農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

聶鵬程，張慧，耿洪良，王錚，何勇,4*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測重點實驗室（浙江大學(xué)），杭州310058；3.西部電子商務(wù)股份有限公司，銀川750000；4.浙江大學(xué)華南工業(yè)技術(shù)研究院，廣州510530）

近年來，我國高度重視農(nóng)業(yè)信息化與現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，在精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥、病蟲害防治、環(huán)境智能調(diào)控、智慧水產(chǎn)、智慧畜禽業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展尚處于初期探索階段，主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)上，存在規(guī)模小、成本高、見效差等問題。相較于荷蘭、以色列、美國和日本等發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我國還存在農(nóng)業(yè)專用傳感器缺乏、農(nóng)機與農(nóng)藝融合不夠等缺點。

要加快我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用推廣進程，必須突破農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研制出符合我國國情的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)裝備與系統(tǒng)，加強農(nóng)機與農(nóng)藝的融合應(yīng)用，發(fā)揮信息在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的潛在價值，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營注入新活力。

本文從物聯(lián)網(wǎng)的“感知、傳輸、處理和應(yīng)用”4個關(guān)鍵層次，對國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各層次的關(guān)鍵技術(shù)，指出當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的問題，并結(jié)合我國實際提出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來的研究方向與發(fā)展趨勢。

1 信息感知技術(shù)

傳感器是獲取農(nóng)業(yè)信息的載體，包括感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和動植物生命信息的技術(shù)與裝備。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根基，其智能化轉(zhuǎn)型是提升種植業(yè)、畜禽業(yè)、水產(chǎn)業(yè)的信息化與智能化的核心。

1.1 種植信息感知技術(shù)

1.1.1 環(huán)境信息傳感技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測傳感器類型繁多，較常用的有溫濕度、光照、二氧化碳等傳感器。常規(guī)農(nóng)田環(huán)境感知傳感器技術(shù)相對成熟，但由于農(nóng)田環(huán)境惡劣，導(dǎo)致傳感器在“高濕熱”或低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性差，且受成本和供電等因素的制約。因此，穩(wěn)定可靠、低成本、低能耗的環(huán)境傳感器的研發(fā)已成為主要發(fā)展趨勢。

1.1.2 土壤信息新型傳感技術(shù)

土壤信息一般包括含水量、氮、磷、鉀、有機質(zhì)以及各種礦物質(zhì)成分。傳統(tǒng)的土壤理化及養(yǎng)分分析方法費時費力。近年來，國內(nèi)外研究人員對土壤信息的快速檢測方法開展了相關(guān)研究，取得了較大進展。

1）土壤水分檢測。傳統(tǒng)的土壤水分檢測方法無法滿足快速實時原位檢測的要求，而時域反射（time domain reflectometry, TDR）、頻 域 反 射（frequency domain reflectometry, FDR）等電磁傳感方式又存在適應(yīng)性差等缺陷。因此，一些研究人員利用可見-近紅外光譜檢測土壤水分含量[1]。此外，也有學(xué)者利用太赫茲光譜的懼水性，開展了基于太赫茲透射光譜技術(shù)的土壤含水率研究[2]，均獲得了較好的檢測效果，為土壤水分的精確測量提供了新的方法和技術(shù)。

2）土壤養(yǎng)分檢測。土壤養(yǎng)分快速檢測技術(shù)是科學(xué)施肥的關(guān)鍵，也是當(dāng)前行業(yè)難題?，F(xiàn)代光譜技術(shù)的發(fā)展，為土壤養(yǎng)分檢測提供了新的解決方案。研究人員應(yīng)用近紅外光譜實現(xiàn)了土壤中有機質(zhì)、磷、水分、鉀、酸堿度、有機碳、礦物質(zhì)等成分的檢測[3-4]，還應(yīng)用可穿透光譜實現(xiàn)了不同深度土壤有機物、磁懸浮顆粒含量的檢測[5]，均取得了較好的效果。以上研究為土壤養(yǎng)分快速原位檢測提供了新思路，具有較好的應(yīng)用潛力。

