物聯(lián)網在農業(yè)上的應用會是怎樣的

引言

物聯(lián)網一詞最早出現(xiàn)于比爾·蓋茨1995 年《未來之路》中，美國IBM 向奧巴馬提出的“互聯(lián)網＋物聯(lián)網＝智慧地球”讓人們真正接受了這個概念。溫***在視察中科院無錫微納傳感網工程技術研發(fā)中心時，指出：要著力突破傳感網、物聯(lián)網關鍵技術，及早部署后IP 時代相關技術研發(fā)，特別是與中國自主知識產權的TD-SCDMA技術相融合。

物聯(lián)網是繼計算機、互聯(lián)網與移動通信網之后的世界信息產業(yè)第3 次浪潮［3］。近年來，隨著智能農業(yè)、精準農業(yè)的發(fā)展，智能感知芯片、移動嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網技術在現(xiàn)代農業(yè)中的應用逐步拓寬，通過使用無線傳感器網絡可以有效降低人力消耗和對農田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備，足不出戶就可以監(jiān)測到農田信息，實現(xiàn)科學監(jiān)測、科學種植，促進了現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展方式的轉變。筆者將物聯(lián)網應用于農業(yè)，農業(yè)物聯(lián)網技術的應用可以更好地控制農作物的生長環(huán)境，使之能夠更好地適應作物的生長，提高農作物的產量和品質，有利于實現(xiàn)農作物的高產穩(wěn)產，提高土地的產出率，提高農業(yè)抗御自然災害的能力。農業(yè)物聯(lián)網技術的推廣應用，也是農業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。農業(yè)物聯(lián)網的快速發(fā)展，將會為中國農業(yè)發(fā)展與世界同步提供一個國際領先的全新的平臺，也必將為傳統(tǒng)產業(yè)改造升級起到巨大的推動作用。

1 物聯(lián)網內涵及相關技術簡介

1.1 內涵

物聯(lián)網（The Internet of Things）的定義是通過射頻識別（Radio Frequency Identificatio，RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，先進的云計算技術和超級計算機則可以對海量數據進行整理分析，幫助人們做出正確的行動決策，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網的精髓是賦予網絡新的含義，實現(xiàn)人與物之間的相融與互動，對人的規(guī)范性回復進行識別，做出方案性的選擇。物聯(lián)網的組成架構包括：

（1）末梢節(jié)點（采集控制層）：即利用各種傳感器、RFID形成的物體與物體之間進行身份識別和數據交流；（2）接入層（數據傳輸層）：現(xiàn)在所有的網絡形式，包括有線的、無線的以及無線網絡形式中的無線局域網、2G、3G等。（3）承載網絡；（4）應用控制層；（5）用戶。其中由計算機網絡和通信網絡構成的承載網絡為業(yè)務的基礎網絡，圖1為物聯(lián)網網絡組成示意圖。

1.2 技術組成

國際電聯(lián)報告提出物聯(lián)網主要有4 個關鍵性的應用技術：標簽事物的RFID，感知事物的傳感網絡技術（Sensor technologies），思考事物的智能技術，微縮事物的納米技術（Nano technology-RFID）。

1.2.1 射頻識別（RFID） RFID是一種非接觸式的自動識別技術，具有數據儲存量大、可讀寫、穿透力強、讀寫距離遠、讀取速率快、使用壽命長、環(huán)境適應性好等特點，是唯一可以實現(xiàn)多目標識別的自動識別技術，可工作于各種惡劣的環(huán)境。最基本的RFID 系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和天線3 部分組成。RFID系統(tǒng)的工作原理是：電子標簽根據電源的不同而分為有源電子標簽和無源電子標簽，當電子標簽進入讀寫器的工作區(qū)域后，無源電子標簽接收到讀寫器發(fā)出的電磁波，產生感應電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息被讀取器讀取，解碼后送至電腦主機進行有關處理；有源電子標簽則依靠自帶電池供電。圖2 為RFID 的工作原理圖。

現(xiàn)在RFID 在農畜產品安全生產監(jiān)控、動物識別與跟蹤、農畜精細生產系統(tǒng)、畜產品精細養(yǎng)殖數字化系統(tǒng)、農產品物流與包裝等方面已正式應用。例如，日本的田間伺服器（field server）和美國伯克利大學MOTE 和JPL 研發(fā)的SW（Sensor Web），能夠使用RFID 等無線技術的田間管理監(jiān)測設備自動記錄田間影像與土壤酸堿度、溫濕度、日照量甚至風速、雨量等微氣象，詳細記錄農產品的生產成長記錄。

