現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)展趨勢

房巖孫剛 金丹丹陳野夫杜娟吳蘇歡王雪純王薇劉聰

(1．三明學(xué)院資源與化工學(xué)院，福建 三明 365004；2．長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130032；3．國藥中生長春生物制品研究所有限責任公司，吉林 長春 130012)

引言

改革開放尤其是進入新世紀以來，我國的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展取得了舉世矚目的顯著成就，但相對粗放的生產(chǎn)模式也帶來了一系列問題。農(nóng)藥、化肥過度使用，地下水資源超強開采，土壤肥力嚴重消耗，生態(tài)環(huán)境惡化，食品安全令人擔憂。集人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、計算機、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、音視頻、無線通訊、專家系統(tǒng)等高新技術(shù)于一體的智慧農(nóng)業(yè)，正是解決這些問題的有效途徑。智慧農(nóng)業(yè)是智慧經(jīng)濟形態(tài)在農(nóng)業(yè)中的具體表現(xiàn)，與可視化技術(shù)、人工智能技術(shù)、現(xiàn)代生物技術(shù)、種植技術(shù)等相互融合，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向和高級階段。美國、日本等發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)實踐表明，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中的必然趨勢[1]。

1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)領(lǐng)域

1.1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)

將不同功能的傳感節(jié)點布設(shè)在農(nóng)田、草坪、園林、溫室等目標區(qū)域，實時原位收集生態(tài)環(huán)境參數(shù)、植物生長參數(shù)、病蟲害參數(shù)，包括土壤水分、土壤養(yǎng)分、溫度、光照強度、CO2等氣體濃度、電導(dǎo)率、相對濕度、酸堿度等。通過無線網(wǎng)絡(luò)、信息路由設(shè)備、無線傳感系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)等，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的存儲和遠程傳輸。轉(zhuǎn)化為視頻圖像后，可視化同步監(jiān)控農(nóng)作物的生長情況、營養(yǎng)水平和整體狀態(tài)，為農(nóng)戶提供科學(xué)、合理、高效的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)[2]。

1.2 智能控制系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過定位監(jiān)測、信息傳輸、綜合處理、專家系統(tǒng)等，建立作物、環(huán)境、土壤、水分、肥力、病蟲害等多維因子之間相互聯(lián)系、相互耦合的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，智能化控制和管理農(nóng)作物的最適生長條件。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息匯總到中控系統(tǒng)后，技術(shù)人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理、集成、分析，用戶以圖表和曲線的形式獲得直觀顯示。根據(jù)各項參數(shù)的反饋和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要，精準、即時調(diào)節(jié)相關(guān)生產(chǎn)資料的投施，遠程開啟農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，進行自動換氣、自動灌溉、自動調(diào)溫、自動施藥、自動施肥、自動卷模、自動調(diào)光、自動報警等操作，完成農(nóng)作物生長環(huán)境的最優(yōu)調(diào)控，達到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

1.3 流通銷售系統(tǒng)

在農(nóng)產(chǎn)品商品化過程中，涉及到眾多環(huán)節(jié)以及相關(guān)的市場信息。亞馬遜于2006年運用網(wǎng)絡(luò)硬盤、智能擴容、在線簡單存儲等技術(shù)，為用戶提供云計算、彈性運算和數(shù)據(jù)共享服務(wù)。谷歌于2007年首次提出“云計算”(Cloud Computing)，又稱為“網(wǎng)格計算”；云計算將巨大的數(shù)據(jù)處理程序分解為若干個小程序，通過服務(wù)器系統(tǒng)進行分析，幾秒種內(nèi)可以進行數(shù)以萬計數(shù)據(jù)的處理，并將結(jié)果返回用戶，實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。微軟于2008年推出Windows Azure系統(tǒng)，嘗試構(gòu)建新的互聯(lián)網(wǎng)云計算平臺[2]。美國政府率先實施農(nóng)業(yè)云戰(zhàn)略，農(nóng)業(yè)部、交通部、衛(wèi)生部、商業(yè)部、教育部、能源部等正在積極向云平臺轉(zhuǎn)移，大數(shù)據(jù)平臺目前已經(jīng)覆蓋各大部門的核心部門主要數(shù)據(jù)。日本于2009年制定國家云計算戰(zhàn)略。云技術(shù)具有很強的需要性、即時性和擴展性，與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相互融合，解決了行業(yè)條塊分割、農(nóng)業(yè)信息分散、資源整合不足等問題，農(nóng)產(chǎn)品的流通和銷售更加及時和便利，使用戶得到全新的體驗[3]。

