物聯網技術在“智慧農業”中的應用及模式探研

張珊珊

?

物聯網技術在“智慧農業”中的應用及模式探研

張珊珊

摘要：在“智慧農業”的推進中，物聯網技術是基礎，也是促動力。從國內“智慧農業”的發展現狀來看，物聯網相關技術的研發、鋪設、應用和推廣已經取得了基礎性成效，要大規模、集約化、優質高效地使用，還需要對“智慧農業”物聯網技術進行系統規劃和管理，以高新技術為基礎，以創新模式為路徑，注重“智慧生產”、“智慧管理”、“智慧交易”、“智慧服務”幾個方面的協同發展。

關鍵詞：物聯網；智慧農業；應用

一、“智慧農業”與“物聯網”

(一)“智慧農業”的核心因素

“智慧農業”是農業信息化經歷了電腦農業、數字農業、精準農業[1]后的現代農業形態，是信息技術發展到一定階段的產物。它融合了所有農業產業的特征屬性，利用物聯網、云計算、3S等信息技術，將農業產業全鏈條視作可循環整體系統，產前實現精準化種植、放養等，產中實現智能化感知、預警、監控、管理和決策，產后實現智能化銷售和電子化交易。

“智慧農業”的核心因素和動力在于對“智慧”內涵的界定，它有兩層不可或缺的意思：第一，科技創新，這是“智慧”的基礎和條件，科技進步和創新所帶來的農業產業要素的變革和結構調整，是“智慧農業”全面發展的前提；第二，人文創新，這是“智慧”的動力和職責，人文創新在當下就是低耗、環保、優質、貼心的新型管理理念和模式，它是“智慧農業”的核心促動力。

所以，“智慧農業”中既有“物”的智能，也有“人”的智慧，這都與物聯網技術有著極為密切的聯系。

(二)物聯網

物聯網(Internet of Things)，也稱“IoT”，是通過智能傳感器、射頻識別、激光掃描儀、全球定位系統、遙感等信息傳感設備及系統和其他基于物—物通信模式的短距無線自組織網絡，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種巨大智能網絡。[2]它可以實現物與物、物與人、人與人之間的信息交互傳播。

在我國政府對農業經濟的重視和政策推動下，“物聯網”自從被提出以來，在農業領域就發揮出先導性作用。從3S技術(RS、GIS、GPS的總稱)對農業環境的全天候、連續性定位與監控到建立種植、生產、加工、銷售等各個環節的數據網絡與數據庫，再到如今全鏈條式智能管理和決策，物聯網技術已經打破了農村產業的傳統結構，成為農村經濟發展的新引擎，促使“智慧農業”往更高效、優質、生態的方向發展。

二、物聯網技術在“智慧農業”中的應用

目前“智慧農業”中的物聯網技術可分為三種類型：傳感器技術、信息傳輸技術和信息決策技術。

(一)傳感器技術

用作農業的傳感器技術是“智慧農業”的技術基礎和保障，它實現了信息的即時采集、記錄和傳輸，使農業設備和裝備智能化?，F行國家標準 《傳感器通用術語》 (GB/T7665—2005)中對“傳感器”的定義為: 能感受規定的被測量，并按照一定規律轉換成可用信號的器件或裝置。通常由直接響應被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件及相應的電子線路組成。[3]當下被重點關注和投入使用的傳感器技術有：MEMS 微傳感器技術、光纖傳感器技術、高光譜檢測分析技術以及仿生傳感器技術等。[4]

這些傳感器技術可以實現“智慧農業”全鏈條的數據采集、監測和傳輸。在產前階段，對農業環境以及種苗選育等進行全方位數據采集和對比。比如檢測空氣、溫室氣體中的O2、CO2、CH4、C2H4等的濃度，監測土壤的溫度、濕度、水分、肥力等，保證環境條件達到種植、放養和培育的最佳狀態，GPS導航精量播種，精確田間管理；在產中階段，采用RFID(射頻識別)、GIS(地理信息系統)、GPS(全球定位系統)等技術，對動植物的生長狀況，活動位置，疫病預警、治療和監測，災害的預警和防治等信息及數據進行全天候、即時性的反饋、分析和記錄；在產后階段，對采摘、收獲、出欄、加工等過程進行持續性數據采集，為之后的銷售和交易鏈條提供信息。