1.2.2 傳感網絡技術物聯(lián)網的重點，即研究的核心，是無線傳感器網絡（WSN，Wireless Sensor Networks），是由一組稠密布置、隨機撒布的傳感器組成的無線自組織網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域內感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。近年來，在農業(yè)方面，尤其是在精準農業(yè)方面應用越來越多。精準農業(yè)是［21］利用3S（全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS））的差異從地塊水平精確到平方厘米的一整套綜合農業(yè)管理技術，可以實現(xiàn)農田操作的自動指揮和控制。在中國科學院、農業(yè)部等單位開展了面向全國范圍的農情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的研究，利用3S和各種數學模型進行農情監(jiān)測，已經取得了較明顯的效果。該系統(tǒng)中的數學模型主要有糧棉作物識別模型、農作物長勢分級模型、農作物估產模型、農業(yè)災害監(jiān)測與災情損失評估模型等。作物長勢遙感監(jiān)測模型主要利用紅光波段和近紅外波段遙感數據得到的植被指數（NDVI）與作物的葉面積指數和生物量正相關原理進行長勢監(jiān)測。作物長勢模型主要有3種，即逐年比較模型、距平等級模型和極值等級模型。

2 物聯(lián)網在農業(yè)信息化的初期應用

物聯(lián)網在農業(yè)和農村信息化領域中得到廣泛應用，如：精準農業(yè)、智能化專家管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)測和遙感系統(tǒng)、生物信息和診斷系統(tǒng)、食品安全追溯系統(tǒng)等。在精準農業(yè)方面，中國已取得較高水平的成果，并進入實踐階段。

2.1 中國的精準農業(yè)

目前，數字農業(yè)重大專項已在中國新疆、黑龍江、吉林、北京、上海、河北、江蘇等地建立起26 個設施農業(yè)數字化技術、大田作物數字化技術和數字農業(yè)繼承技術綜合應用示范基地。中國研制的具有自主知識產權的谷物聯(lián)合收割機智能測產系統(tǒng)在2000 年11月畫出了中國第1 張“精準農業(yè)”產量圖，2005 年引進美國CASE 公司精準農業(yè)機械設備，建立了黑龍江八五二農場和寶泉嶺農場精準農業(yè)試驗示范基地，2006年底，黑龍江墾區(qū)已裝備成大約160 個現(xiàn)代農機裝備區(qū)，使精準農業(yè)技術在墾區(qū)有了新的發(fā)展和推廣應用。在國家精準農業(yè)研究示范基地也進行了一系列農業(yè)定量遙感試驗。示范區(qū)內大田作物產量提高15%~20%，經濟效益提高10%，設施農業(yè)成本降低10%，生產率提高20%，養(yǎng)殖業(yè)提高經濟效益18%。同等產量下，采用先進的農業(yè)技術進行生產，總成本降低了15%~20%，化肥、農藥和灌溉用水量減少了20%~30%。

2.2 全國首批“電子豬”上市

2009 年9 月30 日金卡豬的上市［2］，使成都市民有幸成為全國第1 批吃到通過RFID 電子標簽對豬的養(yǎng)殖、宰殺全過程實施溯源的“電子豬肉”的市民。RFID技術應用于畜牧業(yè)食品生產的全過程，包括飼養(yǎng)、防疫滅菌、產品加工、食品流通等各個環(huán)節(jié)，全面引入標準化的技術規(guī)程和質量監(jiān)管措施，建立“從農場到餐桌”的食品供應鏈跟蹤與可追溯體系，從而達到科學的全程化飼養(yǎng)監(jiān)控、安全化生產監(jiān)控、市場化可追溯的高質量、高水平、高效益的目標。

2.3 食品安全溯源系統(tǒng)建設

國家農業(yè)信息化工程技術研究中心在北京市小湯山的試點應用食品安全溯源系統(tǒng)的項目。條碼生成與打印以國際通用的EAN/UCC 系統(tǒng)為編碼基礎，用戶只需填入相關產品、地塊等信息，即可自動生成條碼并按標準化條碼格式打印出來，系統(tǒng)支持不同打印機和不同的碼制。例如：2006 年中國水產業(yè)推出了魚類產品智能防偽卡——千島湖“淳牌”有機魚身份證，實現(xiàn)了從水體到餐桌的全程質量跟蹤管理；2009 年10月，江蘇大閘蟹成功利用RFID 二維碼溯源系統(tǒng)追蹤其品質。

