我國農業物聯網發展存在的問題及對策

章瑋

摘要? ? 物聯網是現代信息技術集成的結果，是當前信息技術開發與應用的制高點，其連接著比互聯網更多的物品，具有更全面的感知、更深入的智能化、更廣泛的信息共享及更真實的互聯互通。本文綜述了農業物聯網的內涵及技術組成，分析了我國農業物聯網發展的現狀及存在的問題，提出了加強農業物聯網建設的對策，以推動我國農業物聯網健康、快速發展。

關鍵詞? ? 農業物聯網;發展現狀;問題;對策

中圖分類號? ? S-1;TN99? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）12-0250-04

Abstract? ? The Internet of agricultural is an integration of new generation of information technology，it is also becoming the commanding heights of information technology development and application.It connects more things than the internet，and has a more comprehensive perception，more in-depth intelligence，more extensive information sharing and interconnection.This paper reviewed the connotation and technical composition of the Internet of agricultural，analyzed the status and existing problems of the development of Internet of agricultural in China，and proposed countermeasures to strengthen the construction of Internet of agricultural to promote the healthy and rapid development of China′s Internet of agricultural.

Key words? ? Internet of agricultural;development status;problem;countermeasure

物聯網為“物物相連的網絡”，是在互聯網的基礎上將其用戶端延伸至任何物件與物件之間，進行信息交流和通信的一種技術[1]。最早于1999年由美國麻省理工學院提出，2005年國際電信聯盟對物聯網含義進行了擴展，實現由互聯網時代人與人之間的通信連接擴展至人和物、物和物之間的交流連接。物聯網是傳感技術、無線通信技術、嵌入式技術、高性能計算等綜合發展的結果，利用射頻識別、定位系統、感應器、激光掃描器等多種信息傳感設備按照相關約定的協議把有關物品與互聯網相連接在一起，實現通信與信息交換，以達到智能化識別、跟蹤、定位、監控及管理的目的。

農業物聯網是物聯網工程技術在農業生產、管理、經營與服務中的具體實施，主要利用不同類別的傳感器構成監控節點，通過數據采集達到對農業生產的實時監控，實現物聯網與農業生產的緊密結合。近年來，我國政府高度重視農業物聯網建設，并取得了明顯的成效，促進了農業的高產、集約、高效、優質、生態和安全。但我國農業物聯網與發達國家相比還有較大差距。本文在介紹農業物聯網工程應用的基礎上，分析了發達國家在物聯網工程技術方面的發展狀況，探討了農業物聯網建設與應用實踐中存在的問題，對今后農業物聯網的發展進行了展望。

1? ? 物聯網工程技術的組成

物聯網綜合了新一代信息技術，連接比互聯網更多的東西，具有更加全面的感知、更加深入的智能化、更為廣泛的信息共享及互聯互通。雖然物聯網的定義至今尚未統一，但有關物聯網工程技術架構已基本達成共識，其大致分為信息感知層、網絡層（也稱為信息傳輸層）和信息應用層等3個層次[1-2]。信息感知層是實現物品“說話”的先決條件，其用于采集身份標識、位置信息、視頻、音頻、各類物理量等數據。網絡層主要借助2G/3G移動網絡、PSTN網絡、互聯網等已有的廣域網通信系統，把感知層感知到的各類信息快速、安全、可靠地傳送到目的地，實現大范圍或全球范圍內的通信。應用層具有實現物品信息的匯總、共享、互通、協同、分析與決策等功能，對物聯網進行控制與決策。物聯網的目的是為人類提供服務，應用層的功能是完成物品和人之間的最終交互。

