基于物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的研究*

胡開明，劉惠煌，張議夫

（東華理工大學(xué)長江學(xué)院，江西 撫州 344000）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，地域遼闊，物產(chǎn)豐富，氣候復(fù)雜多變，自然災(zāi)害頻發(fā)，“三農(nóng)”問題是我國政府高度關(guān)注的問題[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，智慧農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步成為研究的熱點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，是挑戰(zhàn)，更是機遇。物聯(lián)網(wǎng)是通過使用射頻識別傳感器、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息采集設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，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)[2]。在我國大力推動農(nóng)業(yè)信息化的前提下，物聯(lián)網(wǎng)將是農(nóng)業(yè)信息化過程中的一個突破口，必將深刻影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來。本項目組從智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，研究物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)下智慧農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)框架、實現(xiàn)技術(shù)、推動作用及物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展策略。

1 我國物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀概述

1.1 發(fā)展概述

目前，我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要階段，面臨著農(nóng)業(yè)用地減少、農(nóng)田水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、大量使用化肥導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品與地下水污染、食品安全與生態(tài)環(huán)境惡化等問題[3]。為了解決這些問題，廣大科技工作者開始研究生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)，提出了物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，是推進社會信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合的重要切入點，也為培育農(nóng)業(yè)新技術(shù)與服務(wù)產(chǎn)業(yè)提供了巨大的商機。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)理念被賦予了更深刻的內(nèi)涵。改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，迫切需要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流、農(nóng)副產(chǎn)品食品安全質(zhì)量監(jiān)控與溯源等領(lǐng)域，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的土壤、環(huán)境、水資源的實時監(jiān)測，對動植物生長過程的精細(xì)管理，對農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程監(jiān)控，對食品安全的追溯管理，對大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)服務(wù)的優(yōu)化調(diào)度，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”的發(fā)展要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造前所未有的機遇。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)中的智慧經(jīng)濟，或智慧經(jīng)濟形態(tài)在農(nóng)業(yè)中的具體表現(xiàn)。智慧農(nóng)業(yè)是智慧經(jīng)濟重要的組成部分。對于發(fā)展中國家而言，智慧農(nóng)業(yè)是智慧經(jīng)濟主要的組成部分，是發(fā)展中國家消除貧困、實現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢、經(jīng)濟發(fā)展后來居上、實現(xiàn)趕超戰(zhàn)略的主要途徑。由于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后，金融機構(gòu)支持“三農(nóng)”的力度有待進一步加強，因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展資金投入嚴(yán)重不足，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)普遍滯后，農(nóng)業(yè)機械化設(shè)備更新?lián)Q代較為緩慢，嚴(yán)重制約了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1.2 現(xiàn)狀分析

我國在精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究方面也取得了不少的研究成果。但在整體水平上，特別是實用性方面與發(fā)達(dá)國家差距很大，主要存在以下兩方面的問題。

1）農(nóng)民整體文化知識水平不高，科技意識不強。我國是個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)國家，農(nóng)耕文化思想比較濃厚。當(dāng)前，我國農(nóng)民整體素質(zhì)不高，文化水平比較低，科學(xué)素養(yǎng)不高，高素質(zhì)人力資本流失嚴(yán)重，農(nóng)民受到的科學(xué)知識培訓(xùn)比較少。在廣大落后農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)民仍然停留在小農(nóng)意識中，過分依賴農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，忽視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，農(nóng)民受教育程度低是制約中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2）農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用水平較低?，F(xiàn)代信息化技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)前提，信息技術(shù)的發(fā)展程度也決定了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的水平。我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)科研體系仍不健全，科研成果轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力能力不足，現(xiàn)代信息技術(shù)程度低，這導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)科研進度緩慢且難以應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)。

2 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的組成與構(gòu)架

2.1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)構(gòu)架

智慧農(nóng)業(yè)是指在相對可控的環(huán)境下，通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，采用工業(yè)化生產(chǎn)，通過實時采集溫室溫度、土壤溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、露點溫度等環(huán)境參數(shù)，自動開啟或者關(guān)閉設(shè)備，及時調(diào)節(jié)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境，使其在最優(yōu)的環(huán)境中生長[4]。同時，通過圖像采集設(shè)備，把實時畫面通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)由終端節(jié)點和主控節(jié)點組成，終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，主控節(jié)點負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺。數(shù)據(jù)傳輸方式可采用無線ZigBee模式，將傳感器的數(shù)值傳送到ZigBee節(jié)點上，實現(xiàn)主控節(jié)點和終端節(jié)點間無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信[5]。用戶終端通過PC端遠(yuǎn)程訪問溫室數(shù)據(jù)，實時顯示數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)的圖形走勢，并能夠發(fā)送控制指令驅(qū)動機構(gòu)。采集的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺，進行存儲、查詢、監(jiān)測報警、分析與管理。其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。目前，該方案已經(jīng)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能大棚、溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息平臺等領(lǐng)域。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)架