可以說，傳感器技術是“智慧農業”數字化、精準化、智能化的最關鍵因素。

(二)信息傳輸技術

傳感器技術的成熟和鋪開依賴于穩定的信息傳輸技術，目前主要是WSN(無線傳感器網絡)技術在“智慧農業”中的廣泛應用。WSN技術將物理世界與信息世界融為一體，以數據為中心，實現物與物、物與人的全新交互。傳感器網絡通常由隨機部署在感知區域的大量資源受限的節點組成。這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息，觀察者可以隨時對任意地點的數據進行采集、處理和分析。[5]

而WSN網絡中的關鍵技術——zigbee無線技術更是具有成本低、易安裝、自組織、低功耗等特征，已被眾多企業視作搶灘“智慧農業”領域的利器，它不僅能夠實現多設備之間的數據交互傳遞，還能夠為之后的信息決策環節提供最原始和透明的數據信息。

(三)信息決策技術

信息決策技術是指借助技術進行數據和信息的自動處理和分析，幫助人實現最優決策計劃的制定和部署，這是“智慧農業”的本質特征，也是最關鍵的組成部分，它涵蓋了物與物、物與人、人與人的所有交互方式。這里主要包括云計算、ES(專家系統)、DSS(決策支持系統)及農產品溯源系統等。

云計算，這種通過分散式資源池分布結構來存儲、共享和發布資源的技術，在“智慧農業”中體現出的最大優勢就是集中處理和存儲海量的傳感器網絡所傳遞的感知信息，高速高效，為信息決策者提供直接性的可利用資源。

ES(專家系統)是一種將領域內專家的思維方式和思考模式，解決問題的方法以及系統性、科學性的處理策略存儲于計算機中，使之成為一套高智能程序系統。在“智慧農業”中，數據分析難點和問題將會即時反饋到農業專家系統，在程序內部就可以得到解決和處理，優質高效，節省人力。

DSS(決策支持系統)是一種較為高級的信息管理輔助性技術，通過人機交互，幫助決策者獲取有關信息的關鍵數據，提供分析路徑和模型，模擬處理方案的環境等等。在“智慧農業”中，決策支持系統可以應用在大面積植物栽培，大型養殖場的監控和問題處理，節水型灌溉、環保型施肥等方面，幫助決策者快速處理海量數據，并協助提供最優方案，模擬實施過程及結果。

農產品溯源系統，是指利用網絡技術將農產品的生產、加工、物流、銷售等信息進行記錄和存儲，使之能夠在消費終端進行直觀、真實地被追溯和查詢的系統。這里的農產品不僅指農業生產中的初級產品，還包括了對種植業、養殖業、牧業、林業、漁業等農村產業進行初級加工后的所有農副產品。農產品溯源系統較為復雜龐大，前端收集和記錄傳感器技術所產生的有關農產品栽培、放養、選育等相關數據，中端追蹤農產品的生長、收獲、生產、制作、加工等關鍵數據，終端主要是用戶通過掃描二維碼來實現對之前所有數據的追溯和查詢。

由于農產品溯源系統的市場使用成本較為低廉，與消費者發生聯系的途徑更為直接方便，其開發和推廣已經備受企業和政府關注。它的價值不僅體現在能夠替決策者提供更多的生產信息，更重要的是，它將市場信息和消費數據進行全部記錄，為“智慧農業”的大數據管理和運營提供了最有價值的信息(見圖1)。

綜合上述，在“智慧農業”中，所有物聯網的技術應用說到底要實現兩個根本目標：降低農業產業成本，打破傳統農業結構。農業產業的高成本主要體現在：勞動成本過高而效率過低，技術推廣程度低引發的資源浪費和短缺，抗災害和風險的能力較低等等。從這些方面來說，要想實現“智慧農業”，大力推進物聯網技術在農村的發展是非常關鍵的環節。只有讓技術來代替人力進行智能化監控和管理，調整和優化農業產業結構，才能提高生產效率，減少和避免資源浪費，提高防范和抵御災害的能力。當農業產業的整體運營成本降到與城市產業處于同樣的水平線時，城鄉產業的統籌發展和一體化才能夠快速有效地實現。

當前，我國許多省市都開始大力推進物聯網技術的發展和“智慧農業”的試點建設工程，農業物聯網相關技術的研發、應用和推廣等已經取得了基礎性成效。但要在“智慧農業”中大規模、集約化、優質高效地使用，只關注技術的創新和成長遠遠不夠，還需要對物聯網技術在“智慧農業”中的應用模式和運營方法等進行深入探討。