物聯網工程技術是由多種技術組成，大致可劃分為物聯網核心技術、關聯技術和輔助技術等3類[1-2]。物聯網核心技術又可分為感知層核心技術、共性支撐核心技術及應用層核心技術3個方面。其中，感知層核心技術主要包括了遙感技術、各類傳感器、射頻識別、全球定位系統與二維條形碼等，可用于各類農業相關信息的采集和識別。共性支撐核心技術包括中間件技術和物聯網安全等2個方面，前者是獨立的服務程序或系統軟件，分布式應用軟件可借助中間件在不同技術之間實現資源共享，并應用于服務器的操作系統對計算機資源和網絡通信進行管理。中間件可使相連接的系統即使具有不同的接口也能相互交換信息。由于目的與實現機制的差異，業內將中間件分為遠程過程調用中間件、面向消息的中間件和對象請求代理中間件等[1]。物聯網的安全性主要涉及物聯網機器或感知節點的本地安全、感知網絡的傳輸與信息安全、核心網絡的傳輸與信息安全及物聯網業務的安全等方面，可通過業務認證機制和加密機制解決此類安全問題。應用層核心技術主要包括M2M技術和人工智能技術等2個方面。其中，M2M技術綜合了數據采集、GPS、遠程監控、電信、信息技術，是計算機、網絡、設備、傳感器、人類等生態系統，目標是保障所有機器設備都具備聯網和通信能力。目前，國內外應用的M2M產品主要是由無線終端、傳輸通道和行業應用中心等3個部分構成，包括機器、M2M硬件、通信網絡、中間件、應用等5個技術部分。人工智能在物聯網技術發展中也起到重要的作用，涉及符號計算與模式識別、機器翻譯與學習、問題求解與邏輯推理、自然語言處理、分布式人工智能與計算機視覺、智能信息檢索技術與專家系統等方面。

物聯網關聯技術主要涉及云計算技術、大數據技術和移動互聯網技術。物聯網輔助技術涉及地理信息系統技術、射頻識別技術、ZigBee技術和中間件技術。其中，射頻識別技術是對無線電波進行識別的技術。ZigBee是一種標準，通過對短距離、低速率傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協議進行標準化，以支持自組網和多點中繼，其具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性和低數據速率等特點。

2? ? 農業物聯網國內外發展現狀

2.1? ? 國內物聯網發展現狀

物聯網作為全球信息產業的第3次革命，正在多個方面深遠地影響著人類。而物聯網與農業的有效結合所形成的農業物聯網能促進傳統低效率的生產模式向以信息與軟件為中心的智能化生產模式轉變，推動農業生產力的快速發展和農業經營模式的革新，逐漸實現農業產前、產中、產后的全過程監控、科學決策與實時服務。通過科研人員的不懈努力，農業物聯網在信息感知、數據處理、技術應用和智能化服務等領域得到了重要的發展，已建立了多種新型傳感裝備、軟件系統與產業化應用模式[3-6]。目前，農業物聯網的應用模式大致有感知展現類與感知控制類2類。感知展現類將數據傳輸到應用終端的一個通道作為應用平臺，可部分實現農作物生長環境與生命體數字化特征感知，輔助生產管理過程，實際上，這類物聯網起到了替代人工管理的作用。感知控制類是在感知展現類的基礎上增加了反饋控制模塊，可真正達到物與物之間的互連、互通、互操作，實現農業生產過程智能化。

當前，物聯網技術在農業生產中的應用幾乎貫穿了農業生產的全過程，其應用領域包括農村水利灌溉控制、環境資源監測、農業生產的精確管理、農產品溯源及農產品物流等，覆蓋的產業包括設施栽培、畜牧養殖、大田種植、水產養殖等[7]，我國農業物聯網技術的應用情況見表1。

