物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及前景展望

王向東，陳學(xué)斌，張愛敏（河北省唐山農(nóng)科院，河北唐山06300；華北理工大學(xué)，河北唐山063009）

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及前景展望

王向東1，陳學(xué)斌2，張愛敏1
（1河北省唐山農(nóng)科院，河北唐山063001；2華北理工大學(xué)，河北唐山063009）

摘要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)和3G等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟并迅速應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研等各個(gè)領(lǐng)域中。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有效促進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。筆者回顧了物聯(lián)網(wǎng)概念的形成過程，綜述了物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)、作物病蟲害遠(yuǎn)程診斷、精準(zhǔn)灌溉和農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的研究進(jìn)展以及4個(gè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。分析了中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟需解決的幾個(gè)主要問題，并針對(duì)性地給出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的相應(yīng)措施。最后對(duì)中國農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，指出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是中國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)；計(jì)算機(jī)

0　引言

20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息感知技術(shù)、3G等網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和高度融合，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IOT)技術(shù)誕生并迅速發(fā)展[1]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被稱為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是通過射頻識(shí)別(RFID)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無線傳感器(WSN)等按約定協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)連接起來，進(jìn)行信息識(shí)別、交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能無縫化管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2-5]。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是1991年由美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Kevin Ash-ton教授提出的[6]。1995年比爾·蓋茨在其《未來之路》中也提及“物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things)”一詞，當(dāng)時(shí)受限于軟、硬件設(shè)備發(fā)展水平，并未引起足夠重視[7]。2005年突尼斯世界峰會(huì)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《2005：物聯(lián)網(wǎng)》的報(bào)告，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念[8-10]，之后美國、歐盟等許多國家也都陸續(xù)提出了物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃[11-12]。2010年中國將“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”首次寫入了政府工作報(bào)告，隨后，物聯(lián)網(wǎng)正式被列為中國五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，并作為國家“十二五”重點(diǎn)支持發(fā)展的方向。此后幾年，物聯(lián)網(wǎng)研究快速發(fā)展，在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用上，都獲得了很大的提升[12-13]。

1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自它誕生之日起，幾乎與其他行業(yè)同步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[8]。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們主要通過人工測(cè)量獲得農(nóng)田信息，這需要消耗大量人力，實(shí)時(shí)性差，生產(chǎn)效率低。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物的生長情況和生長環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能化監(jiān)控和管理。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以加速對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的改造，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)資源利用效率，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理水平，有效推動(dòng)傳統(tǒng)粗放型農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代智慧型農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域。

1.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過人工、工程技術(shù)等手段，改造作物生長的自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)的一種技術(shù)體系。設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要特點(diǎn)是高投入高產(chǎn)出、勞動(dòng)力密集、資金技術(shù)高度集約化[14]。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境封閉性強(qiáng)，生長條件容易調(diào)控，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可顯著提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化程度、實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高效、節(jié)約的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。閻曉軍等[15]以設(shè)施蔬菜作為實(shí)施應(yīng)用主體，以設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合管理為切入點(diǎn)，采用生物、傳感器、無線通信和自動(dòng)化控制等技術(shù)，構(gòu)建了符合北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展需求的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。盧俞等[16]建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)，加強(qiáng)了對(duì)蔬菜大棚的精細(xì)化種植管理與無線傳輸，降低了種植管理的成本。楊春勇等[17]研制了一種可滿足無人值守情況下的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)和作物生長形態(tài)進(jìn)行多功能綜合采集，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)的局域采集與廣域覆蓋及數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上集中共享等功能。

1.2物聯(lián)網(wǎng)在作物病蟲害遠(yuǎn)程診斷中的應(yīng)用

近年來，隨著大氣碳排放數(shù)量的增加，全球干旱、熱凍害等極端氣候呈現(xiàn)增多增強(qiáng)的趨勢(shì)。這種高頻率發(fā)生的極端氣候?qū)е伦魑锊∠x害發(fā)生數(shù)量、規(guī)模、種類、周期和時(shí)空順序等都產(chǎn)生很大變化，使作物受災(zāi)程度逐年加重，受災(zāi)頻率、受災(zāi)范圍和面積逐年增加[18]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效控制，進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。北京市基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了一個(gè)專家服務(wù)平臺(tái)，用于防控設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的病蟲害，該平臺(tái)已經(jīng)在北京市和河北省進(jìn)行了初步測(cè)試，效果良好[19]。趙靜等[20]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)中病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。劉寶靜等[21]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)視覺的農(nóng)作物病斑自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，克服傳統(tǒng)智能方法不能對(duì)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程智能控制的缺陷。

