王海洋,潘宗瑾,孫健雄,裴云鵬,施建軍,楊 華,陳應江,秦光蔚,王 為,劉興華*
(1.江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所,江蘇鹽城224002;2.鹽城小農人農業(yè)合伙企業(yè),江蘇鹽城224002;3.鹽城思源網(wǎng)絡科技有限公司,江蘇鹽城224002)
物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things,IOT)技術作為信息科技產(chǎn)業(yè)第三次革命成果,在作物生產(chǎn)中的應用已初見端倪。從其于1999年作為概念提出到如今廣泛應用,只不過20余年就顯示了其巨大的應用價值。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎就是互聯(lián)網(wǎng),利用互聯(lián)網(wǎng),通過RFID(電子標簽)技術實現(xiàn)物物相連,可進行信息交流、通信與自動控制[1]。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于農業(yè)生產(chǎn),有助于促進作物栽培、管理、加工、經(jīng)營各環(huán)節(jié)的“管、控、營”一體化,達到集約、優(yōu)質、高效的目標。它通過配置大量的傳感器節(jié)點,組成監(jiān)控網(wǎng)絡,人們根據(jù)各類傳感器傳回的信息,及時發(fā)現(xiàn)與解決生產(chǎn)問題,促進了以“人力為主+孤立機械”的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式,向依靠“信息技術+自動控制”為主的現(xiàn)代智能農業(yè)生產(chǎn)模式轉變,并逐漸成為現(xiàn)代農業(yè)的重要技術特征。在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用領域,美國、歐盟及日本等國家和地區(qū)走在了世界前列,如美國、日本、以色列、荷蘭等世界農業(yè)技術發(fā)達的國家,都已率先將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于作物病蟲害監(jiān)測、農田作物測繪、田間自動灌溉、農產(chǎn)品溯源分級以及科學精準管理等方面,促進了高效農業(yè)的發(fā)展[1-2]。
“十三五”時期,我國在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域取得了較大進步,也出現(xiàn)了一些典型應用。在作物生產(chǎn)方面,人們使用各種自動化遠程控制的生產(chǎn)設備、各種智能感知型芯片、移動嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)設備,監(jiān)測農田灌溉情況、土壤理化特性、農業(yè)氣象等環(huán)境狀況,使作物生產(chǎn)實現(xiàn)精準化、自動化,通過營造相對穩(wěn)定的作物生長環(huán)境,擺脫傳統(tǒng)農業(yè)靠天吃飯的逆勢,同時強化了管理,提高了生產(chǎn)效率[2-3];在農產(chǎn)品市場方面,物聯(lián)網(wǎng)利用數(shù)據(jù)信息采集、分析、處理的優(yōu)勢,對農業(yè)市場信息進行收集、清洗與專業(yè)分析,增強農產(chǎn)品市場監(jiān)測預警能力,提高農業(yè)信息化服務水平,不僅有助于政府進行產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,還有助于具體指導農民產(chǎn)前種植決策及產(chǎn)后跟蹤反饋,明顯提高農業(yè)經(jīng)濟效益;在農產(chǎn)品質量管理方面,物聯(lián)網(wǎng)用于農產(chǎn)品的質量監(jiān)測、產(chǎn)地與質量安全溯源以及生態(tài)安全監(jiān)管,促進了農產(chǎn)品質量與標準的提高,提升了農產(chǎn)品質量管理效能,把好了市場入口關,保證了農產(chǎn)品的生態(tài)安全;在規(guī)?;r場管理方面,農場利用物聯(lián)網(wǎng)技術建立農場管理信息系統(tǒng),對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、從業(yè)人員、農業(yè)數(shù)據(jù)庫和遙感影像與地圖進行高效管理,促進了農場管理水平的提高,同時也提高了農場的農業(yè)生產(chǎn)管理效率。
