物聯網及其在智能農業中的作用

王永強，孫樹莉，高 佳

（1.天津市農業廣播電視學校，天津 300384；2.天津市農村社會事業發展服務中心，天津 300384）

物聯網（Internet of Things，IoT）的提出與發展掀起了一個幾乎可以跨越所有學科和工程技術門類的新浪潮（被稱為第三次浪潮），并在不同學科之間互相交叉與整合，從而形成了一個全球性的技術革命，從根本上改變了科學決策方法、生產效率、消費理念、人與人之間的關系、人與物之間的關系以及生活方式。所謂物聯網，就是通過互聯網將包括人類、動物、植物、商品、機器、儀器設備、溫度、壓力等物體或物理量通過音、像、味覺、嗅覺等傳感器進行數字化處理，利用電腦、智能手機和各種智能信號采集系統接入互聯網絡，通過互聯網絡中不計其數的計算機進行數據處理、傳輸、存取、交流與決策。物聯網的概念最早是由凱文·艾什頓（Kevin Ashton）于1999年創造，但直到2005年國際電信聯盟（ITU）才正式確定了物聯網的概念及其內涵。如今，物聯網已在網絡商務、智能家居（Smart Home）[1]、智能交通、智能醫療、智能物流、智能電網、智能家電、疾病防控、健康關懷、各種機器人網絡控制等領域取得了成功。

1 農業物聯網主要架構

1.1 物聯網感知層

農業物聯網主要適用于在農業生產的整個過程中，包括從不同農產品生產地—生產環境—生產過程—收獲—加工—儲藏—運輸—市場—消費的全過程中應用已有的和需要開發的信息采集系統，包括視頻、音頻、圖像、化學、光學、物理學、生物學分析和檢測儀器、儀表、傳感器等所測定的信號，經過高通量信號采集系統進行分析與存儲，通過專家系統對所采集的信息進行智能化判斷，將調控指令發送給自動控制系統，實現對現場設施的自動化控制。物聯網最關鍵的環節在于將這些數據接入互聯網，實現網絡控制、智能化控制和遠程控制。與其他IoT相比，農業物聯網更復雜、更廣泛，涉及人類生活、食品安全、生存環境、生態監控、氣候變化等方面，還包括以農業為基礎的所有工業生產和市場運營等方面。在科學技術層面上，農業物聯網傳感層更加復雜，涉及更多學科領域，對生物技術和傳感器等領域的科技進步與創新的依賴性更大。

1.2 物聯網網絡層

物聯網網絡層主要涉及WLAN、LAN、CDMA、5G或6G通訊技術。物聯網網絡層能夠及時、準確地將數據從生產者傳輸到銷售者再到消費者，所有環節的感知層所收集到的相關數據通過互聯網傳輸至任何有需要的地方，如傳輸至管理層、生產者和消費者手中。

1.3 物聯網應用層

物聯網應用層面向終端用戶，可針對不同用戶的不同需求建立相應的操作平臺。這個操作平臺可根據用戶需求進行改進、創新、發展和完善。在網絡銷售平臺上，銷售者可以向生產者反饋銷售情況、市場、消費者需求信息，從而使生產者能夠針對市場需求和自身條件調整產品類型，改進生產方式，及時作出決策。利用物聯網應用層所提供的大數據對物聯網感知層獲取的信息進行分析處理，從而對農業生產的產品種類、生產過程、病蟲害防治、農產品加工、儲藏、運輸、食品安全等根據國家和消費者需求進行決策、管理和控制；利用農業生產、農產品流通等過程中的大數據，提升農業生產能力，實現對生產過程控制、質量控制、技能培訓、生產效率、資源利用率的有效管理；還可利用區塊鏈對農產品加工、儲藏、市場流通、銷售、產品溯源等環節進行管理與控制，從而實現農業生產真正意義上的數字化、精準化和智能化[2]。

