改革視角下物聯網在精準農業中的應用研究

蔣秀蓮， 宋祎寧

(1.徐州工程學院管理學院，江蘇徐州 221008； 2.揚州大學數學科學學院，江蘇揚州 225002)

2017年2月5日，新世紀以來，指導“三農”工作的第14份中央一號文件《關于深入推進農業供給側結構性改革加快培育農業農村發展新動能的若干意見》(簡稱文件)由中共中央、國務院發布。文件要求：“要加快培育農業農村發展新動能，推行綠色生產方式，增強農業可持續發展能力；壯大新產業新業態，拓展農業產業鏈價值鏈；強化科技創新驅動，引領現代農業加快發展；推進農業供給側結構性改革”。物聯網、云計算、大數據等新興信息技術為解決“三農”問題、農業供給側結構性改革的推進與實施提供了堅實的技術支撐。

1　農業供給側結構性改革

1.1　農業供給側結構性改革目標

農業供給側結構性改革的主要目標是提高農民收入、保障有效供給、優化生態環境。目前，我國農業供需錯位，供求結構性失衡：一方面，中低端農產品過剩，面臨去庫存的壓力；另一方面，高端農產品供給不足，滿足不了人們的生活需要。從農業供給端調整，有利于從源頭切斷農產品無效供給、縮減低端供給，增加有效、中高端供給，從而使農產品供給體系更好地適應需求結構變化。主攻方向是跟蹤市場、消費需求變化及升級，優化農產品供給結構，提升農產品供給質量；堅持以提高農產品質量振興農業，并推進農業信息化建設，進一步提升農業競爭力及其效益。通過體制、機制改革及創新等途徑激活挖掘各資源要素潛力，培育農業農村創新發展新動能[1]。

1.2　農業供給側結構性改革內容

農業供給側結構性改革主要包括兩部分內容：結構調整和改革。

結構調整主要包括“三大調整”及“兩個支撐”。一是調優生產結構：提升農產品質量安全，增加優質農產品供應。二是調新產業結構：創新發展農村新產業、新業態，如農村電商。三是調綠生產方式：農業農產品生產要力求采用清潔綠色生產方式，精準生產，精準控制，節水節肥，減少農藥使用，降低對生態環境的影響破壞，以保持及增強農業可持續發展能力。兩個支撐即強化科技支撐：切實加強農業科技研發與推廣力度，促進農業科技成果轉化，激勵農業科技創新并完善創新體系，推進農業農村信息化建設；強化基礎支撐：完善農業農村基礎設施建設，補齊公共服務短板，加強完善農田基本建設，改善農村居住環境。

改革的核心內容是理順政府和市場的關系，實現“三大激活”。首先是激活市場，農產品價格由市場供需自動調節，減少其他干擾因素。其次是激活要素，激活農村勞動、土地經營權、資本等生產要素，使這些要素合理流動及優化組合。最后激活主體，進一步推進農業經營體系改革，培育現代新型農業經營主體、服務主體，支持鼓勵各級各類人才到農業農村創新創業。

2　農業物聯網與精準農業

2.1　農業物聯網

農業物聯網是利用各類農業信息感知設備(如RFID)采集農田種植、水產禽獸養殖、設施農業、環境、農產品物流等信息，并將這些信息通過各類網絡(無線傳感網、移動互聯網、Internet)傳輸到特定系統，各系統對獲取的海量農業信息進行歸納、分析、處理、整合，根據分析處理結果通過智能終端對農業生產和管理活動進行科學、實時、自動控制。農業物聯網架構使物聯網技術在農業生產、經營、管理和服務全產業鏈得到廣泛應用[2]。物聯網等新一代信息技術，推動我國農業向現代、精準農業轉型升級，提升農產品質量、生產綠色安全食品，使農產品生產標準化。近年來，物聯網技術在精準化農業生產管理、農情信息資源監測與利用、農產品質量安全溯源、遠程及智能化農業生產管理等領域得到了有效應用。農業4.0就是以物聯網技術為主要支撐的智慧精準農業，通過全面感知、可靠傳輸和智能處理，高效地利用各種農業資源、降低農業能耗及成本、保護農業生態環境。