3）土壤重金屬檢測。土壤重金屬快速檢測是分析農(nóng)業(yè)面源污染與環(huán)境治理的關(guān)鍵技術(shù)。目前，研究人員應(yīng)用中紅外光譜[6]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）[7]、太赫茲時域光譜[8]、Landsat 8 多光譜成像[9]等技術(shù)，檢測土壤中砷（As）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）等重金屬的含量，取得了較好的相關(guān)性。從研究結(jié)果看，LIBS檢測精度高，且LIBS易于模塊化與便攜化，在土壤重金屬現(xiàn)場檢測方面具有明顯優(yōu)勢。

4）土壤農(nóng)藥殘留檢測。土壤農(nóng)藥殘留是造成環(huán)境污染問題的重要根源，傳統(tǒng)檢測方法過程復(fù)雜，且依賴大型儀器，難以實時檢測和推廣應(yīng)用。由于農(nóng)藥殘留含量極低，常規(guī)光譜技術(shù)難以滿足檢測需求。近年來，因超材料具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)而備受關(guān)注。與超材料結(jié)合的拉曼光譜和太赫茲光譜能大大降低檢測限，已成為當(dāng)前的熱點研究課題。

拉曼光譜技術(shù)是一種可以反映分子內(nèi)部信息的指紋光譜技術(shù)。表面增強拉曼光譜是將納米材料與拉曼光譜結(jié)合，信號強度可提升6～8 個數(shù)量級，具有很高的靈敏度，在農(nóng)藥殘留檢測上具有很大的優(yōu)勢（圖1）。研究人員開展了表面增強拉曼光譜結(jié)合基底材料的研究，實現(xiàn)了土壤中毒死蜱、噻菌靈等農(nóng)藥的超低濃度檢測，獲得了較高的檢測精度[10-11]。

太赫茲光譜因能量低、對非極性物質(zhì)穿透能力強，可以反映分子的細(xì)微差別，而成為安檢、通信領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測等方面的研究熱點。太赫茲光譜覆蓋了生物大分子等物質(zhì)特征譜，在農(nóng)藥殘留檢測方面具有獨特優(yōu)勢[12]。

圖1 基于拉曼光譜的土壤中農(nóng)藥殘留檢測Fig.1 Detection of pesticide residues in soil based on Raman spectroscopy

1.1.3 作物信息新型傳感技術(shù)

1）作物營養(yǎng)與生理檢測。作物營養(yǎng)與生理指標(biāo)是評價與監(jiān)測作物生長的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，快速、準(zhǔn)確地獲取作物生理和營養(yǎng)信息，有助于作物生產(chǎn)的精確化、數(shù)字化、智能化管理。研究人員通過數(shù)字圖像處理技術(shù)、近紅外光譜、高光譜等手段對作物中氮、磷、鉀、丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)、植物色素等成分[13-16]開展了研究。

2）作物病蟲害檢測。作物病蟲害是影響農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量及威脅糧食安全的主要因素，已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)管理中首要關(guān)注的問題。近年來，許多學(xué)者揭示了高光譜遙感、無人機、計算機視覺等技術(shù)在作物病蟲害識別、監(jiān)測及早期預(yù)判上的多種可能性[17-19]。

3）農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測。重金屬污染是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的“隱形殺手”。有毒重金屬如砷（As）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、硒（Se）、汞（Hg）等進入作物體內(nèi)后，導(dǎo)致大量必需元素缺失、酶活性降低，降低農(nóng)作物對鈣、鎂等礦質(zhì)元素的吸收、轉(zhuǎn)運能力，影響農(nóng)作物的品質(zhì)，甚至導(dǎo)致植物死亡[20]。動物或人食用含有重金屬的農(nóng)作物后，會對機體造成嚴(yán)重危害[21]。目前，常用的重金屬檢測方法有激光誘導(dǎo)擊穿光譜[22]、原子吸收光譜法[23]、原子熒光技術(shù)[24]等。

