淺議物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)要求

趙 麗

（工業(yè)和信息化部電信研究院規(guī)劃設(shè)計所 北京 100037）

1 引言

十幾年來，我國的農(nóng)村通信和農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)取得了顯著成就，通過“村通工程”、“寬帶下鄉(xiāng)”及農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)等工程的建設(shè)，大大縮短了農(nóng)村地區(qū)與城市之間的“數(shù)字鴻溝”，加快了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。近年來，“物聯(lián)網(wǎng)”概念的出現(xiàn)令人矚目，在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)信息化成果基礎(chǔ)上，推動物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)概念及體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層3個層面。

·感知層主要完成采集信息、識別物體、感知目標(biāo)等功能，主要由各種傳感器、控制器/執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、智能卡、攝像頭等采集、識別和感知裝置和設(shè)備組成。

·網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)信息的傳送、管控，由電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、其他專用網(wǎng)絡(luò)及深入客戶端的延伸網(wǎng)絡(luò)組成。

·應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件，結(jié)合了數(shù)據(jù)庫、云計算、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括感知技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)以及它們之間的結(jié)合技術(shù)等。目前在我國包括RFID、傳感器等在內(nèi)的各種感知識別技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還比較薄弱，大量需要依賴于國外技術(shù)；通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對較為成熟，目前主要需要解決與感知層和應(yīng)用層的通信接口以及適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳送需求（實時、安全、廣部署）的問題；應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵和核心，目前主要是與行業(yè)需求結(jié)合，形成各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，各種平臺技術(shù)還需不斷完善。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

3 我國農(nóng)村通信及信息化發(fā)展現(xiàn)狀

“十一五”期間，通過整個通信行業(yè)的努力，到2010年底，“十一五”農(nóng)村通信發(fā)展規(guī)劃中提出的“村村通電話、鄉(xiāng)鄉(xiāng)能上網(wǎng)”的目標(biāo)全面實現(xiàn)。全國范圍內(nèi)100%的行政村通電話，100%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)通互聯(lián)網(wǎng)（其中98%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)通寬帶），94%的20戶以上自然村通電話，全國近一半鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成鄉(xiāng)鎮(zhèn)信息服務(wù)站和縣、鄉(xiāng)、村3級信息服務(wù)體系。此外，已有19個省份實現(xiàn)所有自然村通電話，75%的行政村基本具備互聯(lián)網(wǎng)接入能力。“信息下鄉(xiāng)”進(jìn)展明顯，建成“農(nóng)信通”、“信息田園”、“金農(nóng)通”等全國性農(nóng)村綜合信息服務(wù)平臺，涉農(nóng)互聯(lián)網(wǎng)站接近2萬個。建成鄉(xiāng)鎮(zhèn)信息服務(wù)站20 229個、行政村信息服務(wù)點117 281個，網(wǎng)上建成鄉(xiāng)鎮(zhèn)涉農(nóng)信息庫14 137個、村信息欄目135 478個。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用并不是白手起家，農(nóng)村通信和信息化建設(shè)取得的成果為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展應(yīng)用培育了應(yīng)用習(xí)慣，也奠定了一定的通信和信息網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)。

4 物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用需求

目前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題是農(nóng)業(yè)資源不足和農(nóng)業(yè)資源利用效率低的雙重矛盾。我國人均耕地面積不到世界人均水平的1/3，水土流失面積占耕地面積的35%；人均水資源占有量僅為世界平均水平的30%，灌溉水資源利用率不到40%；對于農(nóng)藥、化肥的消耗量占世界的30%，但是農(nóng)藥、化肥的利用率不到30%，不僅浪費嚴(yán)重，還增加了對環(huán)境的污染。因此，要解決農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的諸多問題，就必須加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和創(chuàng)新，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備，提高資源利用率和勞動生產(chǎn)率。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，將通過感知技術(shù)獲取更多的信息，包括作物信息、農(nóng)田環(huán)境信息、農(nóng)機(jī)作業(yè)信息等，通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡(luò)實時服務(wù)，從而提高精細(xì)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實施水平。

農(nóng)業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求發(fā)展趨勢，一是要求傳感設(shè)備必須向低成本、自適應(yīng)、高可靠、微功耗的方向發(fā)展；二是要求傳輸網(wǎng)絡(luò)必須具備分布式、多協(xié)議兼容、自組織和高帶寬等功能特征；三是信息處理必須達(dá)到實時、準(zhǔn)確、自動和智能等要求。

5 物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景

物聯(lián)網(wǎng)在土、水資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程精細(xì)管理、農(nóng)產(chǎn)品與食品安全可追溯系統(tǒng)等方面都有較好的發(fā)展前景。

通過多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合應(yīng)用，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)發(fā)展和資源的可持續(xù)利用。在農(nóng)業(yè)資源利用中，部署農(nóng)業(yè)專用傳感器，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的有效獲取。加強(qiáng)GPS在農(nóng)田耕地的應(yīng)用，支持獲取精細(xì)農(nóng)業(yè)實踐的地理坐標(biāo)信息。研制輕型高光譜、多光譜、成像光譜等高空遙感儀器，通過近地遙感、高空探測、衛(wèi)星遙感等傳感手段獲取耕地利用信息，并將獲取的信息進(jìn)行融合處理。

