現代農業物聯網的主流技術領域與發展趨勢

房巖孫剛 金丹丹陳野夫杜娟吳蘇歡王雪純王薇劉聰

(1．三明學院資源與化工學院，福建 三明 365004；2．長春師范大學生命科學學院，吉林 長春 130032；3．國藥中生長春生物制品研究所有限責任公司，吉林 長春 130012)

引言

改革開放尤其是進入新世紀以來，我國的農業和農村發展取得了舉世矚目的顯著成就，但相對粗放的生產模式也帶來了一系列問題。農藥、化肥過度使用，地下水資源超強開采，土壤肥力嚴重消耗，生態環境惡化，食品安全令人擔憂。集人工智能、云計算、大數據、計算機、移動互聯網、物聯網、音視頻、無線通訊、專家系統等高新技術于一體的智慧農業，正是解決這些問題的有效途徑。智慧農業是智慧經濟形態在農業中的具體表現，與可視化技術、人工智能技術、現代生物技術、種植技術等相互融合，是農業生產的發展方向和高級階段。美國、日本等發達國家的農業實踐表明，以農業物聯網為核心的智慧農業是農業發展進程中的必然趨勢[1]。

1 現代農業物聯網的主流技術領域

1.1 遠程監測系統

將不同功能的傳感節點布設在農田、草坪、園林、溫室等目標區域，實時原位收集生態環境參數、植物生長參數、病蟲害參數，包括土壤水分、土壤養分、溫度、光照強度、CO2等氣體濃度、電導率、相對濕度、酸堿度等。通過無線網絡、信息路由設備、無線傳感系統、太陽能供電系統等，實現農業信息的存儲和遠程傳輸。轉化為視頻圖像后，可視化同步監控農作物的生長情況、營養水平和整體狀態，為農戶提供科學、合理、高效的數據支持和決策依據[2]。

1.2 智能控制系統

農業物聯網通過定位監測、信息傳輸、綜合處理、專家系統等，建立作物、環境、土壤、水分、肥力、病蟲害等多維因子之間相互聯系、相互耦合的動態網絡，智能化控制和管理農作物的最適生長條件。農業生產信息匯總到中控系統后，技術人員對監測數據進行處理、集成、分析，用戶以圖表和曲線的形式獲得直觀顯示。根據各項參數的反饋和農業生產的實際需要，精準、即時調節相關生產資料的投施，遠程開啟農業機械設備，進行自動換氣、自動灌溉、自動調溫、自動施藥、自動施肥、自動卷模、自動調光、自動報警等操作，完成農作物生長環境的最優調控，達到增加產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

1.3 流通銷售系統

在農產品商品化過程中，涉及到眾多環節以及相關的市場信息。亞馬遜于2006年運用網絡硬盤、智能擴容、在線簡單存儲等技術，為用戶提供云計算、彈性運算和數據共享服務。谷歌于2007年首次提出“云計算”(Cloud Computing)，又稱為“網格計算”；云計算將巨大的數據處理程序分解為若干個小程序，通過服務器系統進行分析，幾秒種內可以進行數以萬計數據的處理，并將結果返回用戶，實現強大的網絡服務。微軟于2008年推出Windows Azure系統，嘗試構建新的互聯網云計算平臺[2]。美國政府率先實施農業云戰略，農業部、交通部、衛生部、商業部、教育部、能源部等正在積極向云平臺轉移，大數據平臺目前已經覆蓋各大部門的核心部門主要數據。日本于2009年制定國家云計算戰略。云技術具有很強的需要性、即時性和擴展性，與農業物聯網相互融合，解決了行業條塊分割、農業信息分散、資源整合不足等問題，農產品的流通和銷售更加及時和便利，使用戶得到全新的體驗[3]。

