作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所其前身為1953年成立的中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所華北農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所農(nóng)業(yè)氣象組。研究所圍繞農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)水資源學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)環(huán)境工程四大優(yōu)勢(shì)學(xué)科體系，在農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御、氣候變化及農(nóng)業(yè)影響、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)、種養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有很強(qiáng)綜合實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在“十一五”期間，研究所的綜合實(shí)力在全國(guó)農(nóng)業(yè)科研院所中排名第17位、在農(nóng)業(yè)部部屬研究所中排名第7位。從上個(gè)世紀(jì)70年代末開(kāi)始，研究所開(kāi)展了農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究，是國(guó)內(nèi)開(kāi)展計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用的早期探索和實(shí)踐者，2009年開(kāi)始，主持承擔(dān)了由農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)的首個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究項(xiàng)目，并開(kāi)始在全國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)開(kāi)展作物與災(zāi)情監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)的研究與建設(shè)。在優(yōu)勢(shì)學(xué)科領(lǐng)域共獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)7項(xiàng)，省部級(jí)獎(jiǎng)12項(xiàng)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

近三年在作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用方面累計(jì)投入專(zhuān)項(xiàng)資金466萬(wàn)元（其中2014年投入116萬(wàn)元、2015年投入154萬(wàn)元、2016年投入196萬(wàn)元）。累計(jì)獲軟件著作權(quán)26項(xiàng)、授權(quán)專(zhuān)利12項(xiàng)、發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究成果及其應(yīng)用于2014年獲中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)，2015年獲評(píng)全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化技術(shù)創(chuàng)新示范基地單位（見(jiàn)圖1）。

主要做法

一、案例實(shí)施背景

2009年開(kāi)始在全國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)開(kāi)展作物與災(zāi)情監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)?；诒景咐淖魑锷L(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，先后建設(shè)完成了全國(guó)小麥苗情監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)、北方果樹(shù)霜凍害監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)施園藝作物監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)等項(xiàng)目。本案例在研發(fā)和推廣過(guò)程中，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，將研究成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化應(yīng)用。該系統(tǒng)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與研究，聯(lián)合清華大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心等單位進(jìn)行合作研發(fā)，聯(lián)合北京愷琳科技發(fā)展有限公司等單位進(jìn)行開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，聯(lián)合全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心和多個(gè)省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站、省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等用戶進(jìn)行成果的示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研的高效結(jié)合。以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)為核心基礎(chǔ)，研究所先后與黑龍江省農(nóng)科院合作共建了黑龍江省農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)中心、與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)簽訂了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新合作協(xié)議、與黑龍江省遜克縣、河南省滑縣、河南省長(zhǎng)葛縣政府簽署了智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)戰(zhàn)略合作協(xié)議。為農(nóng)業(yè)信息化與智慧農(nóng)業(yè)的落地發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

二、建設(shè)內(nèi)容

1，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

參照當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的主流架構(gòu)體系，制定建立了完整的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖2所示）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)IaaS（架構(gòu)即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）的思想。體現(xiàn)云計(jì)算、云服務(wù)的理念，設(shè)計(jì)構(gòu)建面向全國(guó)學(xué)科體系內(nèi)管理部門(mén)、科研機(jī)構(gòu)、農(nóng)技部門(mén)和農(nóng)戶等用戶提供共享的、可定制的、隨時(shí)隨地按需訪問(wèn)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)，為開(kāi)展長(zhǎng)期科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)推廣示范積累科學(xué)數(shù)據(jù)、提供應(yīng)用和服務(wù)資源?；谇度胧较到y(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了兼容多中通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置：具有節(jié)能、接入多種傳感器、本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、多和斷點(diǎn)續(xù)傳的功能?？蓪?duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)圖像與視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理，并實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)診斷、數(shù)據(jù)分析與對(duì)比、圖像查看、圖像對(duì)比分析以及視頻監(jiān)控等。

2，全國(guó)代表性區(qū)域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)

“十一五”期間主持農(nóng)業(yè)行業(yè)科技專(zhuān)項(xiàng)“小麥苗情數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷管理關(guān)鍵技術(shù)（200903010）”等項(xiàng)目，針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境、農(nóng)情（墑情、苗情、災(zāi)情等）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警技術(shù)和新產(chǎn)品的研發(fā)，率先在黃淮海、東北、長(zhǎng)江中下游和西部地區(qū)開(kāi)展小麥和玉米等作物的低溫災(zāi)害防控實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，集成化控技術(shù)和多種農(nóng)藝管理措施，建立了集成監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情診斷、調(diào)控管理于一體的智能化遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。特別是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方面，研究所率先提出并實(shí)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用，并取得了諸多研究成果。截止目前針對(duì)我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)代表性生態(tài)區(qū)域已初步完成了20多個(gè)省份多個(gè)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)站點(diǎn)建設(shè)（見(jiàn)圖3、4）。與多家科研院所、大學(xué)、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門(mén)，建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系，構(gòu)建了具有一定覆蓋面的全國(guó)主要作物監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

3，全國(guó)主要農(nóng)作物監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)中心平臺(tái)建設(shè)

