作物生長環境監控物聯網系統應用

中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所其前身為1953年成立的中國科學院地球物理研究所華北農業科學研究所農業氣象組。研究所圍繞農業氣象學、農業水資源學、農業生態學和農業環境工程四大優勢學科體系，在農業氣象災害防御、氣候變化及農業影響、農業環境保護、種養殖業環境工程、農業信息技術等科學技術領域具有很強綜合實力和競爭優勢。在“十一五”期間，研究所的綜合實力在全國農業科研院所中排名第17位、在農業部部屬研究所中排名第7位。從上個世紀70年代末開始，研究所開展了農業信息技術應用研究，是國內開展計算機農業應用、設施農業環境控制、農業專家系統和農業物聯網技術研發及應用的早期探索和實踐者，2009年開始，主持承擔了由農業部啟動的首個農業物聯網應用研究項目，并開始在全國糧食主產區開展作物與災情監控物聯網的研究與建設。在優勢學科領域共獲得國家科技進步獎7項，省部級獎12項，為我國農業可持續發展做出了應有的貢獻。

近三年在作物生長環境監控物聯網關鍵技術研發與推廣應用方面累計投入專項資金466萬元（其中2014年投入116萬元、2015年投入154萬元、2016年投入196萬元）。累計獲軟件著作權26項、授權專利12項、發表學術論文30多篇。農業物聯網關鍵技術研究成果及其應用于2014年獲中國產學研合作創新獎，2015年獲評全國農業農村信息化技術創新示范基地單位（見圖1）。

主要做法

一、案例實施背景

2009年開始在全國糧食主產區開展作物與災情監控物聯網建設。基于本案例的作物生長環境監測物聯網關鍵技術，先后建設完成了全國小麥苗情監控物聯網、農業部農業環境重點實驗室物聯網、北方果樹霜凍害監測物聯網、設施園藝作物監控物聯網等項目。本案例在研發和推廣過程中，通過產學研結合，將研究成果進行轉化應用。該系統由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所進行總體設計與研究，聯合清華大學、北京農業信息技術研究中心等單位進行合作研發，聯合北京愷琳科技發展有限公司等單位進行開發與生產，聯合全國農業技術推廣服務中心和多個省農業技術推廣總站、省農業科學院等用戶進行成果的示范應用，實現了產學研的高效結合。以農業物聯網關鍵技術為核心基礎，研究所先后與黑龍江省農科院合作共建了黑龍江省農業環境物聯網中心、與河南農業大學簽訂了農業物聯網技術創新合作協議、與黑龍江省遜克縣、河南省滑縣、河南省長葛縣政府簽署了智慧農業建設戰略合作協議。為農業信息化與智慧農業的落地發展做出了應有的貢獻。

二、建設內容

1，農業環境監測物聯網應用體系規范與標準建設

參照當前物聯網的主流架構體系，制定建立了完整的農業環境監測物聯網應用體系規范與標準（見圖2所示）。系統設計體現IaaS（架構即服務）、SaaS（軟件即服務）、PaaS（平臺即服務）的思想。體現云計算、云服務的理念，設計構建面向全國學科體系內管理部門、科研機構、農技部門和農戶等用戶提供共享的、可定制的、隨時隨地按需訪問的農業環境數據服務，為開展長期科學實驗和技術推廣示范積累科學數據、提供應用和服務資源。基于嵌入式系統和網絡技術，開發了兼容多中通信協議的網絡監控裝置：具有節能、接入多種傳感器、本地存儲數據、多和斷點續傳的功能。可對農業環境數據，現場圖像與視頻實時監測、管理，并實現信息共享。系統可進行實時數據監測、歷史數據查詢、數據診斷、數據分析與對比、圖像查看、圖像對比分析以及視頻監控等。

2，全國代表性區域監測站點建設

“十一五”期間主持農業行業科技專項“小麥苗情數字化遠程監控與診斷管理關鍵技術（200903010）”等項目，針對農業環境、農情（墑情、苗情、災情等）進行遠程監控預警技術和新產品的研發，率先在黃淮海、東北、長江中下游和西部地區開展小麥和玉米等作物的低溫災害防控實驗，應用物聯網監控技術，集成化控技術和多種農藝管理措施，建立了集成監測預警、災情診斷、調控管理于一體的智能化遠程管理系統。特別是農業物聯網關鍵技術方面，研究所率先提出并實施農業物聯網研究與應用，并取得了諸多研究成果。截止目前針對我國糧食主產區代表性生態區域已初步完成了20多個省份多個主要農作物生長環境監測基礎站點建設（見圖3、4）。與多家科研院所、大學、農業技術推廣部門，建立了長期穩定的合作關系，構建了具有一定覆蓋面的全國主要作物監測站點和監測網絡。