1.4 追蹤溯源系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溯源信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到餐桌的全過程跟蹤，覆蓋種子采購、播種、養(yǎng)殖、施肥、施藥、收獲、加工、貯存、運輸、銷售等各個環(huán)節(jié)。通過對農(nóng)產(chǎn)品的可靠識別和有效的質(zhì)量監(jiān)控，為整個產(chǎn)業(yè)鏈提供透明的展示，用戶能夠清楚了解農(nóng)作物和食品的生長、生產(chǎn)環(huán)境，有利于鼓勵可溯源農(nóng)產(chǎn)品的推廣，增加廣大消費者對“舌尖上的綠色和安全”的信心。RFID技術(shù)(射頻識別、電子標簽)和條碼技術(shù)越來越多地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、監(jiān)測領(lǐng)域。從2001年起，加拿大開始使用肉牛一維條形碼耳標和電子耳標；從2004年起，日本開始采用RFID電子標簽對各種農(nóng)產(chǎn)品進行流通管理和智能追蹤，建立農(nóng)產(chǎn)品識別和溯源系統(tǒng)。RFID技術(shù)已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，產(chǎn)業(yè)鏈制造產(chǎn)值全世界已近千億美元，亞太地區(qū)在其中占據(jù)全球最大份額[3]。

1.5 采集加工系統(tǒng)

國內(nèi)的農(nóng)作物生產(chǎn)、加工目前仍大多采用人工、半人工、半機械的途徑。由于人員的業(yè)務(wù)水平參差不齊，加工工藝缺乏統(tǒng)一標準，操作環(huán)境沒有相應(yīng)保障，致使農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量高低不均，有時甚至?xí)l(fā)生有毒有害微生物的侵染。另外，采摘時間主要根據(jù)經(jīng)驗積累和人為觀察結(jié)果進行確定，常常會將最佳時段錯失，造成農(nóng)產(chǎn)品市場價值和綜合經(jīng)濟效益的降低。在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，集約化、規(guī)?；?、農(nóng)場化的種植面積大大高于傳統(tǒng)模式，農(nóng)作物的采摘和加工采用自動監(jiān)測和操作系統(tǒng)，科學(xué)確定最佳收獲時間，提高商品價值，降低勞動強度和成本，增強規(guī)?；a(chǎn)管理能力。

2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

2.1 微型化、智能化、移動化、多樣化

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的種類和數(shù)量將快速增長，向微型智能化發(fā)展，感知將更加全面、透徹。移動互聯(lián)正在成為新一代信息產(chǎn)業(yè)革命的突破口，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的使用將更加便捷。美國專家研制了一款納米微型傳感器，植入養(yǎng)殖動物體內(nèi)可第一時間檢測出流行性疾病的感染狀況；還開發(fā)了裝在農(nóng)產(chǎn)品運輸卡車貨箱里的傳感器，可實時監(jiān)測濕度、溫度狀況，掌握環(huán)境因子對農(nóng)產(chǎn)品中大腸桿菌或其他病原體可能造成的影響，防止食源性致病菌的產(chǎn)生。德國用金屬氧化物氣敏傳感器開發(fā)的儀器，檢測不同水果釋放的標志性氣味，分析判斷水果的成熟度，精確度達到食品實驗室中的專用測量儀。韓國研究人員利用表面等離子共振技術(shù)，發(fā)明了一種小型生物芯片傳感器，可準確、快速地對環(huán)境和食品(DNA、蛋白質(zhì))污染進行檢測[4]。

2.2 新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理、新工藝

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，更多的新結(jié)構(gòu)、新材料、新原理、新工藝應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。嵌入式、模塊化、集成化的實時傳感器與大數(shù)據(jù)、云計算深度融合，技術(shù)集成更加優(yōu)化，實現(xiàn)計算處理能力和信息存儲資源的分布式共享，微功耗、低成本、高可靠性等參數(shù)指標進一步提升，為海量的物聯(lián)網(wǎng)信息利用提供支撐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的軟件系統(tǒng)升級，根據(jù)環(huán)境變化和系統(tǒng)運行的需求及時調(diào)整自身行為，提供環(huán)境感知的智能柔性服務(wù)，從行業(yè)應(yīng)用向個人、家庭應(yīng)用拓展，進一步提高自適應(yīng)能力[4]。

2.3 創(chuàng)新性、適應(yīng)性、產(chǎn)業(yè)化、標準化

數(shù)字補償、多功能復(fù)合等技術(shù)的集中應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的參數(shù)指標更加嚴格，制造工藝更加精細，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量和外觀表現(xiàn)更加出色。目前，世界各國普遍重視新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)，增強核心競爭力。重視傳感器的可靠性設(shè)計、控制與管理，重視市場競爭、個性化特色和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，快速響應(yīng)市場。瞄準全球農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和市場的發(fā)展潮流與戰(zhàn)略前沿，重視上下游接口聯(lián)接的統(tǒng)一性、完整性、協(xié)調(diào)性和標準化。

3 結(jié)語

我國人均耕地面積遠低于世界平均水平，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很大的提升空間。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)中的重要組成部分。在世界農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)模式向智慧模式躍進的過程中，幾千年來形成的落后生產(chǎn)方式將得以改變。我國農(nóng)業(yè)還面臨著環(huán)境、資源、技術(shù)、理念、市場等多種約束，以物聯(lián)網(wǎng)為核心技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)為我國提供了與世界先進農(nóng)業(yè)同步發(fā)展的難得機會。加速推進農(nóng)業(yè)信息化和智能化，是我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的迫切需求，是城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展、整合各方資源的當務(wù)之急，也是突破農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自身限制、實現(xiàn)跨越式升級的必然選擇。