我國已研發了一批基于多種技術的高精度作物信息監測和診斷儀器，為全面推廣應用農業物聯網技術奠定了基礎。在農業生產領域，目前已成功開發的生物信息監測與診斷的儀器有環境信息傳感器、植物生命信息獲取裝備、動物行為信息傳感器、作物長勢分析儀、作物成像光譜儀等，可實現實時獲取農業生產中多個環節的信息。在農產品質量管理方面，已形成了產地農產品信息實時采集和認證數據平臺，開發了便攜式質量全程跟蹤與溯源終端產品，構建了農產品物流信息管理和電子交易信息管理平臺。在大田作物生產方面，已經發展了種植水稻、玉米、棉花、小麥、果樹、菌類等大田作物的農業物聯網管理模式，初步形成了包括場地環境信息快速獲取、作物生長監控、農田變量施肥、精準灌溉、遠程診斷、產量預測和智能裝備等一系列應用技術，構建了包括土壤墑情監測、病蟲害防控與智能灌溉及育苗、種植、采收、倉儲等全過程的物聯網系統。已經實現對氣象、土壤、水分、作物長勢等的自動感知、監測、預警分析，初步實現了精量播種和智能育秧、灌溉、噴藥、施肥及病蟲害防治[6，8-23]。在設施栽培的應用方面，已能對溫室環境監控、作物生理監測、水肥管理和病蟲害精確防治及供暖、卷簾、通風進行智能管理，提高了資源利用率和勞動生產率[24-28]。在畜牧業領域，我國已初步實現養殖過程中環境的監控及飼喂、糞便處理、養殖孵化、精準飼喂等自動化管理[29-31]，并能對動物的飼養管理、疫病預防與檢疫、屠宰加工、商業流通等情況實時錄入物聯網管理系統，實現生產的網絡遠程管理。在水產養殖方面，已初步形成養殖水質監測及調控、苗種培育和遠程自動投喂以及病疫預警健康等進行智能化管理的物聯網技術[32]。

近年來，區域環境資源精細監測與調度的物聯網技術也得到了較快發展，為了實現土壤、水文等環境資源信息的自動獲取與科學分析，可通過資源衛星上搭載的高精度感知設備，應用先進的傳感器感知技術、信息融合傳輸技術和互聯網技術，實現了農業生態環境的自動監測和管理。此外，物聯網在農產品質量溯源方面也得到了廣泛應用，通過對農產品生產、流通、銷售過程的全程信息感知、傳輸、融合與處理，實現農產品“從農田到餐桌”的全程追溯[33-34]，促進了農產品電子商務發展。

2.2? ? 發達國家物聯網發展現狀

現代農業對新型的信息技術需求推動了全球范圍內農業物聯網技術的迅速發展。據Beecham Reseach咨詢機構的評估，物聯網能為世界帶來70%的糧食增產，以滿足未來全球近百億人口對糧食的需求。2013年國際咨詢業巨頭麥肯錫全球研究所發布的《未來十二項改變世界的科技》報告中，將物聯網列為未來10年會改變全球經濟的12項顛覆性技術之一[35]，全球物聯網市場規模可望在2025年以前達到110 000億美元。

近年來，許多國家紛紛加快了信息化步伐，投入大量人力、財力，并已在信息感知、數據處理、技術應用與智能服務等領域取得重要進展。美國、歐盟、日本等發達國家和地區在物聯網發展過程中非常注重基礎技術和標準建設，其物聯網技術與產業發展走在世界前列，引領著國際物聯網的發展。據2013年統計，在物聯網技術所涉及的感知層技術、網絡層技術、應用層技術和共性支撐技術等4個關鍵技術層次的15個技術分支（射頻識別技術、傳感器技術、二維條碼技術、組網技術、云計算、無線接入技術、中間件技術、異構網融合技術、遠程控制技術、資源和存儲管理技術、智能交通、地理空間信息技術、智能物流、智能嵌入式技術、信息安全技術）中，這些國家在物聯網傳感器領域的市場占有率達到63.0%，掌控著市場主導權[35]，并在各類傳感器的應用方面牢牢占據了國際市場份額。同時，歐美等發達國家與地區已制定了多個有國際影響力的標準體系，涵蓋了M2M通信、標簽數據、空中接口、無線傳感網等。

此外，美國政府已將物聯網技術上升為國家創新戰略的重點之一，把農業的教育、研究與技術推廣作為政府的重要職責，專門成立由大學、政府、技術推廣部門與農民代表組成的農業推廣指導委員會，以保障農業物聯網技術的發展[35]，美國許多大農場對信息技術的采用率已高達80%[36]。同時，美國的民間資本在農業物聯網建設中也十分活躍，借助包括物聯網與大數據、云計算與微電子、信息儲存與處理、地理信息系統與人工智能及遙感技術等現代信息技術，不但提高了農業競爭力，也有效地占據了世界農業信息發布的制高點[37]。美國在微型傳感器技術研發制備方面也取得重大進展，其傳感器的微型化、智能化、嵌入化和可移動化趨勢日益明顯。