三、物聯網技術在“智慧農業”中的實踐困境及未來發展

(一)“智慧農業”的制約瓶頸

“智慧農業”的全面和深度發展離不開物聯網技術的成熟和推廣，從當前國內一些“智慧農業”試點來看，反映出的首要問題是：沒有把物聯網技術在農業上的應用量化在經濟指標上。[6]換言之，盲目的技術崇拜導致不計成本的投入，而缺少標準化、規范化，項目層次普遍偏低的示范對物聯網技術的推廣作用并不太大。所以，需要對“智慧農業”物聯網技術進行更為科學、規范、標準的管理和評估。

農業物聯網的基礎設施投入有幾大特征：投入量大、范圍廣、較集中；一次性資金投入數額大；效益回報周期長；操作人員需專業等。但在當前，農村產業多屬小規模的分散經營，并且資源分布不均，硬件基礎設施質量普遍較低，資金投入的渠道較為有限，農戶的科技文化水平較低，這些都成為“智慧農業”發展的瓶頸。

除此之外，我國農業物聯網技術本身也存在諸多問題：大多只在實驗室操作，屬于概念性技術，與真正的農業環境進行對接還存在難度，實際應用性還有待提高；傳感器技術沒有能夠實現全方位，目前的主要應用是在感知空氣濕度、溫度，土壤水分、肥力，水資源的成分分析等方面，而對于生物體自身生長信息的感知以及其他環境因子的監測還有欠缺，再加上研發力度不夠，造價普遍偏高，不利于大面積推廣，操作不夠簡易化，農戶使用難度較大；無線傳感器網絡的容量、通量還不夠，處理速度較慢，短距離無線通信技術仍是當前的攻關難點；信息決策系統的相關技術模型不夠成熟，使用率不高，運作的模式、方法都有待創新。

物聯網在“智慧農業”中的推廣和提升是個復雜的系統工程，因此需要在三個層面協同發展：第一層面是“物與物”的靈敏通信，需要在電路、通信等模塊對技術功能，尤其是核心技術進行研發和投入；第二層面是“物與人”的即時交互，能夠方便使用者和決策者全天候及時掌握各類數據信息，并解決傳輸速度和處理效率等問題；第三層面是“人與人”的開放式傳播，通過物聯網和云服務平臺，人與人可以實現信息、資源的共享，這是“智慧農業”發展的驅動力。這些都是“智慧農業”物聯網技術發展過程中必須要扎實解決的問題。

(二)發展模式

發展“智慧農業”，不僅需要技術的成熟和完善，也要依靠管理模式的創新，其發展方向和突破口，就在對物聯網技術的綜合運用和管理模式上。從整體來看，物聯網技術把“智慧農業”分解為幾個有機組成部分：智慧生產、智慧管理、智慧交易、智慧服務。每個部分的信息和數據都是交互傳播，并成為農業大數據網絡中的動力因子。如何將這幾個部分有機組合在一起，并采取合理的模式使其良好運行，是用好“智慧農業”物聯網技術的關鍵。

智慧生產，其目的是利用物聯網技術對農產品的質量進行源頭性保障。智慧生產首先要依靠政府的扶持、引導和推動，比如，加快農村地區信息基礎設施建設步伐；加快對物聯網技術研發的投入速度；加深各級政府部門及社會各界對“智慧農業”概念的理解深度；積極推進對農戶的觀念引導和技術培訓；積極搭建傳感器技術、無線傳感器網絡技術以及信息決策技術等平臺。智慧生產讓農業生產環節的各類基礎性信息和數據能夠被完整、詳細、全面地記錄和使用。

智慧管理，就是對農產品進入生產環節之后所產生一系列數據的管理，包括預警、防范、調度、控制、異常問題的處理和指揮等。智慧管理的關鍵在于及時分析和處理各類數據，并將傳感器網絡與信息決策和處理網絡進行無縫化連接，讓數據能夠自我管理、自我處理和修復。具體來看，就是要在農村地區積極建設公共信息資源數據庫，推廣各種綜合類信息服務平臺，建立國家、省、市、區(縣)四級農業生產決策指揮調度中心和農業專家系統平臺，[7]將技術與實際問題和需求緊密結合在一起。

智慧交易，這是實現“智慧農業”市場價值的重要環節，包括利用物聯網技術跟蹤、記錄、監測、查詢和反饋農產品的出入庫、物流、入市渠道、銷售方式、售后市場反應等一系列數據。當前，應盡快搭建和完善農產品供求鏈條的智能模型和電子商務平臺，尤其要大力推進農產品溯源系統的建設，降低農村產業的運營成本，細化和提升城鄉產業銜接模塊。