2 智能化農業

2.1 智能農業感知層

通過智能化（Smart Agriculture）、精準化（Precision Agriculture）、數字化農業（Digitalization Agriculture）生產保證食品供應已成為社會發展和科技進步急需解決的基本問題[3]。數字化城市必須由數字化農業來保證，而數字化農業則需要將各種需求信息與農業生產的各個環節相互關聯到一起，這個可以把生產、儲藏、運輸、市場流通和消費者聯系在一起的網絡就是物聯網絡。在物聯網系統中，生產者可將消費者多樣化需求的海量信息進行綜合分析并不斷優化，及時作出生產決策。這個過程是基于云物聯網（Cloud IoT）實現端點對端點來解決，可完整地收集傳統農業信息和新型感知技術所獲得的數據，包括氣象資料、高分辨率衛星資料（Very High Resolution satellite VHR）、無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）、各種傳感器，特別是生物傳感器（biosensor），以及各種現代分析儀，包括高通量信息采集處理系統等，將所測定的信息經過處理分析后通過邊界設備傳送到網絡層，通過網絡層人工智能技術（Artificial Intelligence Techniques）、區塊鏈技術（Blockchain Technologiesas）對這些資料進行加工、建模，最后提供給智能應用層（Intelligent Application Layer），按照“web”和移動智能界面（如智能手機、筆記本電腦）的要求將這些信息以可視化（Visualization）的形式提供給應用者。

多種傳感器平臺的應用和集成系統包括：用來建立所有時空采集信息之間的相關性、動力學、函數等的智能模塊和軟件組件；發現、校驗并確認IoT平臺可作為智能決策、支持系統以及各農場或生產者的傳輸系統；為各種農產品建立完善區塊鏈（Blockchain）、農產品溯源以及智能農業生產的系統。

2.2 智能農業服務層

通過農業物聯網系統使所有的服務環節符合各種用戶、各種服務功能的需求，同時還要保證各個模塊和本地云（the local cloud）的自身特性以及自身運轉需求。該應用系統的服務對象包括消費者、生產者、管理者，具有儲存、整理、輸出大數據的功能。為實現不同功能物聯網的開放性、可擴展性（scalability）、應對數據安全性的挑戰，IoT的構建框架必須具備開放源代碼系統（Open source system），需要一個IoT設備的登記服務構架（Framework），允許異構系統架構（Heterogeneous Systems）或部件之間的互相連接，保證系統安全運行和數據安全性。應用這些參數調節網絡的可擴展性、安全性、保密性和系統的自適應性（self-adaptability），為智能機器人的使用和控制提供發展空間。

在畜牧業IoT研究方面，一個相似的系統已經在內蒙古自治區和山東省通過將傳感器嵌入動物耳朵，對動物進行測試和研究，進而更好地對動物飼養進行智能化管理。到2014年，我國物聯網產業規模已超過6 000億元人民幣。

針對農業供需和發展日益全球化的趨勢，羅馬尼亞推出了智能農業項目（Smart Agro），被稱為國家精準農業計劃（National Precision Agriculture Project）。該計劃主要通過數字化實現智能農業，即通過將全球定位系統、云計算和IoT用于農業生產，實現農業智能化。該項目的目的在于發展一個帶有自重構（Self-reconfigurability）和自診斷功能的遙測系統（Telemetry System），使其應用于IoT/M2M通訊，實現在一定面積內的全局移動信號覆蓋。該遙測系統可應用于所有類型的農業領域，包括葡萄種植、水果生產、蔬菜生產、禾谷類作物栽培等。通過對這些作物的標準化監控，可將上萬個相關站點的葡萄、蘋果、梨、土豆、小麥、玉米等置于視野內，如葡萄的3種主要病害可分別通過專家智能管理系統軟件進行有針對性的野外管理。該遙測系統可分別通過傳感器對降雨量、土壤濕度和土壤水分蒸發、蒸騰損失總量等參數進行測量、處理與儲存，作為自動灌溉系統的控制參數。該系統還可以提供其他重要數據，如日常接受到的熱量、植物累計生長量、升溫/降溫時數以及對這些參數的日常統計、月/季統計。