1.3物聯(lián)網(wǎng)在精準(zhǔn)灌溉中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)是用水大戶，水資源利用效率較低，單方水量糧食生產(chǎn)能力不足1 kg，不及發(fā)達(dá)國家的50%。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)土壤和作物的水分盈虧狀況，通過無線網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備終端按需供水，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)節(jié)水灌溉，最大限度地提高水分利用效率，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速健康發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，趙小強(qiáng)等[22]研發(fā)了一套自適應(yīng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了灌溉、泄水、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等智能化操作。施國英等[23]基于精準(zhǔn)灌溉的需要，充分考慮土壤介電常數(shù)，研制了一種基于駐波原理的傳感器，該傳感器能夠快速、準(zhǔn)確測(cè)量土壤水分、工作穩(wěn)定可靠，適合大多數(shù)土壤類型的測(cè)量。吳秋明等[24]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)了“棉花智能化微灌系統(tǒng)”，并將其應(yīng)用于新疆庫爾勒棉花智能化膜下滴灌示范區(qū)中。該系統(tǒng)顯著提高了微灌水分虧缺診斷精度、智能化水平及灌溉水分利用效率，為示范區(qū)土壤墑情調(diào)查和決策提供了理論支持，并有效降低了應(yīng)用和推廣成本。陳勇等[25]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同深度土壤含水率的立體監(jiān)測(cè)，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，該系統(tǒng)不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，大規(guī)模使用可有效降低通信成本。

1.4物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

隨著各種智能傳感器的研發(fā)，借助它們可準(zhǔn)確測(cè)量農(nóng)田環(huán)境，進(jìn)而獲得作物生長的最佳條件，用以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)作物生長周期、增產(chǎn)提效、改善作物品質(zhì)的目的。王景才等[26]通過田間埋設(shè)，比較了15種不同型號(hào)、不同工作原理土壤水分傳感器的性能，結(jié)果表明穩(wěn)定性上時(shí)域反射儀較好，而數(shù)據(jù)可靠性上頻域反射儀更優(yōu)。李雪剛等[27]研發(fā)了一種農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用3G等無線網(wǎng)絡(luò)接入智能終端，通過智能終端實(shí)現(xiàn)即時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決了農(nóng)田網(wǎng)絡(luò)接入問題，同時(shí)也較好地降低了流量負(fù)載。

2　中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問題及解決辦法

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興事物，其應(yīng)用總體還處于起步階段，仍然存在如下幾個(gè)問題：（1）發(fā)展模式不夠清晰，尚未形成長效運(yùn)行機(jī)制。（2）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)尚未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺乏數(shù)據(jù)模型、接口和核心技術(shù)RFID(radio frequency identification)的標(biāo)準(zhǔn)化，制約了共享平臺(tái)的研發(fā)和農(nóng)業(yè)資源的共享。（3）制造設(shè)備的核心技術(shù)欠缺，設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸長期運(yùn)行費(fèi)用等導(dǎo)致成本偏高。（4）盈利模式尚不清晰，相應(yīng)的潛在投資風(fēng)險(xiǎn)較大。（5）農(nóng)業(yè)規(guī)?；潭鹊?，農(nóng)業(yè)信息化基本建設(shè)緩慢，農(nóng)村科普模式不完善，專業(yè)人才匱乏。（6）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸?shù)鹊陌踩珕栴}。