4）農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測。為了防治害蟲和提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，農(nóng)民大量施用農(nóng)藥導(dǎo)致其殘留嚴(yán)重，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題堪憂。因此，研究快速、便捷、可靠的農(nóng)藥殘留檢測方法迫在眉睫。目前，新型的農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)有太赫茲時域光譜和表面增強拉曼光譜。

一些研究表明，太赫茲光譜技術(shù)在抗生素和殺螨劑[25]、殺蟲劑[26]、混合農(nóng)藥[27]等的檢測中具有良好效果，說明太赫茲光譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

利用表面增強拉曼光譜技術(shù)可以實現(xiàn)農(nóng)藥殘留的快速無損檢測，圖2A 是常見的基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的快速無損檢測方法，較為流行的是基于柔性基底材料的富集（圖2B）和原位檢測（圖2C）2種方式。已有的研究表明，該技術(shù)可以實現(xiàn)噻菌靈[28]、溴氰菊酯[29]等農(nóng)藥殘留的檢測分析。

圖2 基于SERS技術(shù)的果蔬表面農(nóng)藥殘留的快速無損檢測Fig.2 Rapid and nondestructive detection of pesticide residues on the surface of fruits and vegetables based on SERS

1.2 養(yǎng)殖信息感知

1.2.1 畜禽養(yǎng)殖信息感知

規(guī)?；?、設(shè)施化、集約化的畜禽養(yǎng)殖方式已成為當(dāng)今畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢。養(yǎng)殖信息的智能感知技術(shù)及專用傳感器的發(fā)展，是推動畜禽精細(xì)化養(yǎng)殖進步的重要底層驅(qū)動力。利用先進傳感技術(shù)、音視頻監(jiān)控技術(shù)、計算機技術(shù)等多維信息感知技術(shù)，可實現(xiàn)對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境信息、畜禽個體生理信息、動物行為等實時監(jiān)測，有助于提高動物的生理健康和福利水平。

1）畜禽養(yǎng)殖環(huán)境信息感知。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境影響動物的生長發(fā)育，制約著畜禽的產(chǎn)量和質(zhì)量。畜禽舍內(nèi)由于飼料、墊草、糞尿、發(fā)酵物產(chǎn)生的粉塵和一氧化碳、氨氣、甲烷、硫化氫等有害氣體，容易導(dǎo)致人畜發(fā)生疾病[30]。對畜禽舍內(nèi)環(huán)境信息的感知，是動物福利養(yǎng)殖的基礎(chǔ)。目前，基于電化學(xué)檢測原理的氣體傳感器在畜禽環(huán)境有害氣體感知中應(yīng)用較多[31]。感知畜禽舍環(huán)境光照強度的感知器件包括光導(dǎo)型和光伏型：前者靈敏度雖高，但響應(yīng)時間長，頻率特性差，強光線性差；后者的穩(wěn)定性和光電特性的線性度更高[32]，應(yīng)用較多。

受多環(huán)境參數(shù)的互相影響，以及人類活動、氣候條件的干擾，畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境呈現(xiàn)出時變、非線性、多變量耦合的特點，環(huán)境信息獲取難度大。因此，急需對適用于特定復(fù)雜的畜禽養(yǎng)殖舍環(huán)境信息感知與采集技術(shù)開展研究。

2）畜禽生理信息感知。畜禽體征信息主要包括動物個體信息、健康信息、行為信息、情緒信息等生理信息。傳統(tǒng)畜禽生理指標(biāo)的測量主要依靠人工操作或者在畜禽體內(nèi)植入生理信號感知芯片，費時費力，測量結(jié)果不客觀且精度低，會使動物發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)，進而造成傷害。

基于傳感器技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取簡單方便、抗干擾能力強，可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的實時連續(xù)測量。利用射頻識別（radio frequency identification, RFID）技術(shù)、紅外探測技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，可實現(xiàn)對動物的體溫、心率、血壓等生理指標(biāo)，以及休息、快走、定位、發(fā)情等行為信息的監(jiān)測[33-35]。