2.3 農業物聯網架構

本文根據研究現狀，構建了智能農業物聯網平臺框架（Smart Agro Architecture）。

一般來說，智能農業物聯網平臺框架（圖1）包括：設備層（Device layer）、網絡層（Network layer）、智能農業（Smart Agriculture）應用層。智能農業設備層一般需要遙感系統和一系列本地云作為基本構件，針對不同需要加設其他檢測設備、傳感設備和其他智能信號采集、加工、處理、儲存等儀器設備。Smart Agro由一系列本地云組成，分別對應特定的農業作業單元（農場、牧場、林場或農產品加工生產線等）。每一個本地云又由下列子系統組成：（1）郵包（Parcel），郵包是代表本地云的一個元件單位，它大致對應一個農場，但有時也代表一組郵包，這依賴于實際應用情況而定。每個郵包又由一系列層組成：①監視設備和平臺層（platform layer），本層含有收集野外、田間或農產品加工單元的原始數據（raw data）所必需的軟件、硬件，并進行短期存儲，各種傳感器、專業遙測站等都可能應用。②邊界網絡連接層（Edge layer），這個邊界層也被稱為基于傳感數據歸并和加工基礎上的決策單元（decisional unit），用于人工智能技術（AI techniques）決策的提交，這也是精準農業（Precision agriculture）極為重要的組成部分。（2）通訊層（Communication layer），也就是郵包和網關之間的通訊進行地點，主要應用低功率（low-power）和遠程技術（long-range technologies）以適應通過電池（組）供電傳輸數據，例如LoRaWAN模塊。（3）網關（Gateway），網關是智能農業云平臺（Smart Agro cloud platform）的入口，是一個邏輯實體，位于本地云的中間位置。（4）本地存儲，是將數據儲存在數據庫管理系統中（Database Management System，DBMS），同時將數據傳輸到Smart Agro中樞云（Central cloud），是與Smart Agro云通訊屬于同一種基于MQTT代理（Mosquitto broker，MQTT broker）的發布/訂閱機制（publish/subscribe mechanism），從而實現云平臺內部通訊。該組件的目的在于保證數據的持久性并減少場景延遲。（5）在線任務或加工處理，經MQTT代理之后，數據傳輸引擎將取出并格式化（Format，或歸一化）來自不同傳感器的數據，將其轉化為結構化的數據，通過決策支持組件將對之前加工、處理、分析過的結果作出決策。在本地云中，設備、資源管理服務器將在一定范圍內被用來實施、發送、通知，并在信號設備發送失敗或發生故障時用來報警。

圖1 智能農業物聯網平臺框架

與工業物聯網相比，農業物聯網特別是大田作物栽培和田間管理系統，其能源保障是一個關鍵性問題，利用太陽能或風能是一個合適的選擇。本文參考現有研究，構建了以太陽能電池為動力系統的田間物聯網框架（圖2），圖中（A）為農業傳感器節點和太陽能電池，（B）為匯聚節點和執行器節點（Sink and actuator nodes），（C）為網關節點和云計算[4]。

圖2 以太陽能電池為動力系統的田間物聯網（field-based Internet of Things）框架

3 中外農業的比較分析

3.1 從農產品生產成本分析我國農業的比較優勢

李大林和王西慶[5]對中外農業生產進行了比較，認為：一是中國主要糧食作物生產成本總體偏高，在國際上基本沒有價格與貿易競爭優勢。二是油料作物具有一定的成本優勢，但食用成品油缺乏競爭優勢。雖然我國菜籽油成本低于國際市場價格，但由于菜籽油中含有高芥酸、高硫代葡萄糖苷，在國際貿易競爭中也沒有優勢。三是棉花生產資源配置缺乏效率，取消貿易保護使中國棉花處于更加不利的地位，已經逐漸從世界棉花主要出口國變成棉花主要進口國。四是蔬菜生產具有較大的成本優勢。我國農村勞動力資源豐富，蔬菜種類繁多，不同地區、不同習俗、不同飲食文化背景的人群需求不同，人工投入較多，屬于勞動密集型產品，而且蔬菜的儲藏運輸受地理限制因素影響，導致這種優勢具有一定的持續性。五是瓜果類生產具有較強的貿易競爭優勢。我國瓜果類產品的栽培和生產依賴于氣候條件、土壤類型、地理位置、栽培技術、瓜果品種等多樣化條件，使瓜果類產品總體上具有較強的競爭優勢。六是畜產品具有較高的成本優勢。七是水產品具有較高的成本優勢。八是糖料作物生產具有明顯的競爭優勢，但需要提高制糖工藝水平。由于我國食糖加工業生產技術落后、生產效率低、品種結構和產量不合理、市場運營不規范等因素，制約了糖料作物生產優勢的發揮。九是由于云、貴、川地區，特別是云南省得天獨厚的氣候優勢，使得花卉類生產和貿易具有較強優勢。十是其他如茶葉、中草藥等具有較大的優勢和發展空間，但依然需要面對日本和韓國的競爭。

