基于物聯網信息技術的智慧農業發展的研究*

胡開明，劉惠煌，張議夫

（東華理工大學長江學院，江西 撫州 344000）

我國是一個農業大國，地域遼闊，物產豐富，氣候復雜多變，自然災害頻發，“三農”問題是我國政府高度關注的問題[1]。隨著科學技術的進步，智慧農業、精確農業的發展，物聯網技術在農業中的應用逐步成為研究的熱點。物聯網技術在農業中的應用任重而道遠，是挑戰，更是機遇。物聯網是通過使用射頻識別傳感器、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息采集設備，按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[2]。在我國大力推動農業信息化的前提下，物聯網將是農業信息化過程中的一個突破口，必將深刻影響現代農業的未來。本項目組從智慧農業發展現狀出發，研究物聯網信息技術下智慧農業的結構框架、實現技術、推動作用及物聯網智慧農業發展策略。

1 我國物聯網智慧農業發展現狀概述

1.1 發展概述

目前，我國農業正處于從傳統農業向現代農業轉型的重要階段，面臨著農業用地減少、農田水土流失、土壤生產力下降、大量使用化肥導致農產品與地下水污染、食品安全與生態環境惡化等問題[3]。為了解決這些問題，廣大科技工作者開始研究生態農業、綠色農業、精細農業，提出了物聯網智慧農業與農業物聯網的概念。物聯網在農業領域的應用是未來農業發展的重要方向，是推進社會信息化與農業現代化融合的重要切入點，也為培育農業新技術與服務產業提供了巨大的商機。

隨著物聯網技術的發展，傳統的精細農業理念被賦予了更深刻的內涵。改造傳統農業，發展現代農業，迫切需要將物聯網技術用于大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、農產品物流、農副產品食品安全質量監控與溯源等領域，實現對農業生產過程中的土壤、環境、水資源的實時監測，對動植物生長過程的精細管理，對農副產品生產的全過程監控，對食品安全的追溯管理，對大型農業機械作業服務的優化調度，以實現農業生產“高產、優質、高效、生態、安全”的發展要求。物聯網技術的應用將為現代農業的發展創造前所未有的機遇。

智慧農業是農業中的智慧經濟，或智慧經濟形態在農業中的具體表現。智慧農業是智慧經濟重要的組成部分。對于發展中國家而言，智慧農業是智慧經濟主要的組成部分，是發展中國家消除貧困、實現后發優勢、經濟發展后來居上、實現趕超戰略的主要途徑。由于農村地區經濟發展落后，金融機構支持“三農”的力度有待進一步加強，因此，農業發展資金投入嚴重不足，基礎設施建設普遍滯后，農業機械化設備更新換代較為緩慢，嚴重制約了智慧農業的發展。

1.2 現狀分析

我國在精確農業的應用研究方面也取得了不少的研究成果。但在整體水平上，特別是實用性方面與發達國家差距很大，主要存在以下兩方面的問題。

1）農民整體文化知識水平不高，科技意識不強。我國是個傳統的農業國家，農耕文化思想比較濃厚。當前，我國農民整體素質不高，文化水平比較低，科學素養不高，高素質人力資本流失嚴重，農民受到的科學知識培訓比較少。在廣大落后農村地區，農民仍然停留在小農意識中，過分依賴農業生產經驗，忽視農業生產知識的學習和應用，農民受教育程度低是制約中國農業發展的瓶頸。

2）農業信息化技術應用水平較低。現代信息化技術是智慧農業發展的技術前提，信息技術的發展程度也決定了智慧農業發展的水平。我國當前農業科研體系仍不健全，科研成果轉化生產力能力不足，現代信息技術程度低，這導致我國農業科研進度緩慢且難以應用于智慧農業。

2 物聯網智慧農業系統的組成與構架

2.1 智慧農業系統構架

智慧農業是指在相對可控的環境下，通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，采用工業化生產，通過實時采集溫室溫度、土壤溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、露點溫度等環境參數，自動開啟或者關閉設備，及時調節農作物生產環境，使其在最優的環境中生長[4]。同時，通過圖像采集設備，把實時畫面通過無線傳感網絡傳輸到PC終端，實現遠程監控。系統由終端節點和主控節點組成，終端節點負責采集數據，驅動執行機構，主控節點負責現場控制，上傳數據到物聯網平臺。數據傳輸方式可采用無線ZigBee模式，將傳感器的數值傳送到ZigBee節點上，實現主控節點和終端節點間無線傳感網絡通信[5]。用戶終端通過PC端遠程訪問溫室數據，實時顯示數據、查詢歷史數據、觀察數據的圖形走勢，并能夠發送控制指令驅動機構。采集的數據需要發送到物聯網平臺，進行存儲、查詢、監測報警、分析與管理。其結構框架如圖1所示。目前，該方案已經應用于物聯網智能大棚、溫室遠程監控及農產品質量安全信息平臺等領域。

