國外農業物聯網技術發展及對我國的啟示

□ 唐 珂

國外農業物聯網技術發展及對我國的啟示

□ 唐 珂

隨著信息技術和計算機網絡技術的發展，物聯網已經走進了農業生產的各個領域。國際電信聯盟認為，物聯網是通過智能傳感器、射頻識別（RFID）設備、全球衛星定位系統（GPS）等信息傳感設備按照約定的協議，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、監控和管理的一種網絡。近年來，隨著現代農業自動化需求的不斷增長和信息技術的發展，農業物聯網在物理感知、數據傳輸、智能處理、應用服務等領域取得了重要進展。

近年來，世界農業物聯網技術不斷發展，在農業物聯網感知技術、數據傳輸技術、智能處理技術等方面取得了很大的進展

一、農業物聯網感知技術取得重要進展

隨著傳感技術、數字技術、互聯網技術的快速發展，采用新材料、新機理、新工藝的新型傳感器不斷涌現，實現了高靈敏度、高適應性、高可靠性并向嵌人式、微型化、模塊化、智能化、集成化、網絡化方向發展。美、德、日等工業發達國家在傳感器技術與制造工藝方面處于國際領先地位。從近兩年國際工業展覽會展出產品和國際知名廠商技術發展狀況分析可以看出，傳感器技術的發展趨勢是：數字補償技術、網絡化技術、智能化技術、多功能復合技術。同時技術參數指標更加嚴格，制造工藝更加精細，補償工藝更加完善外觀質量更加精美。

從國際整體發展狀況來看傳感器技術主要有以下幾方面的發展趨勢：

一是本身變革的個方向：微型化、智能化和可移動性；

二是運用新原理、新結構、新材料，以實現微功耗、低成本、高可靠性等參數指標的提升；

三是研發更高技術和創新類產品，并重視產業化技術，如地震、颶風等自然災害預報與監測類傳感器產品。

（一）農業傳感器微型化取得成效。納米傳感器有望為糧食問題做貢獻。英國環境、食品和農村事務大臣希拉里本表示，納米技術將具有真正的潛力，幫助滿足人口快速增長的對世界糧食的需求，它不僅將使包裝食品的保存時間大大延長，還能促使作物的生長。在美國還有多項試驗考察研制納米傳感器，這種可植入牲畜體內的傳感器能夠在疾病感染整群牲畜之前將其檢測出來。納米技術在納米水平上取得的新突破有助于研制出用于防止食品和飲料受到致命細菌污染或阻止氧氣進人容器內的塑料包裝。該技術還將用于豐富食品的營養并保持食品中通常會隨時間流失的維生素含量。農民還可利用該項技術確保在恰當的時間為作物緩慢地釋放化肥，積極探査來自病蟲害或污染物的威脅。

美國制成新型生物傳感器。美國普渡大學等機構的研究人員制成了新型生物傳感器，能夠探測出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。該項技術無需過于繁復的生產步驟，從而可降低傳感器的制造成本，并可能幫助消除或降低利用針刺進行糖尿病測試的幾率。相關研究論文發表在《先進功能材料》雜志上。新型生物傳感器包括3個主要部分：石墨烯制成的納米片層、鉑納米粒子和葡萄糖氧化酶。其中的納米片仿效微小的玫瑰花瓣每片花瓣上均包含著多個堆疊的石墨烯層。花瓣的邊緣也懸掛著不完整的化學鍵使鉑納米粒子可以附著在這里。納米片和鉑納米粒子相結合能夠形成電極，隨后葡萄糖氧化酶也可附著在鉑納米粒子上。酶能將葡萄糖轉化為過氧化物，并且在電極上產生一個信號。通常情況下在獲得具有納米結構的生物傳感器成品前需要經歷復雜的處理步驟，其中包括光刻、化學處理、蝕刻等。而這些納米片花瓣的好處就是，它們能夠在任一表面上生長，也無需經歷這些步驟因此可稱得上是商業化的理想選擇。這種探測器能探測到濃度為0.3微摩爾的葡萄糖，比其他基于石墨烯、碳納米管或金屬納米粒子等材質的電氣化學生物傳感器更為敏感。這項技術有望在農產品葡萄糖含量精確檢測中推廣應用。