3，全國主要農作物監測物聯網中心平臺建設

針對基于田間尺度的農作物生長自動監測與診斷分析方法與技術的研究，著重研究了如何通過優化集成現代傳感技術、網絡信息技術、移動互聯網絡等物聯網關鍵技術，構建能夠跨區域、多監測點互聯的農業氣象災害智能監測網絡。針對主要大田作物生長狀況和所遭受的常見災害作為監測分析目標，在監測區域內構建無線傳感器自動監測網絡，對監測區域內農田小氣候和作物生長狀況信息實時監測、遠程發送至監控中心平臺，初步構建了主要農作物監測物聯網體系，實現實時接收監測現場數據、動態識別分析與判斷處理農作物災情信息。

尤其在農業部行業科研專項“小麥苗情數字化遠程監控與診斷管理（00903010）支持下，基于物聯網理念，已初步構建覆蓋我國四個小麥生態類型區（東北、西部、黃淮海、長江中下游地區）的小麥苗情監控物聯網，截止目前已完成構建上百個小麥苗情監控站點（見圖5-8）；開發基于云服務的苗情監控網絡與管理系統，為小麥苗情診斷管理提供科學依據和技術支撐。該項農業物聯網應用解決方案和關鍵技術，同樣可應用在其它作物和農業生產領域的物聯網體系建設與決策管理研究應用中。

三、解決的主要問題及方式

通過該系統，可實現農業現場各種氣象與環境數據、圖像視頻的實時采集與遠程傳輸，使用該設備，用戶可進行遠程監控和管理，可提高農業環境監測水平，提高農業環境監測數據的時效性，便于生產者及時掌握農作物、園藝作物、蔬菜、果樹生長動態與災害發生發展情況并進行快速的監測、診斷和預警。

將上述關鍵技術與系統進行擴展和升級，即可應用于更多其它作物的監測和管理過程中。

經驗效果

一、帶動了科技進步

通過全國農業環境精準監測與調控管理技術在全國更大范圍的應用，可大幅度提升全國重點區域關鍵信息的精準快速監控能力，提供信息服務針對性更好，代表性更高，時效性更快，精準性更高，智能診斷與管理決策更綜合全面。通過物聯網的平臺應用，立足局地，面向全局，把握整體。通過融合環境和生物，土壤和氣象等信息為一體，農業環境學科領域科研人員、決策管理部門和農戶不僅能夠實時掌握全國范圍農業環境與作物生長數據信息，而且實現科研進展和研究成果的共享，全面提升國家農業生產決策管理能力和科技綜合實力。同時，通過設施農業自動控制技術的應用，可節水、節電，提高能源利用率，達到節能減排的目的。

二、帶來了顯著的經濟效益

目前，已經開展了大量的作物與災害監控物聯網試驗基地、示范基地等輔助監測點的建設工作，通過監測點的示范作用，農業生產節約成本2%-5%，節約人力5%，增產2%，減少損失3%。已成為所在區域作物生長監測管理與生產服務的重要信息來源之一，為保障我國糧食安全提供了有力的技術支撐。本模式目前已經成功轉化為實用技術，獲得了社會的認可，本模式的應用大大提高了作物與災害監控的精準水平，通過輕簡化監測技術的應用，提高了工作效率，減少了勞動力投入，而且監測結果更客觀、便捷、準確。

三、提高了防災減災服務能力

在全球氣候變化和農業減災頻發、農業環境污染問題愈加重要的情況下，一旦發生重大農業天氣自然災害、農業環境污染等突發農業生產問題，利用初步構建完成的覆蓋全國農業環境和作物苗情監測試驗站的監測物聯網體系，第一時間監測和掌控災害發生程度和變化趨勢，為提供科學防控技術措施和政府管理部門采取有效應急預案提供第一手的數據資料和技術保障。本系統在重大的災害和極端事件監測預警中發揮了積極的作用。例如：在2010年春季嚴重低溫災害和2011年春季干旱中，各地區如甘肅、河南、安徽等主要麥區，基于監測數據，及時為當地政府相關部門提供了第一手監測數據，為技術部門指導生產和行政部門決策提供技術支持，在防災減災決策管理過程中發揮了重要的作用。通過準確監測苗情，分類指導，科學管理，為保障農業生產持續增收、高產穩產均發揮了積極的作用。