物聯(lián)網(wǎng)技術作為一種現(xiàn)代通用型技術,有其基本的3層結構,即感知層、網(wǎng)絡層(傳輸層)、應用層。感知層通過ZigBee、RS485或者I/O接口等收集傳感器數(shù)據(jù),再按照TCP(傳輸控制協(xié)議)將數(shù)據(jù)發(fā)至遠程中心服務器或云服務器;應用層終端用戶可通過HTTP(超文本傳輸協(xié)議)從服務器中獲取數(shù)據(jù)與分析信息(在網(wǎng)頁或微信公眾號中顯示),從而作出決策或采取措施,或直接聯(lián)動自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)對應用場景的智能化控制[4]。物聯(lián)網(wǎng)主要涉及的技術系統(tǒng)有傳感技術系統(tǒng)、智能化管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)測與遙感系統(tǒng)、生物信息診斷系統(tǒng)、質量安全追溯系統(tǒng)等。目前,物聯(lián)網(wǎng)在我國特糧特經(jīng)(含果蔬)作物生產(chǎn)中的應用較為廣泛與典型,具體體現(xiàn)在以下幾個應用單元上。
在現(xiàn)代設施(如溫室大棚等)栽培管理過程中,可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術精確地控制大棚中特糧特經(jīng)等作物的生長環(huán)境,處于基礎支撐地位的是數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)。其采集的指標參數(shù)包括設施中的空氣成分、病蟲草害指數(shù)、水肥一體化灌溉、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀與pH值等。通過對比分析來選擇適合當?shù)氐闹悄茉O施大棚技術,并進行監(jiān)控(測)系統(tǒng)的具體設計與研究。上述各種參數(shù)的采集均采用模塊化的設計方法,把采集到的數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡傳回服務器,構建感知層。參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝在設施大棚中的溫濕度傳感器、光照傳感器、pH值傳感器、CO2傳感器以及微控制器(MCU)等設備,實時監(jiān)測大棚內空氣、土壤、光照等各項環(huán)境物理與化學指標[5]。其中,溫濕度傳感器可探測空氣溫濕度、土壤淺層溫濕度(±2 cm)、土壤深層溫濕度(±5 cm)。
傳感器數(shù)據(jù)的上傳可通過TCP協(xié)議傳輸至網(wǎng)絡層,主要有ZigBee和RS485這2種模式,根據(jù)溫室情況,其數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)場部署可為無線式或有線式2種。無線式采用ZigBee發(fā)送模塊將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee節(jié)點上[6]。相應地,有線式采用電纜將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485節(jié)點上,2種傳輸方式各有優(yōu)勢,可結合使用。設施中各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡傳輸進入數(shù)據(jù)分析平臺。現(xiàn)在無線網(wǎng)絡因具有部署靈活、擴展方便、維護簡便而受到推崇,更由于5G信息基礎設施建設的推進,促進了數(shù)據(jù)信息分析平臺的集成應用,可借助移動運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)云傳輸。
應用平臺(應用層)通過對相關歷史數(shù)據(jù)、科學模型或專家反饋進行分析研判,發(fā)出相關控制指令,啟動遠程控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)由控制設備和相應的繼電器控制電路組成,依靠實時采集的各項數(shù)據(jù)與指令集,實現(xiàn)對大棚內的控制設備進行自動控制,包括風機、濕簾、水泵及內、外遮陽設備等[6-8],保證設施大棚中的農作物有一個最佳的生長環(huán)境,有效地提高作物單位產(chǎn)量與品質。
美國于20世紀80年代就開發(fā)了基于微處理器的計算機溫室控制系統(tǒng)。荷蘭的溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達,其智能化管理水平處于世界領先地位。以色列則以光熱資源優(yōu)勢在沙漠中建立了大量智能控制的植物工廠。我國設施農業(yè)的規(guī)模位居世界第一,物聯(lián)網(wǎng)技術在設施農業(yè)中成功應用的實例也較多,基本上實現(xiàn)了溫室設備的自動化控制。
與設施大棚環(huán)境控制類似,通過布置傳感器節(jié)點和無線傳感器網(wǎng)絡組成感知層,實時采集作物苗情動態(tài)和生長發(fā)育狀況等表型數(shù)據(jù),并通過移動通信網(wǎng)絡構成傳輸網(wǎng)絡層,將數(shù)據(jù)實時傳輸至遠程中心服務器或云服務器,專家或用戶可通過遠程數(shù)據(jù)處理中心或云平臺,對來自感知層的作物生長動態(tài)數(shù)據(jù)及相關栽培調控管理措施等進行處理。由各種決策輔助系統(tǒng)組成應用層,并與終端用戶具有良好的交互作用,可根據(jù)作物品種及生長發(fā)育相關資料庫,來進行品種布局、適宜播期、基本苗定量決策、精確施肥決策、精確灌溉、精確植保以及智能學習等子系統(tǒng)的決策應用。
