］許世衛(wèi).我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對策［J］.中國科學(xué)院院刊，2013，28（6）：686-692.

［7］劉家玉，周林杰，荀廣連，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)研究與設(shè)計——以江蘇省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺為例［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（5）：377-380.

［8］李作偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的調(diào)查研究［D］.鄭州：河南科技大學(xué)，2012.

［9］李作偉，丁捷，毛鵬軍.設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程化應(yīng)用探討［J］.農(nóng)業(yè)工程，2012（2）：35-38.

［10］臧賀藏，王來剛，李國強(qiáng)，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國糧食作物生產(chǎn)過程中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（5）：20-23.

［11］馬興，王巍，韓潔，等.以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（4）：376-378.

Application of Internet of Things Technology on Facility Agriculture

YAN Shijiang， ZHANG Jingshe， CHAI Wenchen
（ Vegetable Research Institute， Shanxi Academy of Agricultural Science， Taiyuan 030031 ）

This paper discussed the application on facility agriculture of internet of things technology from the concept and the applications present situation of Internet of things technology at home and abroad， analyzed shortcomings of this technology， came up with new solutions， also looking forward to the development prospects of IOT technology on future facility agriculture.

Internet of things technology； Facility agriculture； Application

10.3865/j.issn.1001-3547.2016.20.017

S126

A

1001-3547（2016）20-0041-03

2014年山西省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技推廣項目；山西省科技攻關(guān)項目（20140313021-4）

閻世江（1975-），男，博士，從事蔬菜遺傳育種研究，

電話：13734006794，E-mail：syauyan@163.com

2016-08-02