2.2　農業物聯網關鍵技術

2.2.1信息感知技術信息感知技術是感知與識別各種事物的基礎，主要包括農業傳感技術、RFID、GPS、RS和北斗衛星導航系統等。傳感器是組成農業物聯網的基本單元，主要用于采集和獲取各種農業生產要素信息。RFID技術即電子標簽技術，它通過射頻信號可以實現無接觸信息傳遞并能自動識別目標，該技術在農產品物流和安全追溯方面應用廣泛。GPS技術在農業上的主要作用是對大規模農業機械田的作物苗情、病蟲災害等情況進行實時跟蹤，以便指導農民進行精準施肥及噴灑農藥。RS即遙感技術，主要用于對農作物在不同生長期的長勢、水分、產量的監測及農機精準作業方面[3]。

2.2.2信息傳輸技術農業信息傳輸技術是指通過各種通信設備將信息感知設備連接到傳輸網絡，對信息進行實時交互和共享。在農業領域主要有移動通信技術和無線傳感器技術。移動通信技術主要應用于農業種植、水產養殖等的數據傳輸。利用智能手機和移動網絡即可實現農業信息的遠距離傳輸，是一種價格低廉、穩定高速的信息傳輸技術。

2.2.3信息處理技術信息處理是利用一定的算法、模型、智能處理等技術對采集的大量農業數據進行分析處理，以此實現對各類農業農產品信息的預測預警、智能控制和決策等[4]。信息處理技術是組成物聯網的關鍵技術，主要包括云計算、GIS技術、農業專家系統、決策支持系統等。在農業方面，GIS主要用于自然環境與生產條件、土地及水資源管理、土壤數據、病蟲草害監測、作物測產等方面空間屬性信息的統計分析處理與多元化結果的可視化輸出[3]。農業專家系統是根據農業專家的經驗、知識和研究成果，利用計算機建模對農業問題進行解答、判斷，并給出決策方案和建議。決策支持系統是以人機交互的方式，利用數據庫、方法庫、模型庫等輔助決策者進行決策的智能系統，主要應用于病蟲害預警、飼料配方優化、土壤信息管理、節水灌溉等方面。

2.3　精準農業內涵

精準農業是現代農業發展的趨勢，是實現農業供給側結構性改革的有效方式和途徑。精準農業以生態系統的理論為基礎，以3S技術(GPS、GIS、RS)、物聯網技術、智能控制技術為技術支撐，以最少的投入和資源消耗，獲取最優的品質、更高的產出，獲得較好的經濟和社會效益，并改善生態環境，實現農業可持續發展[5]。精準農業可以精確地計算出農作物所需的水分、化肥、農藥，節約各種原料的施用量，從而降低生產成本，提高土地收益率，并有利于農業環境保護。精準農業使農業生產由粗放型轉向集約型，可以像工業流程一樣連續地經營，從而達到規模效應。

2.4　精準農業的技術體系

精準農業的發展需要高新技術的支撐，主要包括信息技術(3S技術等)、生物技術(基因工程、細胞工程、微生物技術)和工程裝備技術(播種技術、施肥技術、灌溉技術、收獲及烘干技術)。精準農業的技術體系主要包括農田地理信息系統、農田信息采集系統、全球定位系統、環境監測系統等。利用精準農業技術可實現農作物的精準耕種、施肥、施藥、灌溉、收獲，以最少的投資獲取更高收益，節約資源，減少環境污染，可實現農業供給側改革的“調優生產結構”“調綠生產方式”。

3　物聯網在精準農業中的應用

隨著物聯網技術的不斷演進及應用領域的拓展，物聯網技術在精準農業領域得到應用及重視，成為現代農業發展的潮流與趨勢。精準農業不僅可以提升農產品質量，農業生產效率也會同步得到大幅提升。以期以最少的投入獲取最大的收益，節約了農業資源，同時提高了農民收入，并起到維持農業可持續發展的作用。

國外將物聯網應用到農業中的時間較早，他們利用在技術、資金、人才、資源等方面的優勢，在物聯網農業領域取得了一定的成果。美國在利用物聯網技術促進精準農業發展領域中處于領先地位，目前農業物聯網在美國大農場的覆蓋率已達到80%。我國政府一直鼓勵對物聯網技術的研究，并設法將其應用到農業領域中。2009年，西安優勢微電子公司研發出我國首個具有完全自主知識產權的物聯網核心芯片“唐芯一號”[2]，目前，它已廣泛應用于我國的精準農業領域，具有廣闊的發展前景。2013年，農業部選擇天津、上海、安徽3省市開展農業物聯網區域試驗工程，旨在探索農業物聯網在我國農業領域的發展路徑和應用模式，探索構建國家農業物聯網標準框架體系及相關公共服務平臺，這對于推進物聯網技術在全國各地區農業領域的應用具有重要意義。