作物精確定量栽培上的應用不僅限于設施大棚內,在大田特糧特經(jīng)作物生產(chǎn)中也有使用。如在千畝示范方中選擇10塊田、5個點來監(jiān)測苗情,將農事管理措施上傳到當?shù)剞r業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺上的作物農情智能監(jiān)測與決策系統(tǒng),由市、縣、鎮(zhèn)組成的作物生產(chǎn)專家組根據(jù)相關信息進行會商,給出相應的田間管理指導意見,并在示范方進行實施,同時可通過微信群或QQ群將管理意見發(fā)給基地的科技示范農戶,以指導他們做好相關田間管理工作[7]。在作物生長的各時期,還可通過形狀、顏色與重量傳感器等來監(jiān)測作物產(chǎn)品的外形、顏色、質量、成熟度等指標,運用軟構件和參數(shù)化技術、決策支持與系統(tǒng)設計技術,結合GIS(地理信息系統(tǒng))空間技術,發(fā)揮模擬模型的動態(tài)預測功能、GIS的空間信息管理功能、知識模型的管理決策功能,可建立基于數(shù)字模型和模擬分析的網(wǎng)絡化數(shù)字作物栽培管理決策系統(tǒng)[9-10]。海南省文昌棕櫚作物種質資源圃利用“托普云農”物聯(lián)網(wǎng)設備打造的管理系統(tǒng),由墑情傳感器、苗情災情攝像機、蟲情測報燈、網(wǎng)絡數(shù)字攝像機、作物生理生態(tài)監(jiān)測儀以及預警預報系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、信息管理平臺組成,用戶通過Web、PC(個人電腦)與移動客戶端可以訪問數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能,對作物實時遠程監(jiān)測與診斷,實現(xiàn)精細化、全方位、智能型管理,成為農業(yè)科技人員的“千里眼”和“聽診器”[11]。
美國、日本等國較早將物聯(lián)網(wǎng)應用于作物精確定量栽培方面,不僅在設施溫室,也在大田耕作栽培中,開發(fā)了農田作物測繪、作物葉色監(jiān)測等智能系統(tǒng),以準確評估作物生長情況。總體上,我國在這方面尚處于起步階段,技術遠未成熟,還存在許多技術環(huán)節(jié)需要攻克。
物聯(lián)網(wǎng)技術應用于節(jié)水灌溉方面相對比較成熟,我國有多家公司開發(fā)了智能化的水肥一體化灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)作物的需肥規(guī)律及土壤中的水分狀況,或利用相關大數(shù)據(jù)支持,設置周期性的水肥輪灌計劃,通過程序控制施肥機,自動控制灌溉量、吸肥量及肥液濃度、酸堿度等參數(shù),實現(xiàn)對灌溉施肥的定時定量控制,提高了水與肥的利用效率[12]。美國、以色列等國家較早就推動農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的科技創(chuàng)新與推廣,首先實現(xiàn)了灌溉技術的智能化。通過無線傳感器網(wǎng)絡自動灌溉系統(tǒng),利用傳感器獲取土壤的水分含量數(shù)據(jù),并傳至接收器與控制系統(tǒng),來控制灌溉系統(tǒng)閥門的開與關,從而實現(xiàn)節(jié)水灌溉[1-2,13]。這種傳感器網(wǎng)絡具備自組網(wǎng)絡、信息互遞與實時通信的功能,讓灌溉區(qū)面積大小與節(jié)點分布數(shù)量不會受到限制,可根據(jù)需要適當增減輪灌組數(shù)量,配合各節(jié)點具備的土壤、氣象、植株性狀測量采集裝置,構建一個投入少、效率高、能耗低、功能全的農用智能節(jié)水灌溉平臺。這一系統(tǒng)還可應用于大棚、庭院、花園、草坪、公路隔離帶自動灌溉,以及農田井自動灌溉系統(tǒng),讓農業(yè)節(jié)水灌溉技術達到集成化、模式化標準,做到定量化、規(guī)范化,使之快速普及、健康發(fā)展。
依托水肥一體化技術及節(jié)水灌溉系統(tǒng),裝備上特定的離子傳感器與智能決策芯片,基于土壤與作物體中營養(yǎng)離子的豐度,系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測結果,可自動調節(jié)灌溉水中特定離子(如NH4+、K+、PO43-、Cl-等)的濃度,并進行營養(yǎng)補給[13]。荷蘭建立的水肥一體化系統(tǒng)采用土壤測試儀、電導率測試筆、果實膨大傳感器、莖稈微變化傳感器等感知土壤與植株體內水分與養(yǎng)分的變化,進行差異化的精準施肥與灌溉[2]。美國還開發(fā)了土壤機器人施肥系統(tǒng),通過田地土壤中布置的傳感器將土壤中肥分數(shù)據(jù)無線上傳至機器人芯片,從而使得機器人精準施肥[2]。