隨著新型技術(shù)的發(fā)展，許多研究人員開展了基于機器視覺技術(shù)、雙目視覺原理和徑向基函數(shù)（radial basis function,RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的圖像監(jiān)測技術(shù)對畜禽信息感知的研究，可在不危害動物的情況下，實現(xiàn)動物體尺、體質(zhì)量、體溫等生理指標(biāo)的測量，以及行走、采食、飲水等行為的識別[36-38]。此外，動物叫聲包含其情緒狀態(tài)、生理健康等信息。采用聲音收錄設(shè)備實時錄制聲音信息，建立聲音分析數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建聲音監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)動物疾病診斷、情緒狀態(tài)識別、行為監(jiān)測、進食監(jiān)測、成長率監(jiān)測等[39-41]。由于畜禽活體特征復(fù)雜多變，急需研究開發(fā)精準(zhǔn)、智能、無損的新型生理信息感知技術(shù)。

1.2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知

水質(zhì)是影響水產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的水質(zhì)傳感器多依據(jù)電化學(xué)原理設(shè)計，受水體流速、溫度、壓力等外部因素影響，測量值存在一定誤差。此外，其校正方法也過于煩瑣，且存在壽命較短、適用范圍小等問題。

隨著技術(shù)的進步，具有自校準(zhǔn)、自識別等功能的智能傳感器得以實現(xiàn)。智能傳感器不需要人工干預(yù)，可自動采集數(shù)據(jù)并對其進行預(yù)處理；同時，還具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出、與上位機雙向通信等多種功能。針對集約化養(yǎng)殖對水質(zhì)的要求，智能水質(zhì)傳感器可實現(xiàn)對溫度、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率和酸堿度等多個指標(biāo)的同時監(jiān)測[42]。

1.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的個體識別技術(shù)

個體識別技術(shù)貫穿整個農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、物流倉儲、銷售管理等多個環(huán)節(jié)中，用于標(biāo)識和跟蹤每個農(nóng)產(chǎn)品的信息。

1.3.1 個體識別技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的個體識別技術(shù)主要有條形碼、二維碼技術(shù)和RFID技術(shù)。

1）二維碼技術(shù)。隨著信息科技的發(fā)展，二維碼突破了條形碼的平面編碼性質(zhì)，充分利用橫向和縱向的空間排序來記錄數(shù)據(jù)符號信息[43]。由于其信息儲存量大、成本低、抗損性強等獨特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中。二維碼在農(nóng)產(chǎn)品溯源上的應(yīng)用主要是農(nóng)產(chǎn)品加工與物流，包括原材料信息、生產(chǎn)配方信息和成品信息等的錄入、核實與查詢[44]。

2）RFID 技術(shù)。RFID 是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號自動識別目標(biāo)對象并讀寫數(shù)據(jù)，已應(yīng)用于畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品、果蔬等食品溯源系統(tǒng)中[45-47]。與傳統(tǒng)信息標(biāo)識技術(shù)不同，RFID 不受特定工作條件的限制，可以在各種惡劣環(huán)境中工作，且無須人工干預(yù)，操作方便快捷，具有對高速運動物體識別和對多個標(biāo)簽批量讀取的特點。此外，RFID還具有可多次讀寫信息，可對標(biāo)簽中存儲的單品信息加密，可擴展更大的信息存儲容量等二維碼技術(shù)所不具備的優(yōu)點。因此，RFID將是未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最基本的信息工具。

1.3.2 倉儲物流信息感知

在農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)，通過對倉儲和物流過程中的環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，可以快速定位質(zhì)量問題發(fā)生的關(guān)鍵節(jié)點，避免質(zhì)量糾紛。在保護企業(yè)利益的同時，能及時地發(fā)出質(zhì)量安全信息預(yù)警，消除農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全隱患。

利用傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)或條形碼自動識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）技術(shù)和車載視頻識別技術(shù)等[48-49]，實現(xiàn)對倉儲環(huán)境的感知調(diào)控、貨物的識別和追蹤定位等，進而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全生命周期的追蹤溯源。