歐盟各國非常注重農業物聯網的規模化應用與經濟效益，2009年，歐盟已對物聯網發展的識別技術、發現與搜索引擎技術、通信技術、軟件和算法、能源存儲技術等12項關鍵技術進行了全面規劃[38]。目前，已在小尺度農田耕作、精準畜牧以及智能漁業等方面有所突破。荷蘭的溫室大棚物聯網高度發達，已在智能化管理、溫室環境調控等方面居世界領先位置。據歐盟推出的《2020年物聯網：未來線路圖》，預期在2020年之后可使任何對象智能化，形成鏈接人、機、物一體化的泛在網絡[39-40]。

日本政府也非常重視農業物聯網在農戶中的推廣應用，為解決農業勞動力不足和老齡化問題，投入巨大的資金扶持，使50%以上的農戶選擇使用物聯網技術，其農業科技成果轉化率高達75%以上[41]。近年來，日本政府正在打造基于農業物聯網的農用機器人，預計到2020年農業云技術運用率可達75%[42]。以色列屬于嚴重缺水國，該國通過應用物聯網等技術對水光熱資源進行充分利用，在資源匱乏的沙漠上成為全球水果、蔬菜、鮮花重要出口國。

3? ? 我國農業物聯網存在的問題

3.1? ? 核心技術方面

我國農業物聯網技術研發應用水平偏低，存在基礎設施薄弱及價格低廉、精密度高和運行穩定的傳感器缺乏等問題。國內的傳感器主要集中在對光照、溫濕度等環境條件的監測，缺少直接用于動植物生命體系監測設施的開發。已有的物聯網設備主要用于溫室大棚、大田，缺少應用于復雜自然環境的傳感器開發研究。另外，在實際應用中還存在軟件與硬件不融合、設備與專家決策系統脫節等問題，影響了信息采集、傳輸、處理與控制系統的集成。由于諸多研究的不足，面對農產品“高產、優質、高效、生態、安全”的大量需求仍無力提供有效解決方案。還有，物聯網建設中的高端半導體芯片產業受制于人這一現狀也限制了農業傳感器產業的發展。

3.2? ? 技術標準方面

我國建立物聯網標準主要停留在戰略性層面，在信息感知、傳輸和應用等層次都缺乏統一的技術標準與指導規范，且存在各地區各行業標準不一致、標準與實際情況脫節等問題，這不僅影響了農業物聯網效能的充分發揮，也導致了農業物聯網建設資金的浪費。

3.3? ? 網絡安全方面

在物聯網中，無論是信息采集設備還是無線數據傳輸設備，都會對周圍環境產生電磁輻射，可能會對操作者、水、空氣、植物、動物等產生影響，引起相應的環境問題。但目前在研究開發物聯網設施工作中對這方面的問題還考慮較少。

3.4? ? 高效應用方面

我國農業互聯網技術的應用多數處于演示、形象、政績工程階段，由于存在成本問題、技術普及瓶頸和資金投入不足等3個方面的問題，產生的社會效益和經濟效益還不夠明顯，這在一定程度上影響了推廣的積極性，限制了農業物聯網產業的發展。

4? ? 發展對策

我國高度重視物聯網發展，明確指出將物聯網作為當前與未來一個時期戰略性新興產業的重要組成部分。當前，物聯網在我國農業中的應用正處于從示范走向推廣普及的瓶頸階段。因此，基于國際物聯網技術的發展趨勢和對物聯網發展中存在問題的分析[43-44]，建議加強以下幾個方面的工作。

4.1? ? 加強農業物聯網軟硬件的技術研究

重視先進傳感器、無線通訊和網絡、輔助決策支持與自動控制等技術的集成研究，重點研發高可靠性、高精度、低成本、適應惡劣環境的信息獲取傳感器和動物行為信息傳感器，加快發展云計算和大數據等新型數據存儲與處理技術[4-5]。