3 農業(yè)物聯(lián)網發(fā)展展望

物聯(lián)網技術在無錫掀起了研究的熱潮，2020 年之前中國已經規(guī)劃了3.86 萬億元的資金用于物聯(lián)網研發(fā)。物聯(lián)網研究和開發(fā)既是機遇，更是挑戰(zhàn)。如果能夠面對挑戰(zhàn)，從深層次解決物聯(lián)網中的關鍵理論問題和技術難點，并且能夠將物聯(lián)網研究和開發(fā)的成果應用于實際，就可以在物聯(lián)網研究和開發(fā)中獲得發(fā)展的機遇。目前，關于農業(yè)物聯(lián)網應用的發(fā)展項目有很多：土壤養(yǎng)分和墑情監(jiān)測，為作物選擇和耕種方式提供指導；糧情信息監(jiān)測，為監(jiān)管部門科學決策保護糧食安全提供有效數據；農業(yè)大棚溫室監(jiān)控和田間自動化管理，通過連續(xù)監(jiān)測土壤濕度數據，實現(xiàn)多點同時滴灌補水；農民可以通過3G手機接入信息數據庫中，根據專家們開好的科學種田“處方”，用計算機對灌溉、施肥、溫度和濕度等進行控制和管理；如果某些人群對作物品質有特殊要求，可以通過控制作物施肥達到這種要求，點著鼠標配化肥。當然，農業(yè)物聯(lián)網發(fā)展也面臨著諸多問題。

（1）智能感知器的成本問題。目前，農業(yè)環(huán)境和動植物群（個）體信息采集和傳輸的感知設備成本相對還比較昂貴。如農產品供應鏈上的電子標簽，生產100萬個的成本約為14 美分/個。除此之外還有實施RFID所需的基礎設施的成本，如閱讀器的購置價格等。因為農產品的本身價值并不大，使用RFID 所增加的成本相比之下顯得過高，目前只適用于一些高價值的農產品。

（2）農田無線傳感器網絡體系的功耗問題。由于農作物生產周期較長，傳感器節(jié)點數量較多，如果經常更換電池將是一項耗資巨大的工作。如何有效節(jié)省電能、延長網絡的生命周期，是面向大規(guī)模農田種植的無線傳感器網絡需解決的重要問題。

（3）物聯(lián)網感知節(jié)點上數據高效傳輸問題。農業(yè)監(jiān)測區(qū)域分布大量傳感器節(jié)點（sensor node）和少數匯聚節(jié)點（sink node），傳感器節(jié)點負責采集相關數據信息，最終將數據傳送至匯聚節(jié)點。由于農業(yè)物聯(lián)網具有感知數據量大、無線通信帶寬低、時效性強的特征，網絡節(jié)點在能量、計算、存儲及通信能力方面存在局限性，數據高效傳輸與管理問題是提高節(jié)點協(xié)作感知、采集、處理、發(fā)布效率的有效途徑。

在如何促進物聯(lián)網發(fā)展方面，應圍繞本地優(yōu)勢與特色產業(yè)，結合高校、科研院所和企業(yè)的現(xiàn)有的研究成果，選擇關鍵領域集中力量，扶持有廣闊應用前景的傳感器開發(fā)重點突破，以點帶面，全面發(fā)展。以農業(yè)物聯(lián)網技術試驗示范建設為重點，進而帶動農業(yè)物聯(lián)網技術的推廣和應用，提高農業(yè)的產出率和土地利用率，提高農業(yè)抗御自然風險的能力。同時，跟蹤國際農業(yè)物聯(lián)網發(fā)展前沿和動態(tài)，提高農業(yè)現(xiàn)代化水平，提高農業(yè)生產的綜合效益。

4 結語

美國《商業(yè)周刊》認為物聯(lián)網是全球未來四大技術產業(yè)之一，是21世紀世界最具有影響力的21項技術之一。農業(yè)物聯(lián)網技術的應用是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要，也是未來農業(yè)發(fā)展水平的一個重要標志，它將是未來農業(yè)發(fā)展的方向。它必將提高全球農業(yè)產品的數量和質量，提高農民的收入，增強食品安全，實現(xiàn)農業(yè)自動化、智能化，使人類從繁重的勞動中解脫出來，從而徹底解放生產者，形成以人為本的生產方式，提高全人類的生活質量。2009 年10 月24 日中國的第1 顆物聯(lián)網的中國芯“唐芯一號”芯片研制成功，在一定程度上表明了中國已經攻克了物聯(lián)網的部分核心技術。正是由于這些關鍵技術的蓬勃發(fā)展，才使得物聯(lián)網應用于現(xiàn)代農業(yè)得以實現(xiàn)。中國有堅實的技術和知識基礎，農業(yè)生產設備數學化、自動化和智能化程度也越來越高。盡管物聯(lián)網在農業(yè)中的應用還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，相信隨著各種技術的不斷發(fā)展，農業(yè)智能生產時代也會距離人們越來越近。

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