2 信息傳輸技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸方式主要分為有線通信與無線通信。常見的有線通信技術(shù)有電力載波、光纖通信、現(xiàn)場總線技術(shù)、程控交換技術(shù)等。無線通信包括射頻通信技術(shù)、調(diào)頻通信技術(shù)、藍牙、通用分組無線服務(wù)（general packet radio service,GPRS）、第2/3/4/5代移動通信技術(shù)（the 2nd/3rd/4th/5th generation mobile communication technology, 2G/3G/4G/5G）、ZigBee等。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型關(guān)鍵通信技術(shù)和組網(wǎng)模式應(yīng)用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景中，并逐步在通信帶寬、通信速率、組網(wǎng)效率上進行突破。

2.1 5G 通信技術(shù)

5G作為一種新興的通信手段，通過對其體系構(gòu)架上的改進，實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的大幅度提高。同4G技術(shù)相比，5G通信的數(shù)據(jù)流量增長1 000倍，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目擴大100 倍，峰值速率達10 Gb/s 以上，用戶可獲得速率達到10 Mb/s，具有延時短、可靠性高、頻譜利用率高和網(wǎng)絡(luò)耗能低等特性[50]。5G 通信技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大容量數(shù)據(jù)的實時獲取和場景建模提供了信息傳輸保障，對未來機器換人和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化管理提供了技術(shù)保障。

2.2 遠距離無線電（long range radio,LoRa）技術(shù)

LoRa技術(shù)是由美國Semech公司發(fā)布的一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（low power wide area network,LPWAN）接入技術(shù)的出現(xiàn)滿足了遠距離設(shè)備的接入需求。LPWAN技術(shù)采用星型網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，在接收端及時糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中注入的錯誤碼元，采用信道沖突檢測機制，解決了節(jié)點數(shù)據(jù)并發(fā)和丟包問題，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性[51]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)相比，其信息傳輸能力與穩(wěn)定性大幅提升，具有傳輸距離遠、功耗低、成本低等優(yōu)勢，適用于傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。

2.3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band-Internet of Things,NB-IoT）技術(shù)

NB-IoT 是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的窄帶射頻技術(shù)，因功耗低、連接穩(wěn)定、成本低、架構(gòu)優(yōu)化出色等優(yōu)勢而受到青睞。它聚焦于低功耗、廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，使用授權(quán)（license）頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等3 種部署方式，可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存而平滑升級。NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)由終端、基站、核心網(wǎng)、機器對機器（machine-to-machine, M2M）平臺及運營支撐系統(tǒng)等組成。NB-IoT 簡化了信令，具有與傳統(tǒng)的集成移動解決方案（integrated mobile solution,IMS）/演進式分組核心網(wǎng)（evolved packet core,EPC）不同的核心網(wǎng)控制設(shè)備[52]。NB-IoT 技術(shù)有效解決了農(nóng)田信息遠程傳輸成本高、能耗大等問題，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)闹匾侄巍?/p>

2.4 超窄帶（ultra narrow band,UNB）技術(shù)

UNB 技術(shù)能夠提供60 b/（s·Hz）以上的極高頻譜利用率。實現(xiàn)UNB 通信的關(guān)鍵技術(shù)包括甚小頻移鍵控（very minimum shift keying,VMSK）調(diào)制技術(shù)、擴展的二元相移鍵控（extended binary phaseshift keying, EBPSK）調(diào)制技術(shù)、最小波形差鍵控（very-minimum waveform difference keying,VWDK）調(diào)制技術(shù)和濾波器的選擇。

UNB 技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在終端成本低、功耗低、鏈路預(yù)算覆蓋性能優(yōu)等方面。UNB 技術(shù)的局限性也非常明顯，主要包括：終端通信能力有限，通信質(zhì)量無法得到保障，空口不安全，網(wǎng)絡(luò)需自建，下行傳輸能力有限且無法支持軟件升級更新。UNB終端通信能力受限主要來自于非授權(quán)頻譜。UNB與NB-IoT以及3G/4G/5G 的有效結(jié)合可大幅降低農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信成本，提升網(wǎng)絡(luò)局部覆蓋能力。