2.2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺系統(tǒng)由感知層、傳輸層、應(yīng)用層組成。感知層由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，該層包括終端節(jié)點和主控節(jié)點。終端節(jié)點從溫室采集溫度、濕度、光照度信息，通過無線的方式將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到主控節(jié)點，主控節(jié)點再通過移動通信網(wǎng)絡(luò)接入Internet，將數(shù)據(jù)匯聚到物聯(lián)網(wǎng)平臺。傳輸層包括無線通信設(shè)備、移動通信網(wǎng)絡(luò)、Internet，傳輸層負(fù)責(zé)將溫室采集的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，并將用戶發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)到溫室設(shè)備執(zhí)行。應(yīng)用層使用戶在物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與管理、事件警報、控制管理溫室設(shè)備等功能，應(yīng)用層為用戶提供一個與溫室的交互界面，通過Web網(wǎng)頁，用戶能夠查詢歷史數(shù)據(jù)、實時采集溫室數(shù)據(jù)、下發(fā)控制指令、設(shè)置觸發(fā)報警事件。

2.3 智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)包括信息技術(shù)的感知、農(nóng)業(yè)信息的傳輸和農(nóng)業(yè)信息的處理等關(guān)鍵技術(shù)。

1）信息感知技術(shù)。農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，作為智慧農(nóng)業(yè)的神經(jīng)末梢，是整個智慧農(nóng)業(yè)鏈條上需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，主要涉及農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、GPS技術(shù)及遙感技術(shù)[6]。農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的核心，主要用于采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的信息，如溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度等數(shù)據(jù)，空氣中的PM2.5，養(yǎng)殖中的pH值、濁度、氧氣含量等。

RFID技術(shù)即無線射頻識別技術(shù)，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸式的雙向通信，達(dá)到識別目標(biāo)對象的目的。在智慧農(nóng)業(yè)中，GPS技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程狀況進行跟蹤和定位，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化操作。智慧農(nóng)業(yè)中使用遙感技術(shù)，利用高分辨率遙感信息，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息，獲取小區(qū)域長勢與背景的差異，全面監(jiān)測農(nóng)作物的生長過程中的周期狀況和土壤水分含量等數(shù)據(jù)，從而提供精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施定位處方農(nóng)作所需的信息。

2）農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)。農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)傳輸信息的必然路徑。在智慧農(nóng)業(yè)中運用最廣泛的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是以無線通信方式形成的一個自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組成，負(fù)責(zé)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

3）信息處理技術(shù)。信息處理技術(shù)是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的必要手段，也是智慧農(nóng)業(yè)自動控制的基礎(chǔ)，主要涉及云計算、GIS、專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)等信息技術(shù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展推動作用

智慧農(nóng)業(yè)是指在相對可控的環(huán)境條件下，采用工業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代超前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，就是農(nóng)業(yè)先進設(shè)施與陸地相配套、具有高度的技術(shù)規(guī)范和高效益的集約化規(guī)模經(jīng)營的生產(chǎn)方式。如利用傳感網(wǎng)絡(luò)對土壤溫度、濕度、光照度進行實時監(jiān)控并有效控制滴灌，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，提高產(chǎn)能，節(jié)約用水。通過傳感器、定位技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的整合，實時采集溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，對農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息進行自動檢測和遠(yuǎn)程控制等。

3.1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的弊端

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)技術(shù)手段落后，主要依靠人力、畜力和各種手工工具以及一些簡單機械。在現(xiàn)實中，主要存在的問題是：農(nóng)業(yè)科技含量低，裝備水平相對滯后，農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出少，農(nóng)民收入低[7]。主要表現(xiàn)為以下幾方面：

1）傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的特點是精耕細(xì)作，農(nóng)業(yè)部門結(jié)構(gòu)較單一，生產(chǎn)規(guī)模較小。一般只能夠自給自足，無法大規(guī)模生產(chǎn)。2）經(jīng)營管理和生產(chǎn)技術(shù)比較落后，抗御自然災(zāi)害能力差，受自然天氣影響非常大，“靠天吃飯”是最好的詮釋。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，澆水、施肥、打藥等過程，農(nóng)民大多憑經(jīng)驗、靠感覺。3）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功效低，商品經(jīng)濟較薄弱，基本上沒有形成生產(chǎn)地域分工，不適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟運作模式。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的推動作用

1）物聯(lián)網(wǎng)是加強農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效舉措。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是當(dāng)前社會普遍關(guān)注的熱點問題。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加大對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、流通到消費整個流程的監(jiān)管，完善農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)，保障農(nóng)產(chǎn)品安全。