圖1 智慧農業構架

2.2 智慧農業系統功能

物聯網智慧農業平臺系統由感知層、傳輸層、應用層組成。感知層由無線傳感器網絡組成，該層包括終端節點和主控節點。終端節點從溫室采集溫度、濕度、光照度信息，通過無線的方式將采集數據發送到主控節點，主控節點再通過移動通信網絡接入Internet，將數據匯聚到物聯網平臺。傳輸層包括無線通信設備、移動通信網絡、Internet，傳輸層負責將溫室采集的數據上傳到物聯網平臺，并將用戶發送的遠程控制指令下發到溫室設備執行。應用層使用戶在物聯網平臺實現數據的存儲與管理、事件警報、控制管理溫室設備等功能，應用層為用戶提供一個與溫室的交互界面，通過Web網頁，用戶能夠查詢歷史數據、實時采集溫室數據、下發控制指令、設置觸發報警事件。

2.3 智慧農業的關鍵技術

智慧農業包括信息技術的感知、農業信息的傳輸和農業信息的處理等關鍵技術。

1）信息感知技術。農業信息感知技術是智慧農業的基礎，作為智慧農業的神經末梢，是整個智慧農業鏈條上需求總量最大和最基礎的環節，主要涉及農業傳感器技術、RFID技術、GPS技術及遙感技術[6]。農業傳感器技術是智慧農業的核心，主要用于采集農業生產要素的信息，如溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度等數據，空氣中的PM2.5，養殖中的pH值、濁度、氧氣含量等。

RFID技術即無線射頻識別技術，通過無線通信結合數據訪問技術，連接數據庫系統，實現非接觸式的雙向通信，達到識別目標對象的目的。在智慧農業中，GPS技術對農業生產過程狀況進行跟蹤和定位，實現農業生產的精準化操作。智慧農業中使用遙感技術，利用高分辨率遙感信息，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息，獲取小區域長勢與背景的差異，全面監測農作物的生長過程中的周期狀況和土壤水分含量等數據，從而提供精準農業實施定位處方農作所需的信息。

2）農業信息傳輸技術。農業信息傳輸技術是智慧農業傳輸信息的必然路徑。在智慧農業中運用最廣泛的是無線傳感網絡。無線傳感網絡是以無線通信方式形成的一個自組織多跳的網絡系統，由部署在監測區域內大量的傳感器節點組成，負責感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。

3）信息處理技術。信息處理技術是實現智慧農業的必要手段，也是智慧農業自動控制的基礎，主要涉及云計算、GIS、專家系統和決策支持系統等信息技術。

3 物聯網對智慧農業發展推動作用

智慧農業是指在相對可控的環境條件下，采用工業化生產，實現集約、高效、可持續發展的現代超前農業生產方式，就是農業先進設施與陸地相配套、具有高度的技術規范和高效益的集約化規模經營的生產方式。如利用傳感網絡對土壤溫度、濕度、光照度進行實時監控并有效控制滴灌，提高農產品的品質，提高產能，節約用水。通過傳感器、定位技術和移動互聯網等技術的整合，實時采集溫度、濕度、光照等環境參數，對農業綜合生態信息進行自動檢測和遠程控制等。

3.1 傳統農業的弊端

傳統農業生產的物質技術手段落后，主要依靠人力、畜力和各種手工工具以及一些簡單機械。在現實中，主要存在的問題是：農業科技含量低，裝備水平相對滯后，農業污染嚴重，農業產出少，農民收入低[7]。主要表現為以下幾方面：

1）傳統農業的特點是精耕細作，農業部門結構較單一，生產規模較小。一般只能夠自給自足，無法大規模生產。2）經營管理和生產技術比較落后，抗御自然災害能力差，受自然天氣影響非常大，“靠天吃飯”是最好的詮釋。傳統農業中，澆水、施肥、打藥等過程，農民大多憑經驗、靠感覺。3）農業生態系統功效低，商品經濟較薄弱，基本上沒有形成生產地域分工，不適應現代經濟運作模式。