針對(duì)基于田間尺度的農(nóng)作物生長(zhǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷分析方法與技術(shù)的研究，著重研究了如何通過(guò)優(yōu)化集成現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建能夠跨區(qū)域、多監(jiān)測(cè)點(diǎn)互聯(lián)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)主要大田作物生長(zhǎng)狀況和所遭受的常見(jiàn)災(zāi)害作為監(jiān)測(cè)分析目標(biāo)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)建無(wú)線傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田小氣候和作物生長(zhǎng)狀況信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程發(fā)送至監(jiān)控中心平臺(tái)，初步構(gòu)建了主要農(nóng)作物監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)識(shí)別分析與判斷處理農(nóng)作物災(zāi)情信息。

尤其在農(nóng)業(yè)部行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“小麥苗情數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷管理（00903010）支持下，基于物聯(lián)網(wǎng)理念，已初步構(gòu)建覆蓋我國(guó)四個(gè)小麥生態(tài)類(lèi)型區(qū)（東北、西部、黃淮海、長(zhǎng)江中下游地區(qū)）的小麥苗情監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)，截止目前已完成構(gòu)建上百個(gè)小麥苗情監(jiān)控站點(diǎn)（見(jiàn)圖5-8）；開(kāi)發(fā)基于云服務(wù)的苗情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與管理系統(tǒng)，為小麥苗情診斷管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。該項(xiàng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案和關(guān)鍵技術(shù)，同樣可應(yīng)用在其它作物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)與決策管理研究應(yīng)用中。

三、解決的主要問(wèn)題及方式

通過(guò)該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像視頻的實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)程傳輸，使用該設(shè)備，用戶可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，可提高農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)水平，提高農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，便于生產(chǎn)者及時(shí)掌握農(nóng)作物、園藝作物、蔬菜、果樹(shù)生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與災(zāi)害發(fā)生發(fā)展情況并進(jìn)行快速的監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警。

將上述關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)，即可應(yīng)用于更多其它作物的監(jiān)測(cè)和管理過(guò)程中。

經(jīng)驗(yàn)效果

一、帶動(dòng)了科技進(jìn)步

通過(guò)全國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與調(diào)控管理技術(shù)在全國(guó)更大范圍的應(yīng)用，可大幅度提升全國(guó)重點(diǎn)區(qū)域關(guān)鍵信息的精準(zhǔn)快速監(jiān)控能力，提供信息服務(wù)針對(duì)性更好，代表性更高，時(shí)效性更快，精準(zhǔn)性更高，智能診斷與管理決策更綜合全面。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)應(yīng)用，立足局地，面向全局，把握整體。通過(guò)融合環(huán)境和生物，土壤和氣象等信息為一體，農(nóng)業(yè)環(huán)境學(xué)科領(lǐng)域科研人員、決策管理部門(mén)和農(nóng)戶不僅能夠?qū)崟r(shí)掌握全國(guó)范圍農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)信息，而且實(shí)現(xiàn)科研進(jìn)展和研究成果的共享，全面提升國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策管理能力和科技綜合實(shí)力。同時(shí)，通過(guò)設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，可節(jié)水、節(jié)電，提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

二、帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益

目前，已經(jīng)開(kāi)展了大量的作物與災(zāi)害監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)基地、示范基地等輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)工作，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示范作用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約成本2%-5%，節(jié)約人力5%，增產(chǎn)2%，減少損失3%。已成為所在區(qū)域作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)管理與生產(chǎn)服務(wù)的重要信息來(lái)源之一，為保障我國(guó)糧食安全提供了有力的技術(shù)支撐。本模式目前已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)，獲得了社會(huì)的認(rèn)可，本模式的應(yīng)用大大提高了作物與災(zāi)害監(jiān)控的精準(zhǔn)水平，通過(guò)輕簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，提高了工作效率，減少了勞動(dòng)力投入，而且監(jiān)測(cè)結(jié)果更客觀、便捷、準(zhǔn)確。

三、提高了防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)能力

在全球氣候變化和農(nóng)業(yè)減災(zāi)頻發(fā)、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題愈加重要的情況下，一旦發(fā)生重大農(nóng)業(yè)天氣自然災(zāi)害、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染等突發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，利用初步構(gòu)建完成的覆蓋全國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境和作物苗情監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站的監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)體系，第一時(shí)間監(jiān)測(cè)和掌控災(zāi)害發(fā)生程度和變化趨勢(shì)，為提供科學(xué)防控技術(shù)措施和政府管理部門(mén)采取有效應(yīng)急預(yù)案提供第一手的數(shù)據(jù)資料和技術(shù)保障。本系統(tǒng)在重大的災(zāi)害和極端事件監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了積極的作用。例如：在2010年春季嚴(yán)重低溫災(zāi)害和2011年春季干旱中，各地區(qū)如甘肅、河南、安徽等主要麥區(qū)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)為當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門(mén)提供了第一手監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為技術(shù)部門(mén)指導(dǎo)生產(chǎn)和行政部門(mén)決策提供技術(shù)支持，在防災(zāi)減災(zāi)決策管理過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)苗情，分類(lèi)指導(dǎo)，科學(xué)管理，為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)增收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)均發(fā)揮了積極的作用。