3.1　物聯網在精準農業中的應用基礎

3.1.1信息技術在農業領域的廣泛應用21世紀，我國不斷發展和完善農業管理信息系統和農業生產專家系統[6]，使得信息技術在農情信息監測、設施農業控制、大田作物數字化管理、作物生長模擬模型等精準農業領域發揮了重要作用，取得了良好的效益。信息技術的廣泛應用，提高了農業生產力，推動了農業科技水平的提高，為物聯網在精準農業中的應用打下了堅實的基礎。

3.1.2物聯網在農業領域的應用取得重要進展目前，物聯網技術已廣泛應用于農業生產和流通環節。物聯網技術實現了對農產品從田間地頭到消費者餐桌的全過程跟蹤監控，對動植物的生長環境進行優化，提高農產品產量，保證農產品質量安全，獲得了消費者的信任。在全國，有426項農業物聯網軟硬件產品、技術和模式得到推廣，這些產品和技術的使用可有效降低農產品成本，提高生產效率，為精準農業的開展提供了堅實的技術支撐。

3.1.3農村信息化水平的快速發展近年來，在農業部、工信部、商務部等部門及各級地方政府以及三大電信運營商和大型IT企業的共同努力下，農業農村信息化水平不斷發展進步[6]，12316“三農”綜合信息服務中央平臺投入運行，實現了不同地域之間農業信息的共享。隨著高速寬帶網絡在農村地區的不斷發展，農村信息化已經成為提高農業生產和經營管理水平的重要途徑。農村信息化水平的不斷提高，為物聯網在精準農業中的應用提供了可靠的基礎支撐和廣闊的創新空間。

3.2　物聯網在精準農業中的應用領域

我國農業正處于傳統農業向現代農業過渡的重要時期，物聯網技術在精準農業中的應用呈現多方面的發展。

3.2.1大田作物農情監測大田作物農情監測系統可對作物的生長、病蟲災情及整體生態環境進行實時動態精準檢測。利用大田生產管理智能決策系統及田間信息感知點采集的數據，可以實現農田精準灌溉、施肥、病蟲災害提前預警防治，從而實現智能化的大田生產管理，減少資源浪費，降低對環境的污染[7]。

近年，江蘇省大力倡導推動物聯網技術在水稻、茶場等露地大田農作物的應用及實施。無錫市錫山區在133.3 hm2太湖水稻示范園，使用田間小型氣象站對稻田水位進行實時監測，使用遠程灌溉控制系統檢測稻田水分蒸騰蒸發量，在此基礎上實現了水稻示范園的精準灌溉；并使用可移動式作物傳感器檢測土壤濕度、墑情等土壤情況[8]。宜興蘭山茶場應用農業物聯網技術實現了對整個茶場的實時監測和精準防霜噴灌控制，在茶葉防霜、茶園噴灌方面取得良好成效。

3.2.2農產品質量安全追溯近年來，廣大消費者密切關注農產品質量安全。農產品供應的富足與多樣及生活品質的提升，促使消費者對農產品有了更高標準的要求，因此，建立完善的農產品質量安全追溯系統已成為當今社會急待解決的問題。物聯網技術可對農產品從生產到流通的各個環節進行監控，并且儲存有關數據，確保農產品的質量安全及可追溯性。農產品質量安全追溯系統主要使用RFID技術、傳感器技術、移動網絡技術等，采集保存農產品在種植、生長、采收、運輸、銷售等環節的數據，使消費者通過農產品質量安全追溯系統即可查詢農產品生長、運輸、流通、銷售等各環節的信息，幫助消費者全面了解產品。一旦發現農產品出現質量安全問題，該系統可迅速對農產品進行溯源，查詢各環節信息，找到出現問題的環節，迅速定位提供該產品的相關企業和個人，從而達到有效地解決農產品質量安全問題的目的。江蘇省無錫市錫山區臺創園建立了農產品履歷管理信息系統，消費者用手機掃描產品包裝上的二維碼即可通過農產品追溯查詢系統對產品的全供應鏈過程進行追蹤查詢。該系統是2項農業物聯網技術的具體應用：一是“基于公網的分布式農業物聯網信息服務體系架構”，二是“開放的可擴展的農業物聯網應用服務支撐平臺”[8]。江蘇省江陰市的“放心肉”安全信息追溯平臺實現了從“農場到餐桌”的全程自動追溯[9]。