（二）農業傳感器智能化獲得突破。德國開發出可聞出水果成熟度的儀器。德國弗勞恩霍夫分子生物學和應用生態學研究所日前發表公報說，該所研制了一種特殊的儀器其核心技術是用金屬氧化物氣敏傳感器去檢測水果釋放出的特殊氣味，最后分析判斷出水果的成熟度。這種儀器的具體工作過程是，先用高分子分離柱將待測水果的氣味提純再讓帶有這一氣味的氣體通過溫度達300～400℃的傳感器，使其內的金屬氧化物與氣味進行反應最后儀器根據反映狀態自動分析出水果的成熟度。初步試驗顯示，這種儀器與食品實驗室中專用測量儀的檢測效果一樣精確。利用這種儀器，大宗水果批發商將可以直接在倉庫中高效監測計劃出售水果的成熟度。

美國科羅拉多大學的科學家日前研制出智能微芯片，可置于植物葉片上，這種智能芯片類似夾式耳環，比郵票還要輕薄，貼在植物葉片上，當植物需要水時，會向農戶的手機發送信息需求。采用此法可以省水省時省錢，可減少植物生長所需的10%～40%的水量，每年為農戶節省幾千美元。

（三）農業傳感器可移動化成為主流方向。韓國研究人員日前宣布，他們發明了一種小型生物芯片傳感器，可快速、準確地對食品和環境污染進行檢測。韓國生命科學和生物技術研究所的研究人員研發的生物芯片傳感器利用表面等離子共振技術，即通過接收被掃描物體表面反射的激光共振信號來辨別分子層的結構，從而檢測被測對象的DNA和蛋白質是否受到污染。這種便攜式新型裝置可進行“即時檢驗”，大大提高了檢測效率。

美國專家研究RFID和傳感器保障農業食品安全。美國幾家大學組成的研究團隊在美國農業部國家食品安全資金項目支持下，預計用3年時間研究采用感應器追蹤供應鏈中多葉綠色蔬菜溫濕度狀況。研究人員將在運輸卡車內的農產品貨箱里安裝感應器，監測溫濕度水平，波動的發生時間以及它們如何對零售的農產品上的大腸桿菌或其他病原體的產生可能造成的影響。研究人員還希望利用研究結果為包裝、配送專業人士提供培訓，通過監測運輸和配送過程中的新鮮食品，防止食源性致病菌的產生。

從國外傳感器產業化技術成熟性角度分析來看，主要呈現出以下主要發展特征：

第一，重視基礎技術、基礎工藝和共性關鍵技術的研究，保證基礎技術與基礎工藝處于世界領先地位。

第二，重視制造工藝技術和裝備研究與應用。配置優良的工藝裝備和檢測儀器，特別是智能化工藝設備確保工藝裝備的先進性。

第三，重視新產品和自主知識產權產品的開發，增強核心競爭力。瞄準全球傳感器技術和市場的發展潮流與戰略前沿，確定研究課題和產品開發方向。

第四，重視傳感器的可靠性設計、控制與管理，嚴格設計符合性控制和工藝可靠性控制，有效地提高產品生產成品率。

第五，重視市場競爭，加強市場調查與分析，快速響應市場。注重市場競爭中的個性化服務特色，響應及時，品質優良，性價比高。

第六，重視產品技術標準熟悉系統信息采集過程中，上下游接口聯接的各項標準的完整性、統一性、協調性。

正因為如此，國外傳感器產品品種繁多，規格齊全，集成化與模塊化結構性能強，產品內在與外觀質量并重。市場配套與服務能力較強，不斷把新技術運用和市場競爭推向新的高度，使同類產品不僅具有在靈敏度、精度、穩定性和可靠性等指標上的競爭，在新材料應用、生產制造工藝與產業化技術水平上，也同樣形成了明顯的競爭優勢。