3.2 從國際貿易分析我國農業的比較優勢

從近幾年出口的商品種類分析，我國具有明顯競爭優勢的農產品種類依次為畜產品、水產品、蔬菜、肉類、水產品加工制造品等。從出口的商品價格優勢來看，大宗農產品如糧食、食用植物油價格比國際市場高，而園藝品、畜產品明顯具有成本優勢。

3.3 中外農業產業化模式比較與分析

農業產業化經營的組織模式是指在農業產業一體化組織系統內，各參與主體之間相互聯結和影響所構成的一種一體化組織形態。農業產業的科學發展可以促進資源的合理分配，降低交易風險，促進農民增收。但由于我國農業產業化的發展歷史較短，發展不平衡，尚存在不少問題，如農戶與龍頭企業之間的關系比較緊張，組織化程度不高，財務管理制度不夠完善，企業之間往往存在惡性競爭等問題，由此造成農產品積壓或農產品緊缺，嚴重挫傷農民的積極性。而在一些發達國家，農業產業組織化程度比較高，其組織模式也比較成熟穩定。國外發達國家農業產業化組織模式主要有3種：公司模式、合作社模式及合同生產模式。發達國家農業產業化組織模式已經歷了一個由低級到高級、由分散到聯合的發展過程。為促進農業產業化的健康發展，我國政府和研究人員研究提出了大量的改革方案，也取得了很大成效，但要真正實現農業產業化可持續發展并非易事，因為我國農業生產的現實情況遠比發達國家復雜，特別是面對復雜多變的國際競爭、國內競爭以及復雜的民族、人文、地理、風俗、社會、經濟、自然環境等差異，尋求適合我國農業產業化可持續發展的道路困難重重，甚至不同專家和不同觀點之間也爭論不休。隨著農業物聯網以及數字農業的發展，為上述問題的解決提供了全新方案。利用農業物聯網技術可將復雜的農業生產、農產品加工和監控過程通過傳感器、感知層、攝錄設備等高通量檢測技術和信息采集系統，將所采集的海量數據呈現給用戶和消費者，逐漸形成一個農業物聯網系統，將涉及的每一個農業領域、每一個農業生產者和消費者囊括在內。在這個農業物聯網中，消費者可以訂購自己所需要的農產品；生產者可以根據銷售市場所形成的大數據，計劃和調整自己生產的農產品與數量；政府可以根據國家的整體發展規劃通過市場和金融手段進行決策和監控。隨著工業物聯網、家用電器物聯網、運輸和大眾健康物聯網技術的不斷成熟，通過物聯網進行智能儀器、儀表、機器人、機械設施、智能手機等進行遠程控制，預計會很快進入農業生產、采收、加工、儲藏、冷鏈、安全監控等過程和環節中。換言之，農業物聯網顯然可以為我國智能農業和產業化發展帶來千載難逢的跨越式發展機會。

4 農業物聯網構建、發展和完善是智能農業的必由之路

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、大量使用化肥導致土壤板結、水體富營養化、生態環境污染、極端化天氣的發生與發展等問題。針對這些問題，我國科技人員積極開展生態農業、綠色農業、智能農業等方面的研究，并在物聯網的提出和呈現出一定的發展前景之初即開始了智慧農業與農業物聯網的研究與構建工作。經過近10年的努力，農業物聯網已經取得了較大進展，充分展示了農業物聯網技術在智能農業中的重要作用，初步證明了農業物聯網可以將分散而復雜的農戶、農業生產者、個體戶及大、中、小、微農業企業通過感知層進入網絡層，通過服務層將全國甚至全球的生產者、消費者、相關科技工作者的海量信息聯接在一起，為農業科技創新、新技術示范與推廣等提供巨大的便捷性。隨著農業物聯網技術的發展，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應用于大田種植、設施園藝、畜禽水產養殖、農產品物流、食品質量、安全監控與溯源等領域，實現對農業生產要素如土壤、環境、水資源、投入品的實時監測，對動植物生產過程的精細化管理，對農副產品生產加工的全過程監控，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。農業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。