3.2 物聯網對智慧農業發展的推動作用

1）物聯網是加強農產品質量安全的有效舉措。農產品質量安全是當前社會普遍關注的熱點問題。運用物聯網技術，加大對農產品生產、流通到消費整個流程的監管，完善農產品安全追溯系統，保障農產品安全。

2）物聯網是發展現代農業的重要支撐。應用物聯網技術改造傳統農業，實現對農業用藥、用水、用肥以及畜禽和水產養殖的精確控制，減少浪費，降低污染，加強疾病防疫及疫情防控，實現農業高效、可持續發展。

3）物聯網是提升農業決策指揮水平的重要手段。通過物聯網技術對農作物生長、森林防護、畜禽和水產養殖等進行監測，可實現準確感知、及時反饋，提升農業決策指揮水平。

4 物聯網對智慧農業提升策略

4.1 全面構建“互聯網+”現代農業的發展模式

在原有農業信息功能的基礎上，建立農產品價格信息系統，指導農民按照市場需求配置生產資源。建立農業科技信息聯合服務系統，建設以實用技術和推廣實例為主要內容的信息資源數據庫群，實現科技信息的聯網檢索查詢服務，推動農村電子商務發展。開發國內、國外兩類信息資源，加強涉農部門的溝通與協調，建立農業專家系統、農業基礎數據庫系統和信息交換制度，實現涉農信息共享。進行制度化建設，改變信息重復采集、分割擁有、壟斷使用和低效開發的局面，推動物聯網與農業生產、經營、管理和服務的融合。

4.2 實施農業科技裝備創新行動

推廣高新技術，充分發揮現代農業產業技術體系作用，啟動重點種源關鍵核心技術攻關，選育和引進一批農業新品種，集成一批重大關鍵技術。提升農機裝備，推動農機裝備產業集群化發展，開展全程機械化農事服務中心創建，強化農機試驗鑒定能力提升，提高機械作業服務化水平。發展數字經濟，實施農業農村數字經濟建設三年行動計劃，全面完成智慧農業“123+N”各項建設。扎實推進“一村一名大學生工程”，繼續實施現代農民培育計劃、基層農技人員“三定向”培養工作，擴大農技推廣服務特聘計劃，吸引更多的實用人才扎根農村、服務農業。將職業農民培育納入國家教育培訓發展規劃，形成職業農民教育培訓體系，滿足智慧農業對人才的需求。

4.3 構建農產品電子商務平臺

構建全新的農產品電子商務營銷體系，加強農產品批發市場業務應用系統的建設，完善信息全方位、網絡化、及時化的傳遞，通過電子商務、網絡交易等現代交易手段實現信息的共享，提高農產品批發市場的輻射力，構建與國際市場接軌的農產品現代流通體系，促進農民增收和保障農產品流通安全，發揮農產品現代流通體系的整體功能。建立農產品質量安全追溯體系，提高農業信息化水平。

4.4 以5G技術推動智慧農業新發展

5G是繼4G之后的新一代移動通信系統，已經投入商用。5G擁有比4G更高的頻譜利用率和傳輸速度，能滿足未來10年信息海量的傳輸、機器間的通信、網絡智能化等要求[8]。目前，5G技術推動了農業信息化發展，從實現農業生產過程的信息感知、精準管理和智能控制三大層面切入，將5G通信網絡云計算大數據以及智慧農業前沿技術融合，應于高價值農業種植，并從監測農業養殖以及農產品精確溯源等方面，全面提高農業生產的精細化、高效化，促進農業可持續發展。5G網絡的使用可極大提高農業水平，有力推動農業現代化進程，助力鄉村振興。

5 結語

通過對智慧農業發展現狀及物聯網信息技術的智慧農業結構、組成與功能的分析，在我國大力推動農業信息化的前提下，物聯網將是農業信息化過程中的一個突破口，必將深刻影響現代農業的未來。同時，智慧農業概念的提出與我國現代農業發展的迫切內在需求相吻合，既是歷史機遇的巧合，也是農業發展的必然。要牢牢抓住“互聯網+”戰略機遇，深入推動互聯網和農業生產、經營、管理和服務的融合。重視物聯網與農業結合，大力發展智慧農業。