3.2.3動植物遠程診斷系統基于物聯網技術的動植物遠程診斷系統是針對農業生產和動物養殖過程中出現的病蟲害頻發、專家人數少、現場診斷不方便等問題進行實時監控和實時災害防治的監控應用系統。動植物遠程診斷系統由各種傳感器、移動通信網絡和專家診斷平臺組成，是一套以圖像采集處理技術和移動網絡技術為基礎的數字化管理信息系統。傳感器設備支持多種接口，通過與各種音頻和視頻設備建立連接，將農業生產或養殖過程中的數據第一時間提供給農業專家，專家在終端登錄診斷系統，根據收到的監控數據對動植物的病蟲害情況、生長周期等進行預測和診斷，以便精準控制動植物生長環境。

貴州大規模引進藍莓種植，病蟲害日益嚴重，造成了巨大的經濟損失。2014年，貴州省建立藍莓病蟲害監測預警系統，該系統通過監測藍莓的生長環境，分析所獲得的監測數據，對可能發生的病蟲害進行預測，制定有效的防治手段。系統分為數據接收、業務處理和結果顯示3個層次。數據接收層用來獲取監測數據，業務處理層對獲得的數據進行分析和處理，從而得出預警警級和預警預案，最后由結果顯示層將所得結果顯示給專家和用戶。

3.2.4智能水產養殖利用傳感器技術、無線傳感網、智能處理及控制等物聯網技術構建智能水產養殖系統，實現水質數據、圖像實時采集與無線傳輸、智能處理和預測預警、決策支持等功能[3]。可提供廣闊水域面積的實時監測，與自動增氧等設備聯動，實現水產養殖智能化控制與管理。水下移動感知應用集成設備利用高清晰低照度的水下攝像機，提高了水下可視范圍，可實時觀測水下魚類的進食和生長情況。

江蘇省與宜興市政府、中國農業大學、江蘇中農物聯網公司、中國移動江蘇公司、東軟公司、哈希公司“官、產、學、研”聯合體，創設了農業物聯網“宜興模式”，具體做法是政府提供政策支持，大學提供技術支撐，企業提供產品，運營商構建平臺。這個“聯合體”研發了水產養殖物聯網傳感器、采集器、控制器等技術產品，在全國推廣使用，取得良好效果；倡導建立了“全國水產養殖物聯網數據中心”，設計開發了江蘇省農業物聯網平臺，有力地推動了江蘇省及全國農業物聯網產業化進程，成為國內水產養殖全程信息化的典范[10]。江蘇推廣應用水產物聯網2 000 hm2，節約用電1 200元/hm2，平均增產10%。宜興市高塍鎮以養殖大閘蟹聞名，大閘蟹養殖水域3 333 hm2以上；由于應用了物聯網等新一代信息技術，蟹農通過電腦或手機，遠程就可對養殖水塘進行管理；出產的大閘蟹商品均可通過二維碼進行全程追溯，消費者可以查詢了解河蟹產地及其生長過程；另一方面，當地的農業管理部門通過河蟹養殖物聯網平臺，可進行在線和智能化的管理、控制和服務[11]。

3.2.5智能化節水灌溉農業常用2種灌溉方式，一種是大水漫灌，另一種是溝渠滲漏，這2種方式都會浪費水資源。基于物聯網技術的智能節水灌溉系統有效地解決了水資源浪費問題，智能節水灌溉系統利用傳感器測試土壤中的水分，并對這些數據進行分析，以按需灌溉為原則，根據作物的生長階段制定對作物最有利的灌溉方案，為農作物提供更好的生長環境，從而實現精準灌溉，可減少水量30%～70%，提高了農業生產效益。