面對復雜的農業土壤環境、氣候環境、作物栽培、良種選育與推廣、大眾多樣性且不斷變化的營養需求，面臨人們不同的健康狀況、年齡層次、口味嗜好、供求市場等眾多因素交織在一起的挑戰，要實現科學決策除了需要海量的數據以外，遇到的幾乎都是非線性的復雜體系，只有通過分布在世界各地的計算機或智能通訊設備所形成的通訊網絡——互聯網絡，才能快速、準確、及時地解決存在的問題。通過物聯網，人們可以不斷積累和完善數據，不斷優化解決方案，促進經濟、市場、貿易、生產、消費的全球化信息交流，甚至把整個世界變成一個“地球村”。目前，物聯網已經成為一種數學方法、思維方式和非線性復雜體系的解決通道，被廣泛應用于解決醫藥學、生命科學、經濟學、環境科學、生態學等領域的非線性復雜問題，并取得了巨大成功。

5 我國農業物聯網創新和發展取得的重要進展

5.1 食品質量與安全監控物聯網大平臺已初步建成

我國早在2012年即開始致力于推進農業物聯網的創新研究與建設，國家科技部將“農業物聯網與食品質量安全控制體系研究”列入國家“十二五”和“863”項目予以資助。該項目在開放、可擴展、標準統一的食品安全物聯網體系架構和應用服務支撐平臺方面取得了重要突破，實現了“異構網絡數據互聯互通”，在黃河三角洲、陜西省咸陽市楊凌區等多個地區的農產品生產與加工、質量與安全管理等方面進行集成和應用，建立了農業物聯網從政府推動到市場驅動的商業模式，構建了食品信息溯源物聯網大平臺。

5.2 物聯網與區塊鏈相結合實現農產品精確溯源

農產品特別是食品質量與安全問題始終是大眾關注的焦點。傳統的農產品溯源體系往往缺少公信力，面臨監管困境和擴展性問題。隨著物聯網、區塊鏈技術的創新與發展，其分布式、去中心化、安全性、透明性、可追溯、不可篡改性等特性使其在食品和農產品安全溯源方面具有獨特的優勢。李天明等[6]綜述了物聯網和區塊鏈技術，探討了當前國內外學者將區塊鏈技術和物聯網框架融合應用到農產品溯源中的應用技術，闡述了利用物聯網技術和區塊鏈技術相結合進行農產品溯源所具有的安全性、可靠性、透明性等優勢，討論了應用該技術溯源所面臨的可擴展性、效率以及資源利用等面臨的挑戰。

農產品特別是食品質量與安全監控并不能僅僅依賴于一般意義上的物聯網絡結合區塊鏈技術就能夠徹底解決問題，目前雖然物聯網和區塊鏈在軟件和平臺建設上已經日趨成熟，但在感知層層面上還面臨諸多科學和技術問題需要突破，如食品質量與安全檢測系統需要進行現場抽樣檢測、實驗室快速檢測，最好是在線檢測。顯然傳統的儀器分析設備與檢測方法不適合物聯網感知層的構建，需要大力開發相應的傳感器和高通量設備、快速檢測技術以及與之相配套的信息采集系統和數據處理系統。

5.3 供水與灌溉物聯網平臺建設

農村供水問題異常復雜，農田灌溉水資源浪費嚴重，水土流失嚴重，呈現點多、線長、面廣，傳統監控手段難以實現實時監控等問題。此外，農業用水過程中大水漫灌的現象依然存在，用水矛盾時有發生，供水系統跑、冒、滴、漏現象嚴重，供水保障率差等問題突出。針對這些問題，張恒飛等[7]提出了基于物聯網技術建設全鏈條覆蓋的監控體系，針對其特點提出了自動化運行控制策略。在獲取海量監測數據的基礎上，利用滑動平均算法，結合殘差平均誤差中位數和標準差，實現水資源大流量漏損檢測預警。針對上述問題，王猷智和周杰[8]提出了構建滴灌物聯網的水分灌溉利用系統。