3 信息處理技術(shù)

利用信息處理技術(shù)對各類農(nóng)業(yè)活動信息進行整理、分析、加工和挖掘，實現(xiàn)智能判斷和決策，從而為農(nóng)業(yè)的智能化控制提供理論依據(jù)。

3.1 云計算與邊緣計算

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型十分復(fù)雜，包括傳感器數(shù)據(jù)、RFID 數(shù)據(jù)、二維碼、視頻、圖片等。將云計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)云，可以降低成本，提高效率，節(jié)約資源，促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端計算服務(wù)。云計算與邊緣計算的有機結(jié)合是解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時效性和進行趨勢分析的重要手段，對未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展影響深遠。

3.2 算法與模型融合

在實際應(yīng)用中，因受自身屬性和外界因素的影響，對象狀態(tài)呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間和時間差異性。大部分的算法與模型都是基于單變量時間序列的，即只能利用某一類信息源的單變量時間序列信息，并不能充分利用已有的多源信息。為了解決上述問題，可以將數(shù)學(xué)中交互多模型、多算法技術(shù)與多傳感器信息融合技術(shù)有機結(jié)合，通過同時對多源信息綜合處理，識別對象狀態(tài)信息，從而提取一個能代表對象狀態(tài)的綜合信息。

3.3 模型傳遞

模型傳遞是將特定條件下建立的模型，通過一定的數(shù)學(xué)方法使其可應(yīng)用于不同的樣品狀態(tài)、環(huán)境條件或儀器條件，是解決數(shù)據(jù)通用性的關(guān)鍵技術(shù)。針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜多變的特點，可進行復(fù)雜系統(tǒng)的參數(shù)化建模或采用多模型融合的方法構(gòu)建模型傳遞系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)的參數(shù)化建模通過變量的篩選、微分、小波變換、傅里葉變換等預(yù)處理方法和增加擴充校正模型以及穩(wěn)健回歸等方法，擴大所建模型的應(yīng)用范圍，使其適應(yīng)于不同對象，但是這需要大量時間計算模型的動態(tài)參數(shù)，檢驗?zāi)Ｐ偷木_性和適應(yīng)性。而多模型融合通過對最優(yōu)融合后得到的最終狀態(tài)進行估計，可有效提高模型適應(yīng)能力。

3.4 人工智能分析技術(shù)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)將爆發(fā)式增長，人工智能逐漸逼近人類智能，不斷推進新一代信息技術(shù)的革新。人工智能分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息智能處理中發(fā)揮著越來越重要的作用，但當(dāng)前針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的人工智能理論體系仍待突破。尤其需重點突破智能農(nóng)業(yè)場景應(yīng)用理論方法和共性關(guān)鍵技術(shù)，研制一批集智能感知、控制、自主作業(yè)、智能服務(wù)等功能于一體的系統(tǒng)性裝備產(chǎn)品，有效促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的資源節(jié)約、配置優(yōu)化、治理高效，推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的質(zhì)量變革、效率變革和動力變革，以更好地服務(wù)于我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

常見的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系如圖3所示。利用智能感知技術(shù)、信息傳輸技術(shù)和智能處理技術(shù)，對農(nóng)事活動中的各個環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測和遠程調(diào)控，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營管理、戰(zhàn)略決策的智能信息化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化、集約化、規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化。

圖3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)Fig.3 Agricultural Internet of Things application system

4.1 種植物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

4.1.1 農(nóng)田信息感知與調(diào)控

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對光照、溫濕度、二氧化碳、微氣象和水質(zhì)等信息的自動監(jiān)測?？刂浦行母鶕?jù)實時環(huán)境信息與作物生長模型進行智能化調(diào)控，為作物生長提供適宜環(huán)境與營養(yǎng)條件[53]。