物聯(lián)網(wǎng)技術可用于特糧特經(jīng)果實成品等的貯藏方面,其中溫度傳感器作用極大,空調制冷系統(tǒng)可根據(jù)冷庫內溫度傳感器傳回的實時溫度數(shù)據(jù)進行自動控制,并使得該溫度達到規(guī)定標準并保持穩(wěn)定[14]。與冷藏庫相比,氣調庫是一種更為先進的農產(chǎn)品貯藏保鮮方法,不僅是溫度,氣調庫對庫內空氣相對濕度及O2、CO2、C2H4等的濃度均有一定的指標要求。氣調庫控制系統(tǒng)通過傳感器采集庫內各種物理量參數(shù)指標,在儀表實時顯示并作為參變量參與到系統(tǒng)中實現(xiàn)自動控制,確保氣調庫內的果蔬和糧食處于最佳貯藏與保鮮狀態(tài)[15]。
除了溫濕度控制系統(tǒng)外,果實產(chǎn)品的“身份”及移動識別也需要物聯(lián)網(wǎng)技術的支撐。對于采收入庫的果實產(chǎn)品,在采收部門生成入庫單,要貼上反映入庫產(chǎn)品批次屬性的電子標簽(EID)或電子代碼(EPC)。EID信息通過掃描后存儲在EID數(shù)據(jù)庫,在入庫、移庫、出庫、盤點等任何環(huán)節(jié),倉庫內部署的任何一個EID讀寫器都可感知到范圍內的EID信息變化,并通過網(wǎng)絡層將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。結合RFID系統(tǒng)、傳感器和無線傳感網(wǎng)(WSN)等,產(chǎn)品的異動信息隨時可被現(xiàn)場的讀寫器(Reader)發(fā)現(xiàn)與自動識別,從而實現(xiàn)了產(chǎn)品信息的監(jiān)控與跟蹤,并與其后續(xù)物流相銜接[16]。
物聯(lián)網(wǎng)技術在生鮮農產(chǎn)品流通方面應用前景廣闊。在農場及農產(chǎn)品生產(chǎn)源頭,需要建立生產(chǎn)端的管理信息系統(tǒng),將產(chǎn)地信息、產(chǎn)品信息以及質控信息等納入物聯(lián)網(wǎng)管理,利用物聯(lián)網(wǎng)的EPC標簽、二維碼、RFID等技術,記錄農產(chǎn)品從產(chǎn)地至超市的流通全過程,并在客戶端被用戶準確接收到。在運輸物流過程中,通過近程射頻技術如藍牙或WIFI等,對流通環(huán)境如冷鏈系統(tǒng)的溫度和水分進行控制,保證生鮮農產(chǎn)品不會因為環(huán)境溫度過高而腐敗變質,同時避免因水分不足而風干,導致品質變壞[16]。在商超或供應鏈配送中心,需要建立相應的配送管理信息系統(tǒng),以準確反映市場的變化,為顧客提供更有針對性的產(chǎn)品與服務。在客戶端建立終端信息處理系統(tǒng),如以HF頻段RFID前端與串口/以太網(wǎng)透傳后端的溯源終端機,實現(xiàn)農產(chǎn)品相關信息的獲取及溯源信息的回傳等功能,使農產(chǎn)品具有安全可追溯性[17],并方便客戶下單、付款、收貨等,且有利于及時地對整個農產(chǎn)品物流系統(tǒng)進行有效反饋,不斷提高物流服務的水平,減少農產(chǎn)品庫存,提高儲庫周轉效率及農產(chǎn)品配送效率。在韓國、歐盟等國家,物聯(lián)網(wǎng)技術在生鮮農產(chǎn)品流通方面的應用已經(jīng)相當廣泛,有成熟的可操作的應用模型,我國在這方面的研究與應用還需進一步加強。
物聯(lián)網(wǎng)技術在農作物病蟲害監(jiān)測預警方面作用較為顯著。病蟲害監(jiān)測預警系統(tǒng)可由紅外傳感器、蟲情測報燈、孢子捕捉儀、苗情/災情攝像機、作物生理生態(tài)監(jiān)測儀、小型氣象站以及預警預報系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)和信息管理平臺等組成,系統(tǒng)聯(lián)合作物生長發(fā)育管理、作物圖片數(shù)據(jù)庫以及災情分級指標等模塊,通過4G/RJ45上傳至管理平臺,配合專家決策系統(tǒng)實現(xiàn)對作物病蟲害的感知、遠程監(jiān)測與診斷,再根據(jù)感知層與中間層獲得的診斷結果,觸發(fā)預警預報系統(tǒng)[18]。用戶系統(tǒng)則是基于.net平臺開發(fā)的監(jiān)測Web管理網(wǎng)站、監(jiān)測APP、數(shù)字植保微信公眾號等,界面友好,各級用戶均可通過網(wǎng)頁、手機等移動端設備直接查看田間的蟲情、苗情、災情及環(huán)境數(shù)據(jù)[18-19],有利于提高認識、組織統(tǒng)防統(tǒng)治。但是,由于作物病蟲害種類繁多、習性各異,在智能化新型測報工具方面研發(fā)難度較大?,F(xiàn)有研究以圖像、聲音信號、雷達、紅外傳感器等作為智能化測報工具應用較多,并取得明顯進展。一些關鍵技術尚未能取得突破性進展,導致很多害蟲測報裝備智能化程度低,技術成熟度還不夠[19]。