4.2? ? 加快推進農業物聯網標準制定

盡快制定適用于我國農業生產實際需要的物聯網標準，規范農用傳感器和標識設備功能、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。

4.3? ? 加強農業物聯網人才隊伍建設

培養具有理論基礎和實踐能力的高層次農業物聯網技術人才，以提高技術創新和推廣應用能力。

4.4? ? 加強農業物聯網應用示范

開展專項規劃與研究工作，推動農業物聯網技術的示范轉化，促進農技推廣服務體系轉型升級，提高農村信息化管理與服務能力。

4.5? ? 培育全產業鏈共贏的商業模式

高度重視物聯網應用商業模式的開發，引導多類型資本投入，探索創建政府主導、多方參與、市場運作和合作共贏的農業物聯網應用商業模式。

5? ? 參考文獻

[1] 黃靜.物聯網工程技術及開發實例[M].北京：清華大學出版社，2018，3-114.

[2] 鐘志宏，蘭峰，管幫富，等.物聯網關鍵技術在現代農業領域研究進展[J].農業網絡信息，2016（7）：22-26.

[3] 李道亮，楊昊.農業物聯網技術研究進展與發展趨勢分析[J].農業機械學報，2018，49（1）：1-18.

[4] 何勇，聶鵬程，劉飛.農業物聯網與傳感儀器研究進展[J].農業機械學報，2013，44（10）：216-225.

[5] 臧賀藏，王來剛，李國強，等.物聯網技術在我國糧食作物生產過程中的應用進展[J].河南農業科學，2013，42（5）：20-23.

[6] 李微微，曹麗英.基于物聯網云的智慧農業生產模式的構建[J].中國農機化學報，2016，37（2）：263-266.

[7] 王笑娟，劉彩鳳，謝虹，等.我國農業物聯網發展現狀·存在問題和對策[J].安徽農業科學，2017，45（1）：215-217.

[8] 張曉東，毛罕平，悅軍.作物生長多傳感信息檢測系統設計與用[J].農業機械學報，2009（9）：164-170.

[9] 楊婷，汪小旵.基于CC2430的無線傳感網絡自動滴灌系統設計[J].計算機測量與控制，2010（6）：1332-1334.

[10] 王銘銘，徐浩.基于物聯網的安徽省農田灌溉實時監測及自動灌溉系統研究[J].節水灌溉，2017（1）：68-70.

[11] 高峰，俞立，張文安，等.基于無線傳感器網絡的作物水分狀況監測系統研究與設計[J].農業工程學報，2009，25（2）：107-112.

[12] 劉卉，汪懋華，王躍宣，等.基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度監測系統的設計與開發[J].吉林大學學報（工學版），2008，38（3）：604-608.

[13] 高翔，劉鵬，盧潭城，等.一種土壤濕度測定方法在ZigBee無線傳感器網絡中的應用[J].傳感器與微系統，2015，36（1）：151-153.

[14] 姜明梁，方嫦青，馬道坤.基于TDR的土壤水分傳感器設計與試驗[J].農機化研究，2017，39（8）：147-153.

[15] 戴建國，賴軍臣.基于圖像規則與Android手機的棉花病蟲害診斷系統[J].農業機械學報，2015，46（1）：35-44.

[16] 周志艷，羅錫文，張揚，等.農作物蟲害的機器檢測與監測技術研究進展[J].昆蟲學報，2010，53（1）：98-109.

[17] 田磊，李麗，王明緒.基于Android的玉米病蟲害機器視覺診斷系統研究[J].農機化研究，2017，39（4）：207-211.

[18] 顏秉忠.機器視覺技術在玉米苗期雜草識別中的應用[J].農機化研究，2018，40（3）：212-216.

[19] 胡煉，羅錫文，曾山，等.基于機器視覺的株間機械除草裝置的作物識別與定位方法[J].農業工程學報，2013，29（10）：12-18.

[20] 聶鵬程，袁石林，章偉聰，等.基于光譜技術的水稻葉片氮素測定儀的開發[J].農業工程學報，2010，26（7）：152-156.