4.1.2 大田作物病蟲害診斷與預(yù)警

病蟲害診斷與預(yù)警系統(tǒng)可以實現(xiàn)對作物病蟲害的智能化實時遠程監(jiān)測和診斷，對大田作物的正常生長具有重要的意義。通過傳感器采集大田作物的病蟲害信息，結(jié)合圖片（或視頻）診斷模型或?qū)＜蚁到y(tǒng)，實現(xiàn)對病蟲害信息的診斷和預(yù)警，指導(dǎo)科學(xué)施藥施肥，推進作物病蟲害的綠色防控。

4.2 養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

4.2.1 畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)

畜禽農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用智能傳感器、射頻識別等先進感知技術(shù)，對養(yǎng)殖環(huán)境及動物生命信息進行實時監(jiān)測和智能調(diào)控，實現(xiàn)智能環(huán)境調(diào)控、精細(xì)投喂、智能育種、智能屠宰及數(shù)字化營銷等全過程的數(shù)字化管理。浙江省畜牧養(yǎng)殖云服務(wù)平臺已將全省畜禽養(yǎng)殖企業(yè)、行政管理機構(gòu)、技術(shù)服務(wù)機構(gòu)、執(zhí)法機構(gòu)、屠宰企業(yè)、農(nóng)資經(jīng)營企業(yè)等信息互聯(lián)共享，通過全程數(shù)字化實現(xiàn)有效共治、共享，大幅提升了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的智能化管理水平。

4.2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)

高效、生態(tài)、智能化的精準(zhǔn)養(yǎng)殖模式是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)未來的重要發(fā)展方向[54]。目前，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用仍受傳感器技術(shù)的制約，關(guān)鍵水質(zhì)傳感器國產(chǎn)化率不高，且使用壽命短、穩(wěn)定性和可靠性低。近年來，國內(nèi)科研院所積極開展水質(zhì)傳感器技術(shù)攻關(guān)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖調(diào)控模型的研究，推動了我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型[55-56]。同時，也開展了基于自動巡航無人駕駛技術(shù)和水下機器人自主巡線技術(shù)的養(yǎng)殖環(huán)境動態(tài)監(jiān)測研究[57]，實現(xiàn)了水溫、溶解氧、酸堿度和氧化還原能力等指標(biāo)的實時監(jiān)測，以及魚蝦生理信息的實時定點獲取。

4.3 農(nóng)產(chǎn)品溯源

在國家政策和技術(shù)發(fā)展的雙重推動下，農(nóng)產(chǎn)品溯源體系正逐步完善和普及。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及食品加工中的推廣應(yīng)用，使得更全面的信息得以收集與分析。農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)成為介于生產(chǎn)者和消費者之間的及時可靠的信息傳遞渠道，幫助消費者建立對生產(chǎn)企業(yè)的信賴。

種植業(yè)溯源包括采摘收割、加工包裝、流通銷售等環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)領(lǐng)域，構(gòu)建生產(chǎn)檔案對農(nóng)事操作、投入品使用、質(zhì)量檢測等信息進行記錄管理；在流通領(lǐng)域，對倉儲物流過程中的環(huán)境信息和產(chǎn)品質(zhì)量進行實時監(jiān)測；在市場領(lǐng)域，消費者可通過查詢二維碼、批號等方式追溯產(chǎn)品的詳細(xì)信息。

畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，主要是對養(yǎng)殖、屠宰、加工、銷售、流通、消費等環(huán)節(jié)的全程信息化監(jiān)管，實現(xiàn)畜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈溯源。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)質(zhì)量追溯通過數(shù)字條碼、二維碼等技術(shù)，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)管理、養(yǎng)殖戶、生產(chǎn)地、投飼、用藥等信息的數(shù)字綁定，確保追溯信息的連通性和完整性，實現(xiàn)水產(chǎn)品來源可追溯、去向可查證、責(zé)任可追究[58]。

5 小結(jié)與展望

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已滲透到農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域，并逐步形成專業(yè)化經(jīng)營管理模式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理中發(fā)揮著更積極的推動作用。具體將會體現(xiàn)在以下幾方面：