4　物聯網應用于精準農業的效益

農業物聯網技術推動了精準農業的發展，創造了較好的社會經濟效益。

4.1　經濟效益

(1)提高生產效率，實現節本增效。物聯網技術在精準農業中的應用提升了農業生產的科學性、準確性、有效性，減少了低效投入，使得農業生產和管理過程更加精準，提高了生產效率、農產品產量和質量，進一步提高了經濟效益。(2)降低物流成本，提升農產品競爭力。物聯網技術在精準農業中的應用，使得每一件農產品都有一個唯一的身份標識碼，使其在生產和流通過程的產品信息實現無縫對接，也為農業生產與電子商務的對接提供了契機，降低了農產品的物流成本，也保障了農產品物流信息的真實有效，提高了農產品的競爭力。

4.2　社會效益

(1)保護生態環境，促進農業可持續發展。精準農業使用科學精確的方式方法開展農業生產和管理活動，節約了水資源，減少了化肥和農藥的使用，保護了生態環境，也改善了過度灌溉施肥導致的土壤結構失衡。(2)農產品追溯，保障產品質量安全。基于物聯網技術的精準農業，其生產過程精確可控，可對農產品生產環境進行全程監控，對農產品質量安全進行全程追溯，消費者可以了解農產品生產的真實情況。(3)引導農業產業結構平衡發展，帶動物聯網技術相關產業發展。物聯網技術可以對農產品的產量進行精確預測，有利于引導農業結構平衡發展、引導廣大農民精準種植。物聯網技術在精準農業中的應用也帶動了相關技術及產業的發展。

5　改革視角下物聯網精準農業發展策略

5.1　政策創新優化物聯網精準農業發展基礎

制定實用的財政支持政策，切實利用好現有的資金渠道，利用農業科研專項和科研成果轉化專項，進行農業科研創新。構建多元化融資平臺，加大物聯網精準農業發展支持力度[10]。

5.2　技術創新提升物聯網精準農業發展水平

構建物聯網精準農業技術科研創新體系，提升農業物聯網關鍵核心技術的創新能力及引進消化吸收再創新能力，加速研制開發一批精準農業急需的適用的操作簡單、性能穩定、維護方便的物聯網技術產品；設計開發農業科技信息資源共享平臺，提高農業科研數據、科研人才等重要資源的共享水平，聯合各區域、各相關職能部門跨學科協同創新；推進物聯網、大數據、電子政務、信息服務等標準的制訂、修訂[12]。

5.3　開展基于精準農業的農產品區域品牌建設

以提升農產品質量、擴大中高端農產品供給為目標，利用物聯網精準農業技術，采用“地方政府主導+合作社運營+龍頭企業引領”的模式進行農產品區域品牌建設[13]，地方政府制訂相關扶持政策支持農產品區域品牌建設，支持鼓勵合作社運營農產品區域品牌。合作社要利用精準農業技術推行標準化生產，保證農產品的質量安全，提升品牌聲譽，從而提高農產品的市場競爭力和優勢。有一定實力與影響力的龍頭企業可以為農產品區域品牌建設提供資金和技術支持，對農民進行技術培訓，使農民掌握并使用精準農業技術進行農業生產和管理。以品牌引領農業生產經營的規模化和精準化，可促進農產品區域品牌不斷發展提升，企業和農戶互利共贏，實現農業供給側改革，提升有效供給。

5.4　開展物聯網精準農業區域試驗工程

遴選一批農業技術應用基礎好、區域示范性強、產品優良、物聯網精準農業需求迫切的地區，由政府主導，企業為主體，“官、產、學、研”聯合，研發一批物聯網精準農業關鍵技術，制定科學實施方案，成熟后向周邊區域及全國推廣節本增效的物聯網精準農業模式，以提高農業資源利用的精準性及農業生產的高效性，并進一步開展基于物聯網的精準農業技術集成應用示范。

5.5　開展新型農業經營主體和新型職業農民培育工程

制訂培育新型農業經營主體的政策體系；建立健全以政府為主導的各相關部門相互協作及產業帶動的培訓機制；推進農民合作社示范社創建，支持農民合作社組建聯合社。加強政策扶持及宣傳工作，鼓勵大學畢業生、退伍軍人、農業科技人員等各級各類人才到農村創新創業，號召農民工返鄉；優化布局農業農村從業人員結構，針對不同人才分別開展農業經營主體帶頭人、農村實用帶頭人培訓工程及青年農場主培育工程；構建農業職業經理人、新型職業農民培育扶持機制[14-15]。

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