進入21世紀,物聯(lián)網(wǎng)領域在網(wǎng)絡架構、通信技術、數(shù)據(jù)融合、異構網(wǎng)絡融合、智能終端、信息安全和保密、相關標準研究、應用和業(yè)務開發(fā)等方面都有突破性進展,甚至部分技術已發(fā)展成熟,有的已經(jīng)進行集成并在國營大農場作物生產(chǎn)管理中初步應用[20]。但是,搭建一套完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要耗費較大的人力與物力成本,其開發(fā)門檻高、研制周期長、基建成本高等特點,使得其在農業(yè)應用方面比較效益偏低,尤其影響其在我國中小規(guī)模農業(yè)方面的推廣應用。因此,物聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)上的應用仍限于部分領域及技術環(huán)節(jié),總體上還處于試驗示范與發(fā)展階段,離大規(guī)模推廣應用還有較長距離。就農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術而言,還存在以下一些問題需要解決。一是我國農業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小、多樣性豐富且精細化程度要求高,相應的物聯(lián)網(wǎng)相關設備體積、功耗及精密度尚不能滿足要求;農業(yè)環(huán)境的復雜性使得物聯(lián)網(wǎng)設備的穩(wěn)定性與實用性大打折扣。二是低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術可靠性較差。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要低功耗的物聯(lián)網(wǎng)技術,但現(xiàn)有低功耗下的網(wǎng)絡傳輸安全性仍不高,抗干擾能力仍不強,自動動態(tài)組網(wǎng)技術仍不足,從而給后期數(shù)據(jù)解讀與分析帶來一定困難。三是我國農用微型傳感器的種類與數(shù)量嚴重不足,自主研發(fā)不夠,對外依存度較大,形成了“卡脖子”問題,也提高了傳感器成本,影響其在農業(yè)方面的推廣應用。四是我國農業(yè)方面的技術標準不統(tǒng)一,需要加快農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關標準的制訂或修訂。標準涉及到各種網(wǎng)絡制式、傳感器設備接口、行業(yè)接口以及異構數(shù)據(jù)交匯等問題。只有農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內部形成統(tǒng)一的標準,才能達到“互通互聯(lián)”的目標,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的目的。
隨著農業(yè)供給側改革、農業(yè)高質量發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施,傳統(tǒng)農業(yè)面臨向優(yōu)質化、綠色化、特色化、品牌化、信息化為主的現(xiàn)代農業(yè)轉型,也催生了創(chuàng)意與休閑農業(yè)、觀賞農業(yè)、農旅康養(yǎng)等新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式,使得未來的農業(yè)不僅“好吃、好看、還好玩!”同時,隨著現(xiàn)代電子信息技術的發(fā)展,各種有關物聯(lián)網(wǎng)設施設備,尤其是各類傳感器將逐步向微型化、芯片化、智能化方向發(fā)展,能耗將逐步降低,穩(wěn)定性、可靠性、安全性將逐步增強,監(jiān)測對象和指標參數(shù)將更加精準,物聯(lián)網(wǎng)技術向農業(yè)的滲入融合將更加廣泛而持久,需因勢利導將農業(yè)技術、信息技術和機械化技術深度融合,推動農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展,推動建立信息感知、無線傳輸、自動控制、智能作業(yè)于一體的農業(yè)生態(tài)智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)自動化、標準化、集約化和智能化管理的精細智慧農業(yè)??傊锫?lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代智能農業(yè)發(fā)展中的應用前景將十分廣闊!
在摸索中發(fā)展,在實踐中創(chuàng)新。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的標準體系也將會在應用中逐步建立或修訂。有理由相信,我國必將能夠根據(jù)農業(yè)發(fā)展的實際狀況研發(fā)出系統(tǒng)化應用的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術,更加適應我國現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要,為農村振興、農業(yè)增效、農民增收做出新的更大的貢獻,并助推我國實現(xiàn)從農業(yè)大國向農業(yè)強國的跨越!