2）物聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)用藥、用水、用肥以及畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖的精確控制，減少浪費，降低污染，加強疾病防疫及疫情防控，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展。

3）物聯(lián)網(wǎng)是提升農(nóng)業(yè)決策指揮水平的重要手段。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對農(nóng)作物生長、森林防護、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖等進行監(jiān)測，可實現(xiàn)準(zhǔn)確感知、及時反饋，提升農(nóng)業(yè)決策指揮水平。

4 物聯(lián)網(wǎng)對智慧農(nóng)業(yè)提升策略

4.1 全面構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式

在原有農(nóng)業(yè)信息功能的基礎(chǔ)上，建立農(nóng)產(chǎn)品價格信息系統(tǒng)，指導(dǎo)農(nóng)民按照市場需求配置生產(chǎn)資源。建立農(nóng)業(yè)科技信息聯(lián)合服務(wù)系統(tǒng)，建設(shè)以實用技術(shù)和推廣實例為主要內(nèi)容的信息資源數(shù)據(jù)庫群，實現(xiàn)科技信息的聯(lián)網(wǎng)檢索查詢服務(wù)，推動農(nóng)村電子商務(wù)發(fā)展。開發(fā)國內(nèi)、國外兩類信息資源，加強涉農(nóng)部門的溝通與協(xié)調(diào)，建立農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和信息交換制度，實現(xiàn)涉農(nóng)信息共享。進行制度化建設(shè)，改變信息重復(fù)采集、分割擁有、壟斷使用和低效開發(fā)的局面，推動物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)的融合。

4.2 實施農(nóng)業(yè)科技裝備創(chuàng)新行動

推廣高新技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系作用，啟動重點種源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，選育和引進一批農(nóng)業(yè)新品種，集成一批重大關(guān)鍵技術(shù)。提升農(nóng)機裝備，推動農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展，開展全程機械化農(nóng)事服務(wù)中心創(chuàng)建，強化農(nóng)機試驗鑒定能力提升，提高機械作業(yè)服務(wù)化水平。發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，實施農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)字經(jīng)濟建設(shè)三年行動計劃，全面完成智慧農(nóng)業(yè)“123+N”各項建設(shè)。扎實推進“一村一名大學(xué)生工程”，繼續(xù)實施現(xiàn)代農(nóng)民培育計劃、基層農(nóng)技人員“三定向”培養(yǎng)工作，擴大農(nóng)技推廣服務(wù)特聘計劃，吸引更多的實用人才扎根農(nóng)村、服務(wù)農(nóng)業(yè)。將職業(yè)農(nóng)民培育納入國家教育培訓(xùn)發(fā)展規(guī)劃，形成職業(yè)農(nóng)民教育培訓(xùn)體系，滿足智慧農(nóng)業(yè)對人才的需求。

4.3 構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)平臺

構(gòu)建全新的農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)營銷體系，加強農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，完善信息全方位、網(wǎng)絡(luò)化、及時化的傳遞，通過電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)交易等現(xiàn)代交易手段實現(xiàn)信息的共享，提高農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場的輻射力，構(gòu)建與國際市場接軌的農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代流通體系，促進農(nóng)民增收和保障農(nóng)產(chǎn)品流通安全，發(fā)揮農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代流通體系的整體功能。建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系，提高農(nóng)業(yè)信息化水平。

4.4 以5G技術(shù)推動智慧農(nóng)業(yè)新發(fā)展

5G是繼4G之后的新一代移動通信系統(tǒng)，已經(jīng)投入商用。5G擁有比4G更高的頻譜利用率和傳輸速度，能滿足未來10年信息海量的傳輸、機器間的通信、網(wǎng)絡(luò)智能化等要求[8]。目前，5G技術(shù)推動了農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展，從實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的信息感知、精準(zhǔn)管理和智能控制三大層面切入，將5G通信網(wǎng)絡(luò)云計算大數(shù)據(jù)以及智慧農(nóng)業(yè)前沿技術(shù)融合，應(yīng)于高價值農(nóng)業(yè)種植，并從監(jiān)測農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖以及農(nóng)產(chǎn)品精確溯源等方面，全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化、高效化，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。5G網(wǎng)絡(luò)的使用可極大提高農(nóng)業(yè)水平，有力推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，助力鄉(xiāng)村振興。

5 結(jié)語

通過對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、組成與功能的分析，在我國大力推動農(nóng)業(yè)信息化的前提下，物聯(lián)網(wǎng)將是農(nóng)業(yè)信息化過程中的一個突破口，必將深刻影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來。同時，智慧農(nóng)業(yè)概念的提出與我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切內(nèi)在需求相吻合，既是歷史機遇的巧合，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然。要牢牢抓住“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略機遇，深入推動互聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)的融合。重視物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)結(jié)合，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。