（2）農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物生長環(huán)境監(jiān)測信息獲取的時效性和準(zhǔn)確性，能夠為農(nóng)業(yè)生態(tài)資源開發(fā)利用與整治管理提供技術(shù)支撐，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)資源利用的可持續(xù)發(fā)展能力。開發(fā)和研制包括大氣信息、土壤信息和水文信息在內(nèi)的環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，以及動植物個體和群體信息監(jiān)測系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)中的作物和動物生產(chǎn)和生長環(huán)境和過程將被感知，作物生產(chǎn)管理將更加精準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程也更加安全可控。

（3）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程精細(xì)管理

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，澆水、施肥、打藥，全憑農(nóng)民的經(jīng)驗和感覺。要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理，就要通過感知土壤、環(huán)境、生態(tài)等信息，通過決策，實現(xiàn)水、肥、藥的精量控制和動物危害行為的預(yù)防，以提高品質(zhì)和產(chǎn)量。

（4）農(nóng)產(chǎn)品與食品安全可追溯系統(tǒng)

當(dāng)前我國農(nóng)產(chǎn)品和食品安全問題突出，安全事故時有發(fā)生，農(nóng)產(chǎn)品和食品安全主要存在生產(chǎn)管理粗放、儲運物流不足、市場監(jiān)管不利等問題，需要在農(nóng)產(chǎn)品及其加工產(chǎn)品的生產(chǎn)管理、流通、產(chǎn)品交易等各個環(huán)節(jié)，廣泛采用電子標(biāo)識、條形碼、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)中間件和網(wǎng)絡(luò)平臺等關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品溯源、儲運、交易信息采集的實時采集和快速處理，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)田到餐桌的全程可管可控，提高農(nóng)產(chǎn)品與食品的質(zhì)量安全。

6 物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感器

農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感器要求具有快速、低成本、低能耗、高可靠性、耐用等特點，并能夠針對植物、動物、土壤、環(huán)境等關(guān)鍵參數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)屬性實時獲取。植物專業(yè)傳感器需獲取的指標(biāo)參數(shù)有：營養(yǎng)指標(biāo)（SPAD、水分、N、P、K、微量元素等）；生理指標(biāo)（蛋白質(zhì)、氨基酸、酶、抗逆境指標(biāo)等）；生態(tài)指標(biāo)（葉面積指數(shù)、植被指數(shù)、形態(tài)、光照、葉溫、水勢、徑（酸堿度）、電導(dǎo)率（含鹽量）、溫度、濕度、N、P、K 等微量元素、有機(jī)質(zhì)、熱通量、張力、堅實度、水勢、重金屬、農(nóng)藥殘留等。環(huán)境專業(yè)傳感器需獲取的指標(biāo)參數(shù)有：溫度、濕度、水分、光照、風(fēng)向風(fēng)力、CO2、有毒氣體等。

（2）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)傳送網(wǎng)絡(luò)

建立農(nóng)業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)傳送網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的讀取、傳輸和數(shù)據(jù)的融合。集成短距離ZigBee、藍(lán)牙、蜂窩移動、衛(wèi)星通信等各種無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)信息的多尺度（個域、視域、區(qū)域、地域）傳輸。大力扶持和發(fā)展TD-SCDMA、LTE等3G/4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和光纖寬帶技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。通信和信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)部署不僅僅局限于“入村”、“入戶”等滿足人的應(yīng)用需求，還要“入田”，滿足農(nóng)作物的需求。

（3）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息處理平臺

將獲取的海量信息進(jìn)行融合、處理，結(jié)合云計算技術(shù)，形成農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，可進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的過程監(jiān)控、“三農(nóng)”信息發(fā)布，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)管理效率以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化服務(wù)水平。農(nóng)業(yè)信息處理平臺主要需要在建立開放性的軟件子模塊、建立通用性的軟件操作平臺、建立共享性的數(shù)據(jù)服務(wù)器、信息處理平臺的管理和維護(hù)以及信息安全的管理和維護(hù)等方面進(jìn)行突破。

7 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，能夠改變粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理方式，提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動生產(chǎn)率，引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。通過資源整合，科技攻關(guān)，加強(qiáng)關(guān)鍵和核心技術(shù)的研發(fā)，突破技術(shù)瓶頸，可有效實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而實現(xiàn)集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必將大力推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。

1 工業(yè)和信息化部電信研究院.物聯(lián)網(wǎng)白皮書，2011

2 李彥，賈曦，孫明.我國農(nóng)業(yè)資源的利用現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展對策.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(32):10 454～10 456

3 孫忠富，杜克明，尹首一.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2010(5):5～8

4 何勇.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題.物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用科技發(fā)展戰(zhàn)略高層研討會，北京，2010

5 邢曉江，王建立，李明棟.物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)及關(guān)鍵技術(shù).中興通信技術(shù)，2010,16(2):27～30