二、農業物聯網數據傳輸技術快速提高

無線傳感網節點作為一種微型化的嵌入式系統，具有端節點和路由雙重功能：一方面實現數據的采集和處理；另—方面將數據融合經多條路由傳送到路由節點，最后經互聯網或其他通信網絡傳送到觀察者。

（一）傳感、計算、通訊集成的數據傳輸技術得到發展。國際上，無線傳感網節點經過COTS、weC、Rene、Dot、Mica、Spec幾代的發展，目前Spec所有器件都集成在CMOS芯片中，實現了傳感、計算和通訊功能。而Mica系列節點和Telo節點應用最為廣泛，如大鴨島海燕生活習性和棲息地環境的監測，紅杉樹微氣候環境監測都采用了Mica系列節點，用于采集溫度、濕度、大氣壓強、聲音和光照等信息。目前許多研究機構在構建低帶寬數據采集的應用中都采用了這兩種節點作為硬件平臺。

美國加州大學伯克利分校將若干節點布置在一棵紅松上用于觀測紅松的生長狀況。因特爾在俄勒岡州建立了世界上第一個無線葡萄園，無線傳感器網絡分布在葡萄園中，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度，監測節點區域的溫度或該地區的有害物質數量，確保葡萄健康成長。勞爾·莫賴斯（RaulMorais）等開發了一種ZigBee多電源供電的無線裝置，用以在葡萄園中協助對葡萄白粉病的預測。該系統使用JN5121作為通信模塊，為解決傳感器節點的能量消耗問題，采用風能、水能、太陽能供電，但也因此造成節點體積過大，不便于安裝。洛佩斯·里克爾梅（LopezRiquelme）等在西班牙南部半干旱地區穆爾西亞的生態園藝企業內進行了WSN部署試驗,采用3種不同類型節點部署方案在生態園中用于監測土壤質量（含水量、溫度）、作物生長環境（空氣溫濕度）、水質（鹽度、溫度）王寧（NingWang）等將無線傳感器網絡在精細農業中的應用概括成了4個方面：空間數據采集、精準灌溉、變量作業、提供數據給農民。

（二）近距離無線傳感網絡實現路由算法動態化。無線傳感網節點一般由處理器、無線傳輸、傳感器和電源模塊等單元組成。節點芯片方面，國外產品普遍采用通用超大規模集成電路片上系統（SoC），構成了無線傳感器網絡的基礎層支撐平臺。而Berkeley2003年發布Spec傳感網節點，將8位處理器、900MHZ無線發射器、3kRAM、通信、8位模數轉換器、溫度傳感器和TinyOS操作系統全部集成在一個2mm×2.5mm的CMOS芯片中，實現了傳感、計算和通訊功能。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

無線傳感器網絡技術集傳感器技術、微機電系統技術、無線通信技術、嵌人式計算技術和分布式信息處理技術于一體，具有易于布置、靈活通信、低功耗、低成本等特點，將其應用于農業環境監測領域已成為目前無線傳感器網絡的研究熱點之一。

近年來，由于嵌入式計算技術、網絡通信技術、節點節能等技術的發展，也給無線傳感器網絡技術帶來了歷史性的變革。1993年美國加州洛杉磯分校（UCLA）與羅克韋爾科學中心合作成立了“繼承的無線網絡傳感器”（WINS）計劃，該計劃的主要目的是在現有的無線傳感節點基礎上，增加低功率電子技術和MEMS技術，在大大降低無線傳感器節點能耗的同時提高了無線傳感節點的測量精度。1999年，美國加州大學伯克利分校的簡·M·羅貝開始了PicoRadio計劃，以支持“由自成體系、中等尺度、低成本、低能耗的傳感和監視節點組成Ad hoc（點對點）形式的無線網絡”的需要。美國、日本、以色列等國家一直致力于使得傳輸節點的集成化與小型化、網絡的動態自組織、信息的分布式處理與管理的發展。