針對(duì)上述存在的問題，未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）建立和完善國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)，盡快建立適合本國國情的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式和運(yùn)行機(jī)制。（2）深入開展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，打造擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和配套技術(shù)，加大對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同攻關(guān)，突破技術(shù)瓶頸。（3）加大對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資，降低維護(hù)使用成本，逐步提高農(nóng)民使用物聯(lián)網(wǎng)的積極性。（4）制訂農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的可行性方案，深入探索其應(yīng)用模式，加快農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基地建設(shè)，擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模和范圍。盡快建立政府引導(dǎo)、市場(chǎng)化手段相結(jié)合的互利互惠機(jī)制。（5）加強(qiáng)對(duì)從業(yè)者的知識(shí)培訓(xùn)、通過教育提高從業(yè)者科學(xué)文化素質(zhì)，提高其使用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的能力。（6）加大政府支持引導(dǎo)力度，相關(guān)企事業(yè)部門提高研發(fā)力度和水平，進(jìn)一步提高運(yùn)營安全性。

3　展望

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正以空前的速度應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生活的諸多領(lǐng)域，使人類社會(huì)步入了一個(gè)全新的高智能化時(shí)代。但到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上還主要集中在科研單位和一些農(nóng)業(yè)高新技術(shù)園區(qū)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)的逐漸成熟，它在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也將越來越廣泛。例如：（1）與3S結(jié)合應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的調(diào)查、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和決策管理，如在土壤墑情、水肥、病蟲害，節(jié)水等方面的應(yīng)用；（2）通過參數(shù)傳感器、視頻傳感器實(shí)現(xiàn)作物各生育時(shí)期可視化、智能化管理；（3）通過環(huán)境監(jiān)測(cè)，建立災(zāi)害預(yù)警、預(yù)防系統(tǒng)，有效降低自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)的影響，增加農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)的能力；（4）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，收集溫、光、水、氣、風(fēng)等環(huán)境信息，監(jiān)測(cè)各種環(huán)境污染源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境有效治理；（5）應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源、農(nóng)業(yè)物流配送等農(nóng)產(chǎn)品流通領(lǐng)域，保證食品安全和個(gè)性化服務(wù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將加速傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理水平的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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[27]李雪剛,黃夢(mèng)醒,朱東海.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(17):20-23.

Application and Developing Prospect of Internet of Things in Agriculture

Wang Xiangdong, Chen Xuebin, Zhang Aimin
(1Tangshan Academy of Agricultural Sciences, Tangshan 063001, Hebei, China;2Hebei United University, Tangshan 063009, Hebei, China)

Abstract:In recent years, with the fast-growing of computer and 3G network technology, the Internet of Things (IOT) becomes increasingly mature and has been quickly applied to various fields of agricultural production, scientific research etc. The technology of IOT applied to the field of agriculture effectively promoted the transformation of traditional agriculture to modern agriculture. The forming process of the concept of IOT was reviewed. Research progress of IOT in facility agriculture, crop pest remote diagnosis, precision irrigation and farmland environment monitoring were summarized in this paper, and the application status of four aspects of IOT was also discussed. Some main problems to be solved in the development of agricultural IOT in China were analyzed and the corresponding measures were put forward. Finally, the development prospects of agricultural IOT in China were forecasted and agricultural IOT was highlighted as the future development direction of agriculture in China.

Key words:Internet of Things; Agriculture; Computer

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：2013-0605

基金項(xiàng)目：河北省科技廳項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的小麥病蟲草害智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”(13227407d)；唐山市科技局項(xiàng)目“中藥材提取物對(duì)小麥蚜蟲防治技術(shù)研究及應(yīng)用”(13130246z)；河北省科技廳項(xiàng)目“唐山市蔬菜產(chǎn)業(yè)法人科技特派員創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)后補(bǔ)助”(15226908D)。

第一作者簡(jiǎn)介：王向東，男，1976年出生，河北承德人，助理研究員，博士，研究方向?yàn)樾畔⑥r(nóng)業(yè)。

通信地址：063001河北省唐山市開平區(qū)勝利橋東農(nóng)研路1號(hào)唐山農(nóng)科院，Tel：0315-2863229，E-mail：cauwang@foxmail.com。

收稿日期：2013-08-09，修回日期：2015-05-08。