5.4 物聯網管理系統構建

李智全等[9]針對海南省熱帶農業的生產特點，構建了農業物聯網管理系統，目的是實現物聯網設備的集成與管理，對農業環境、檢測數據、視頻資料、專家庫數據進行科學管理。其設計框架為：從農業生產、病蟲害防治、決策方面集成開發物聯網軟硬件設備，實現對作物栽培環境的溫度、光照、濕度等環境信息的即時傳感、采集、處理、存儲與傳輸，實現實時數據匯總和網絡查詢。基于GIS地圖，集中展示農業環境監測、生產參數監控、數據采集提供等多維統計分析，為農業高質量發展提供海量數據支撐。該系統包括視頻監控、氣象數據、墑情監測、預警管理、統計分析、專家系統、管理系統等。該系統基于J2EE研發，前臺采用Jquery及JavaScript技術，后臺采用Spring+SpringMvc+MyBatis框架，由數據層、服務層、通訊層、設備層組成。數據層由分類數據庫構成，其信息資源可以實現整合與共享；服務層也就是該平臺的技術支撐層，包含統計分析、報表、數據倉庫組件等服務引擎，服務層可提供不同用戶接口，可以實現信息查詢、交互通訊等功能；通訊層支持多種數據傳輸方式和交互數據通道；設備層的軟件能夠掛接多種終端設備，實現各種格式數據的交互與轉換。該系統已在多個示范基地進行示范推廣應用，面積達到1 000 hm2以上。

5.5 農業害蟲測報物聯網構建

農業植物保護和病蟲害測報是農業生產的一個重要環節，物聯網的構建與發展可使農業病蟲害測報更加準確、及時、高效。包曉敏和汪靜波[10]介紹了物聯網技術在農業害蟲測報方面的研究現狀、進展、關鍵問題與展望。應用于農業害蟲測報的物聯網技術涵蓋了傳感器技術、信息采集與處理技術、通訊技術、自動化控制技術、大數據挖掘技術、Web開發等諸多技術，通過這些技術的集成與應用，可真正實現農業害蟲測報的自動化、精準化、即時化檢測與處置。農業物聯網技術依賴于農業信息的感知和信息采集以及智能化處理技術，物聯網感知層可以把各種農業生產要素包括環境、生產工具、農作物耕種、栽培、施肥、植物保護、收獲、采后加工以及生產者和管理者緊密聯系在一起，實現農業病蟲害監控與處置的高效管理。目前，我國在蟲情測報物聯網平臺構建方面已經取得了較大進展，針對農業害蟲測報的特定場景和特殊要求，農業害蟲測報物聯網分為4層結構，即感知層、傳輸層、服務層、應用層，包括數據采集終端、無線通信網絡、云平臺、可視化軟件等。農業害蟲測報物聯網的重要特點在于感知層的數據采集系統負責采集與農業害蟲有關的原始數據，通過無線通信網絡—傳輸層將數據上傳至云服務平臺層，負責數據處理與存儲；應用層的用戶可通過互聯網網頁、手機APP等實現對農業害蟲測報結果的查詢；農業管理系統可根據害蟲測報系統提供的數據進行決策與處置。農業害蟲測報物聯網的核心是其感知層對害蟲的識別與計數，因此與害蟲識別和計數相關的傳感器、音、像及其識別和計數系統是感知層的關鍵。值得注意的是昆蟲往往通過信息素，特別是性信息素控制其繁衍和群體聚集，造成蟲災。針對害蟲信息素的研究已有很多，但針對害蟲信息素進行測定的傳感器的相關研究則直到近年來才取得較大進展，通過研發出農業害蟲信息素的電化學型傳感器，實現對農業害蟲的快速測定。通過對農業害蟲的在線傳感和蟲情的即時預報，使物聯網感知層的構建更加高效。