我國對農產品的溯源技術研究始于2002年，主要有兩種運作模式：一是政府主導的農產品溯源系統平臺，主要針對生產者、加工者在對農產品和農副產品進行生產加工制作時使用的原料、農藥等進行追蹤、規范和管制；二是企業主導的農產品溯源平臺，主要針對消費者，技術路線是：消費者利用各種智能終端，對農產品二維碼進行掃描，通過物聯網技術的大數據服務平臺，追蹤和查詢產品整個生命周期、物流及交易過程中的相關數據和信息。這兩種技術和模式相比較而言，后者顯然更具市場活力和創新能力，可以廣泛推動各類生產要素的整合、社會資本的流動和增值、技術的更新和應用、市場誠信體系的成熟和完善，是“智慧農業”中最具盈利前景的方向之一。

智慧服務，就是對上述所有物聯網技術所提供的數據進行歸類和整合，形成巨大的農業資源數據庫，能夠為以后的生產、管理、交易、投資等行為提供最優方案和戰略。推動智慧服務主要有兩種路徑：一是政府的扶持、引導和推動；二是企業、社會團體及個人的關注和投入。前者是支柱性力量，要利用政策杠桿向“智慧農業”物聯網技術和運營模式進行資金、技術、人員的扶持和傾斜；要多部門聯動，帶頭鼓勵社會組織、企業單位進行農業產業的科技創新、模式創新；制定農業物聯網技術應用標準，比如：農業傳感器及標識設備的功能、性能、接口標準，田間數據傳輸通訊協議標準，農業多源數據融合分析處理標準、應用服務標準，農業物聯網項目建設規范等，[8]推動“智慧農業”全面健康發展。

從國內試點來看，農業大省新疆在大力發展“智慧農業”物聯網技術和模式創新方面取得了巨大成效。新疆地方政府大力倡導“智慧農業”的概念，尤其新疆建設兵團不僅利用物聯網技術集中分析和管理當地的優勢和有限的農業資源，采用規模大、效率高、技術較為成熟的傳感器技術，牢牢抓住“智慧生產”這一基礎環節，并不斷引導和提高農戶的觀念和意識；在新疆呼圖壁縣紅柳塘示范園區，棉花種植采用先進的智能專家系統和專家智慧庫等技術，切實做到“智慧管理”；在“智慧交易”方面，政府積極搭建信息交易服務平臺，緊跟市場，解決農產品信息發布和質量溯源等問題；新疆昌吉國家農業智慧園區重點建設了“123工程”，即：打造1個門戶(新疆昌吉國家農業信息化綜合服務網)，建設2個中心(數據中心、展示中心)，構建3大平臺(農業資源管理平臺、電子商務平臺、綜合事務管理平臺)，在“智慧服務”的模式探索方面走在前列。

“智慧農業”物聯網技術要因地制宜，根據各地的信息基礎設施、產業資源、物流成本、市場需求等條件來決定技術應用的種類和層次。在操作模式上，要逐步將政府的推動力量由主力變成助力，逐步完善土地流轉等制度，加深政企合作的力度，搞活“智慧農業”的市場競爭機制，鼓勵企業及相關研究單位進行人才培養和科技創新，共同推進“智慧農業”的科學、全面、健康發展。

參考文獻：

[1]李道亮. 物聯網與智慧農業[J]. 農業工程，2012(2):1-7.

[2]TU互聯網報告2005: 物聯網[R].國際電信聯盟(ITU)，2005.

[3]徐開先. 實用新型傳感器及其應用[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社，1995：52．

[4]孫克，吳海華，雷鵬. 傳感器技術在農業領域中的應用[J]. 農業工程，2015(2):32-35.

[5]羅娟，劉慧中，呂磊，李仁發. 無線傳感器網絡在精細農業中的應用[EB/OL]. http://www.paper.edu.cn.

[6]喬金亮. 物聯網如何和農業更好結合[N]. 經濟日報，2013-11-05(13).

[7]張波.大力推動“智慧農業”發展[J]. 中國政協，2015(7):26.

[8]彭程. 基于物聯網技術的智慧農業發展策略研究[J]. 西安郵電學院學報， 2012(2):94-98.

〔責任編輯：趙曉蘭〕

中圖分類號：F32

文獻標識碼：A

文章編號：1008-6552(2016)01-0015-05

作者簡介：張珊珊，女，講師。(四川師范大學新聞與傳播學院，四川成都，610066)