1）新型農(nóng)業(yè)傳感器不斷豐富。未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開傳感器的豐富和體系的完善。當(dāng)前，比較成熟的農(nóng)用傳感器主要為常規(guī)環(huán)境類傳感器?？筛兄獜?fù)雜種植/養(yǎng)殖環(huán)境信息以及生命體征動態(tài)信息的新型多功能復(fù)合傳感器的研發(fā)，仍是未來農(nóng)用傳感器發(fā)展的重要攻關(guān)方向。同時，隨著智能技術(shù)發(fā)展的不斷深入，微型、低成本、自適應(yīng)、微功耗、高可靠性的農(nóng)業(yè)傳感器的研發(fā)，也將是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢。

2）數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)質(zhì)量管理技術(shù)快速發(fā)展。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用，涉農(nóng)數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)出爆炸式增長。數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是保障信息轉(zhuǎn)化為價值的前提，而現(xiàn)實中感知到的數(shù)據(jù)多是冗余、錯誤、不完整和不一致的。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)源多、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、甄別困難將成為制約數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素?？茖W(xué)高效的數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)質(zhì)量管理機制不僅會推動相關(guān)政策的制定，也將催生新業(yè)態(tài)，激發(fā)產(chǎn)業(yè)活力。因此，高效的數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理體系以及數(shù)據(jù)共享機制的建立迫在眉睫。

3）新型農(nóng)業(yè)智能作業(yè)裝備不斷涌現(xiàn)。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能裝備將被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，逐步取締傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)作業(yè)方式。輕量化、小型化、智能化、低成本作業(yè)裝備將越來越多，并成為未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流方向。此外，智能裝備的廣泛應(yīng)用也將進一步推進農(nóng)機與農(nóng)藝的深度融合，促進農(nóng)業(yè)機械發(fā)揮更大的作用。

4）促進分子設(shè)計育種技術(shù)快速發(fā)展。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，將會積累大量的農(nóng)業(yè)氣候、作物生命、土壤養(yǎng)分等信息，極大豐富了現(xiàn)代設(shè)計育種領(lǐng)域的信息來源，促進農(nóng)業(yè)育種與生物信息、大數(shù)據(jù)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的匯聚融合，有效推動農(nóng)業(yè)育種高效快速發(fā)展。

5）加快現(xiàn)代綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展進程。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用將轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的肥、藥施用手段，進一步提高植物生長生命體征、病蟲害信息精確度。結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，大幅提升病蟲害預(yù)測與防治能力。結(jié)合多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)，指導(dǎo)變量施肥、變量噴藥和變量灌溉等作業(yè)，有效降低農(nóng)藥、化肥施用量，保障農(nóng)產(chǎn)品及環(huán)境綠色、安全，推進農(nóng)業(yè)的綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

6）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)將加速現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營與管理等數(shù)據(jù)的大規(guī)模匯聚形成農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)體系，包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理、資源目錄、共享交換、數(shù)據(jù)稽核、數(shù)據(jù)報表、預(yù)測預(yù)報等服務(wù)。全面覆蓋涉農(nóng)數(shù)據(jù)資源，如耕地數(shù)據(jù)、種質(zhì)資源數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、種植業(yè)數(shù)據(jù)、畜牧業(yè)數(shù)據(jù)、漁業(yè)數(shù)據(jù)、農(nóng)產(chǎn)品加工流通數(shù)據(jù)、農(nóng)產(chǎn)品進出口數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源。大數(shù)據(jù)體系的應(yīng)用將進一步提升農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)信息的透明度，推進農(nóng)業(yè)向高效、節(jié)約型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

7）區(qū)塊鏈技術(shù)將深刻影響農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展模式。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征。充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可重塑農(nóng)產(chǎn)品追溯體系和品牌，也有助于管理農(nóng)資流向，保障食品安全。由于當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通、銷售等環(huán)節(jié)中設(shè)施設(shè)備的落后，農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈技術(shù)始終面臨著“產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)難以上鏈”的困境。對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，區(qū)塊鏈不僅是技術(shù)手段，更是一種管理模式?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用模式將深刻影響農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的管理模式，是未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和攻關(guān)目標(biāo)。