5.6 通過農業物聯網實現對耕地土壤肥力的精準監管

土壤中富含氮、磷、鉀無機元素和多種有機物質，這些營養物質決定了土壤肥力的高低，可通過檢測土壤養分含量來決定作物施肥量，避免過度施肥造成土壤污染。土壤養分的檢測通常采取現場取樣、實驗室檢測的化學檢測方法，對檢測人員要求較高，并且耗時長、成本高。智能化農業生產需要通過各種傳感器對土壤有機質、氮、磷、鉀等養分含量以及生命元素進行傳感測定，將所獲得的數據進行采集、處理、上傳、存儲，實現對土壤養分以及土壤生物的實時監控與及時處置。王鈺瀅等[11]對農業物聯網如何實現土壤肥力的精準監管提出了對策建議，但目前仍僅為通過種植現場安裝的聯網監控攝像頭進行視頻數據的收集，安裝pH、氮、磷、鉀離子傳感器用來采集土壤數據，所能采集到的土壤數據相當有限。要真正實現通過農業物聯網對土壤肥力的精準監管，雖然其主體框架可以比照工業物聯網和商業物聯網平臺進行構建，但需研發各種定量化檢測傳感器，以方便對土壤有機質、無機元素、水分、微生物區系等參數進行快速和定量化檢測。要實現高通量、快速、在線、實時的土壤養分檢測，需要使用傳感器特別是電化學型傳感器替代傳統的化學儀器分析檢測方法。在農業生產中的各個階段，通過感知層獲取數據，利用物聯網及大數據進行分析，再通過互聯網實現上網和數據共享。生產者、用戶、消費者都可以在不同地點、層次、場所獲取相應的土壤養分數據，通過相應的手機App軟件進行操控和決策。研究表明，可利用近紅外光譜檢測技術測定土壤中的氮元素含量，利用土壤反射光譜特性測定土壤有機質含量，經上述檢測獲得的土壤養分數據可通過網絡共享，實現對肥料投入比例及用量的嚴格控制，從而減少過度施肥對環境造成的污染，如土壤面源污染、水體富營養化及其所帶來的人與動物的健康風險等。

5.7 蔬菜基地物聯網構建

溫室和塑料大棚是我國設施蔬菜種植的主要形式，也是城鎮居民蔬菜供應的主要來源。但目前大部分設施蔬菜的種植和管理依賴于傳統經驗，嚴重制約了蔬菜的科學化種植和管理，甚至造成巨大的物價波動和浪費。如能利用物聯網技術，可實現設施蔬菜智能化種植、智能化管理、智能化銷售，將極大地促進蔬菜生產與消費的網絡化管理，實現產銷一體化，促進農民增收。孫杰[12]以蔬菜種植基地為研究對象，搭建了適用于蔬菜基地控制與管理的物聯網平臺，該管理平臺系統可針對物聯網感知層所采集的環境信息以及蔬菜的生長參數進行管理。感知層所采集的信息經過數據處理和歸一化后傳輸到網絡層，生產者和管理者可通過應用層的各項參數來進行生產、監控、管理、冷鏈運輸、儲存、銷售。該物聯網感知層依靠RFID技術作為信息采集系統，相關傳感器將生產過程中各環節所采集的數據匯集在感知層，進行信息識別、分類、參數運算。網絡層通過移動通信、互聯網通信技術搭建起感知層之間、感知層與應用層之間的通訊聯系。應用層為物聯網系統的實踐層，通過物聯網的實際應用層對蔬菜種植過程進行監控和管理，從而實現蔬菜種植過程中相關參數的實時采集、分析、傳輸及遠程監測。

李寒[13]針對設施農業蔬菜大棚智能控制系統的具體需求，設計了整體物聯網架構，分為信息采集層、數據傳輸層、設備控制層、遠程監控層，層間以LoRa 無線通信技術進行數據傳輸。硬件部分由主控制器、傳感器、信息采集系統、LoRa、Wi-Fi 模塊以及GPRS 模塊組成。該系統具備實時監測設施蔬菜大棚內的環境信息、數據記錄查詢與管理等功能。服務層可為大棚用戶提供手動和自動控制2種模式，方便對設施蔬菜大棚進行管理。通過對該系統整體和各部分的主要功能、穩定性、LoRa無線通信性能、Web信息管理系統的測試表明，該系統運行穩定，可實現數據查看、遠程控制以及管理等。