1.4 追蹤溯源系統

利用物聯網技術建立農業生產的溯源信息服務平臺，實現農產品從產地到餐桌的全過程跟蹤，覆蓋種子采購、播種、養殖、施肥、施藥、收獲、加工、貯存、運輸、銷售等各個環節。通過對農產品的可靠識別和有效的質量監控，為整個產業鏈提供透明的展示，用戶能夠清楚了解農作物和食品的生長、生產環境，有利于鼓勵可溯源農產品的推廣，增加廣大消費者對“舌尖上的綠色和安全”的信心。RFID技術(射頻識別、電子標簽)和條碼技術越來越多地應用于農產品安全溯源、監測領域。從2001年起，加拿大開始使用肉牛一維條形碼耳標和電子耳標；從2004年起，日本開始采用RFID電子標簽對各種農產品進行流通管理和智能追蹤，建立農產品識別和溯源系統。RFID技術已展現出廣闊的應用前景，產業鏈制造產值全世界已近千億美元，亞太地區在其中占據全球最大份額[3]。

1.5 采集加工系統

國內的農作物生產、加工目前仍大多采用人工、半人工、半機械的途徑。由于人員的業務水平參差不齊，加工工藝缺乏統一標準，操作環境沒有相應保障，致使農產品的質量高低不均，有時甚至會發生有毒有害微生物的侵染。另外，采摘時間主要根據經驗積累和人為觀察結果進行確定，常常會將最佳時段錯失，造成農產品市場價值和綜合經濟效益的降低。在現代物聯網技術的支持下，集約化、規模化、農場化的種植面積大大高于傳統模式，農作物的采摘和加工采用自動監測和操作系統，科學確定最佳收獲時間，提高商品價值，降低勞動強度和成本，增強規模化生產管理能力。

2 現代農業物聯網的發展趨勢

2.1 微型化、智能化、移動化、多樣化

農業物聯網傳感器的種類和數量將快速增長，向微型智能化發展，感知將更加全面、透徹。移動互聯正在成為新一代信息產業革命的突破口，農業物聯網的使用將更加便捷。美國專家研制了一款納米微型傳感器，植入養殖動物體內可第一時間檢測出流行性疾病的感染狀況；還開發了裝在農產品運輸卡車貨箱里的傳感器，可實時監測濕度、溫度狀況，掌握環境因子對農產品中大腸桿菌或其他病原體可能造成的影響，防止食源性致病菌的產生。德國用金屬氧化物氣敏傳感器開發的儀器，檢測不同水果釋放的標志性氣味，分析判斷水果的成熟度，精確度達到食品實驗室中的專用測量儀。韓國研究人員利用表面等離子共振技術，發明了一種小型生物芯片傳感器，可準確、快速地對環境和食品(DNA、蛋白質)污染進行檢測[4]。

2.2 新材料、新結構、新原理、新工藝

隨著相關技術的不斷發展和產業鏈日趨成熟，更多的新結構、新材料、新原理、新工藝應用于農業物聯網領域。嵌入式、模塊化、集成化的實時傳感器與大數據、云計算深度融合，技術集成更加優化，實現計算處理能力和信息存儲資源的分布式共享，微功耗、低成本、高可靠性等參數指標進一步提升，為海量的物聯網信息利用提供支撐。農業物聯網的軟件系統升級，根據環境變化和系統運行的需求及時調整自身行為，提供環境感知的智能柔性服務，從行業應用向個人、家庭應用拓展，進一步提高自適應能力[4]。

2.3 創新性、適應性、產業化、標準化

數字補償、多功能復合等技術的集中應用，使農業物聯網的參數指標更加嚴格，制造工藝更加精細，產品內在質量和外觀表現更加出色。目前，世界各國普遍重視新產品和自主知識產權的開發，增強核心競爭力。重視傳感器的可靠性設計、控制與管理，重視市場競爭、個性化特色和產業化應用，快速響應市場。瞄準全球農業物聯網技術和市場的發展潮流與戰略前沿，重視上下游接口聯接的統一性、完整性、協調性和標準化。

3 結語

我國人均耕地面積遠低于世界平均水平，農業生產具有很大的提升空間。農業物聯網是智慧農業中的重要組成部分。在世界農業由傳統模式向智慧模式躍進的過程中，幾千年來形成的落后生產方式將得以改變。我國農業還面臨著環境、資源、技術、理念、市場等多種約束，以物聯網為核心技術的智慧農業為我國提供了與世界先進農業同步發展的難得機會。加速推進農業信息化和智能化，是我國農業實現現代化的迫切需求，是城鄉協調發展、整合各方資源的當務之急，也是突破農業生產自身限制、實現跨越式升級的必然選擇。