[21] 智華，趙明珍，宋寅卯，等.基于機器視覺的玉米精準施藥系統作物行識別算法及系統實現[J].農業工程學報，2015，31（7）：47-52.

[22] 莫建麟.基于3G模塊和Zigbee的智能農田監控物聯網設計[J].陜西科技大學學報，2012，30（6）：122-134.

[23] 孫雪鋼，林蔚紅，聶鵬程，等.綜合農業園區農業物聯網系統的研究與應用[J].浙江農業學報，2014，26（4）：1105-1110.

[24] 王濤，鄭回勇，陳永快，等.福建省設施農業智能化研究進展[J].福建農業科技，2018（6）：59-63.

[25] 秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯網的溫室智能監控系統設計[J].農業機械學報，2015，46（3）：261-267.

[26] 施苗苗，宋建成，田慕琴，等.基于物聯網的設施農業遠程智能化信息監測系統的開發[J].江蘇農業科學，2016，26（11）：392-395.

[27] 高祥，居錦武，蔣勱，等.基于CAN總線的分布式農業溫室控制系統設計[J].中國農機化學報，2016，37（4）：67-70.

[28] 可曉海，張文超，唐開輝，等.基于GSM網絡和485總線的農業監控系統設計[J].中國農機化學報，2016，37（5）：213-218.

[29] 謝琪，田緒紅，田金梅.基于REID的養豬管理與監測系統設計與實現[J].廣東農業科學，2009（12）：204-206.

[30] 耿麗微，錢東平，趙春輝.基于射頻技術的奶牛身份識別系統[J].農業工程學報，2009，25（5）：137-141.

[31]尹令，劉財興，洪添勝，等.基于無線傳感器網絡的奶牛行為特征監測系統設計[J].農業工程學報，2010，20（3）203-208.

[32] 劉雙印，徐龍琴，李道亮，等.基于物聯網的南美白對蝦疾病遠程智能診斷系統[J].中國農業大學學報，2014，19（2）：189-195.

[33] 劉鵬，屠康，候月鵬.基于射頻識別中間件的糧食質量安全追溯系統[J].農業工程學報，2009，25（120：145-150.

[34] 林強，張楠，李健華.物聯網追溯頂層設計：實現從農田到餐桌食品安全[J].條碼與信息系統，2016（3）：16-17.

[35] 李燈華，李哲敏，許世衛，等.先進國家農業物聯網的最新進展及對我國的啟示[J].江蘇農業科學，2016，44（10）：1-5.

[36] 陳耕藝，宗淙.信息技術重塑歐美農業[J].中國信息化，2015（5）：50-51.

[37] 劉凡，蔣寒露.美國：農業物聯網將引領下一個農業時代[J].農村·農業·農民，2014（8）：25-26.

[38] 李奇峰，李瑾，馬晨，等.我國農業物聯網應用情況、存在問題及發展思路[J].農業經濟，2014（4）：115-116.

[39] 王文生.德國農業信息技術研究進展與發展趨勢[J].農業展望，2011（9）：48-51.

[40] 周潔.世界主要發達國家物聯網的發展現狀[J].企業技術開發，2012，31（10）：92-93.

[41] 劉德娟，周瓊，曾玉榮.日本都市農業的發展現狀及多功能性[J].世界農業，2015（4）：155-160.

[42] 邢曉柳.中日農業科技發展比較研究[J].世界農業，2014（7）：135-138.

[43] NG I C L，WAKENSHAW S Y L.The Internet-of-Things：Review and research directions[J].International Journal of Research in Marketing，2017，34（2017）3-21.

[44] POURGHEBLEH B， NAVIMIPOUR N J.Data aggregation mechanisms in the Internet of things：A systematic review of the literature and reco-mmendations for future research[J].Journal of Network and Computer Applications，2017（97）：23-34.

[45] 馬浚誠.基于物聯網架構的設施園藝生產智能決策系統研發[C]//中國園藝學會、中國農用塑料應用技術學會設施園藝專業委員會.第三屆全國農用塑料設施大棚、溫室栽培技術交流會交流材料匯編.長沙：中國園藝學會，2017.