5.8 設施農業物聯網構建

我國在設施農業建設方面做出了巨大努力，為實現農業物聯網創造了條件。農業機械和設施的自動化是農業物聯網的基礎，其設計、生產、銷售、安裝、調試與農業生產過程緊密相連，又與工業物聯網具有一定的相似性，所以設施農業在農業物聯網建設中得到優先發展。武麗萍和張興波[14]對設施農業物聯網平臺設計了初步的總體構想，提出通過采集農業機械制造、銷售、購買、安裝、調試、使用及維修等完整過程的數據，對這些數據進行加工、處理，與互聯網銜接構建農機物聯網；通過采集生產環境以及設施農業生產全過程的數據，構成設施農業生產物聯網；通過網關的可連接性，保障農業機械生產銷售與設施農業生產過程之間的互聯互通。農機物聯網監管平臺包括監控平臺、數據庫共享平臺、決策平臺、管理平臺等。通過對農機物聯網和設施農業物聯網的構建、數據共享和應用整合，可實現農業生產、管理、倉儲、運輸等環節的網絡化和智能化。

5.9 農業物聯網電子商務

洪軻[15]調研了江蘇省常州市、溧陽市農業現代化發展現狀，結合其資源特色，搭建了基于物聯網+現代農業電子商務的特色平臺。通過該平臺可將農產品生產、銷售完美結合，實現休閑農業、鄉村旅游、農產品網上銷售、流通、溯源、運輸配送等服務一體化。該平臺將農產品溯源與電子商務相結合，不僅可以使消費者了解整個農業生產過程，而且可進行農產品溯源，使消費者心明眼亮、放心購買。該平臺軟件架構分為3層：支撐層、服務層、應用層，支撐層主要由軟硬件組成，支持分布式集群部署；服務層由開發平臺和公共核心構件組成，為服務的客戶提供基礎支撐，主要包括數據和日志訪問、第三方支付等功能；應用層主要包括O2O網購系統、農產品質量與安全溯源系統、企業ERP管理系統。

5.10 物聯網技術在高原特色農業中的應用

劉加練等[16]對云南省高原地區特色農業物聯網技術的應用情況進行調查分析與展望，調查了花卉、蔬菜、果樹、畜禽養殖等領域共73家企業、種植大戶、合作社，了解農業物聯網技術的應用情況。調查顯示：（1）在露天蔬菜種植過程中，主要利用傳感器檢測土壤溫度、濕度、鹽分、水分；對空氣中的溫度、濕度、風向、風速進行檢測；通過攝像裝置采集農作物生長發育數據和農業災害發生情況；通過圖像識別軟件進行蟲情測報，實施誘捕殺蟲及其成效分析；利用水肥一體化設備進行澆水和施肥控制。設施蔬菜種植主要是通過傳感器和監控攝像頭觀察并測定溫室、大棚中的土壤溫度、濕度、氮、磷、鉀含量、pH及空氣溫度、濕度、二氧化碳含量、光照強度、蔬菜生長發育等信息，并對這些數據進行管理，部分溫室、大棚可進行自動控制生產，較露天種植自動化程度高、針對性強。（2）在花卉種植過程中，通過傳感器和監控攝像頭對溫室、大棚中的土壤和空氣溫度、濕度、水分、營養、光照強度等參數進行實時監測，通過數據處理、分類、儲存、傳輸、共享，用戶可以根據這些參數進行手動或自動控制其灌溉系統、加熱或降溫設施，實現對花卉生產全過程的精確調控。（3）上述物聯網技術同樣可在草莓種植和中草藥種植中應用。（4）物聯網技術在果樹種植中的應用主要為：通過終端監測儀器設備對果樹的土壤和空氣溫度、濕度、光照強度等進行監測，采集的數據經過分類和處理后再通過網絡傳輸到網絡層，技術人員可通過服務層獲取數據，進行分析和決策。（5）將生產、加工、儲運、銷售等環節的信息應用于果蔬質量與安全的監控，可實現果蔬生產的智能化管理。（6）物聯網技術在畜禽養殖中的應用主要是通過射頻和條形碼技術，采集畜禽飼養環境、生長發育數據等，將這些數據傳輸到服務層，方便飼養管理人員實施動態監控和管理。

6 總結與展望

改革開放以來，我國農業取得了長足的進步和發展，我國用全球約7%的耕地面積養活了全球約22%的人口。隨著物聯網科技的不斷創新、積累、推廣和完善，物聯網技術將全面應用于智能農業、數字農業、精準化農業，促進農業生產決策、產業化發展、市場化運行等方面更加智能、高效，對我國鄉村振興以及農民增收將起到積極的促進作用。