三、農業物聯網智能處理技術取得重要進展

農業物聯網智能處理技術對數據進行預處理、存儲、索引、查詢、智能分析計算。主要技術包括大數據處理技術、數據挖掘技術、預測預警技術、人工智能技術等。在世界范圍內已經得到了廣泛的研究。

（一）流數據實時處理技術在農業物聯網得到廣泛應用。由于各種傳感器等新型物聯網設備的普及使用，大數據呈快速爆發之勢，根據IDC（International Data Corporation）預測，到2020年，預計全球所管理的數據將達到35ZB。世界各國積極投入大數據潮流，2012年3月美國發布“大數據研發計劃”，基于大數據推動科研和創新，隨后英國、日本、德國、加拿大等國紛紛仿效推出了大數據應用相關的戰略研究。隨著氣象災害、生物基因以及資源環境等大量非結構化和半結構化數據的急劇爆發，農業領域也進人了大數據時代。而要從體量巨大、種類多樣的農業大數據中去粗取精、去偽存真傳統的存儲和計算很難做到，所以大數據的處理分析迫切需要從處理結構化數據向處理非結構化數據、從處理單一數據集向迭代增長數據集、從批處理向流處理、從集中式分析向分布式分析、從驗證性分析向探索性分析轉變。

由于物聯網傳感器具備小時不間斷監測的特點，每個傳感器都會產生大量的數據，因此物聯網技術的應用將會產生大量的不間斷數據流。對這些數據進行有效和高效的管理成為后續數據智能分析、數據應用服務的重要前提。在大數據處理技術上，美國巳經進行了大量的研究工作。美國政府將大數據處理技術作為戰略性技術進行大力發展，結合政府、科研機構和非政府組織的力量進行大數據處理技術研究。公司開發了大數據平臺，可以有效地進行數據管理，高效整合管理不同的數據類型，實現大數據環境下的數據流計算、數據倉庫和信息整合。其開發的Infosphere Stream系統支持連續分析海量流數據，幫助用戶快速獲取、分析和關聯多個實時源的數據，實現數據處理的快速響應，集成應用程序，支持結構化和非結構化數據源；IBM Infosphere Warehouse提供了一個綜合數據倉庫平臺，支持實時訪問結構化和非結構化的數據。

（二）分布式數據處理技術得到快速發展。近年來，以色列在存儲研究方面取得了一定的進展。以色列存儲和數據保護廠商CTERA Networks研究了集成存儲服務網絡附加存儲的存儲設備和方法，涉及一個網絡附加存儲設備，用來執行基于存儲服務的網絡附加存儲操作。該設備包含至少一個網絡控制器用于局域網客戶端的通信，并且通過廣域網來使用存儲服務；一套本地數據存儲設備；一個至少在本地存儲設備中存儲的數據和存儲在存儲服務數據的同步存儲服務模型；和一個使客戶端運行在使用文件共享協議設備上的基于文件操作的處理器。該存儲器可以有效地解決農業物聯網數據存儲的問題。

（三）智能安全技術使得農業物聯網更有保障。農業物聯網產生了大量的數據、集聚了海量的軟硬件資源，同時也面臨著大量的安全隱患，如無線傳感器網絡的物理層、鏈路層、網絡層等最容易遭受多種類型的攻擊，RFID設備在感知層中易受到標簽永久失效、標簽暫時失效攻擊物聯網數據融合也面臨一定的危險。傳統方式下維護硬件、安裝和升級軟件、防范病毒和各類網絡攻擊需要耗費大量的人力物力資源，而且防范的效果不理想。而云安全融合了并行處理、網格計算、未知病毒行為判斷等新興技術，通過網狀的大量客戶端對網絡中軟件行為的異常監測，獲取互聯網中木馬、惡意程序的最新信息推送到Server端進行自動分析和處理，再把病毒和木馬的解決方案分發到每一個客戶端。

(未完待續)

（來源：《中國科學院院刊》，作者為農業部市場與經濟信息司司長）