融合物聯網的智慧農業實踐研究

摘 要：聚焦物聯網技術與智慧農業領域融合發展態勢，首先闡述了智慧農業的內涵與外延，并指明了智慧農業實施的3個典型路徑。結合物聯網、大數據、人工智能與云計算等信息技術構建了一種符合工業互聯網架構的智慧農業系統結構，并在我國最大的智慧農業項目中進行了部署應用，實現了水肥一體化灌溉管控、農作物生長環境全參數實時動態監控目標，解決了大水漫灌、施肥過量、農作物狀態監測缺失等一系列問題。應用結果表明，物聯網技術為智慧農業產業發展提供了強力支撐，有利于推動我國智慧農業高質量發展。

關鍵詞：智慧農業；物聯網；工業互聯網；水肥一體化；大數據；人工智能；智能分析

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

近年來，隨著工業互聯網、工業大數據、無人機、近地遙感、人工智能等前沿技術的創新應用與不斷發展，我國提出了構建智慧城市、智慧社會等重大發展戰略。由于農業發展關系民生大計，智慧農業發展也成為國之重任之一，因此我國頒布了一系列利好政策，構建了一系列設施農業、大田農業智慧化種植管理、農產品質量監管服務平臺等系統工程，有效推動了我國智慧農業的高質量快速發展[1]。智慧農業發展戰略的實施，將有利于推動我國農業智慧化發展進程，提升農業生產過程信息化與智慧化管控水平，實現產量提升、質量改善、品質保障，進一步推動農業安全水平和產品質量提升[2]。

雖然我國智慧農業發展取得了一定成效，但仍面臨如下幾方面問題：首先，農業種植區域分散性比較大，小片區種植情況相對較多，機械化種植實現難度大；其次，農作物生長環境監測的信息化程度較低，尤其部分傳感感知設備核心部件不具備自主知識產權，傳感器國產化程度較低；最后，缺乏智能化精準作業裝備，作業質量較差，智慧化協同化管控能力較差，農業大數據體系尚未建成。在應用推廣上，雖然我國近年來完成了多項智慧農業示范項目，但是展示效果大于實際效果，實際應用價值體現程度較低。

1 智慧農業內涵

智慧農業集物聯網、大數據、人工智能、云計算、移動互聯網等新一代信息技術為一體，依托部署在農業生產現場的各類傳感設備和無線通信網絡等物聯網技術，實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。廣義上還包括：農產品倉儲物流及安全溯源、農業電子商務、農業休閑旅游、農業信息服務等。其本質是實現農作物種植、農產品質量、產品銷售等農作物產供銷全生命周期過程的信息化、智能化、智慧化管控，實現農作物生長高質量管控、產品全生命周期質量溯源智能化管理等目標[3]。狹義與廣義的智慧農業系統架構如圖1所示。

對比分析可知，狹義的智慧農業定義重點在于農作物生長環境的監管與智能化管控；而廣義的智慧農業則全面覆蓋了農業生產的全生命周期流程，可理解為農業全生態智能化管控。從根本上講，無論廣義或狹義的智慧農業系統架構，都融合了物聯網感知識別與傳輸技術及智能分析決策技術等。

2 智慧農業的實施路徑

智慧農業實施路徑可按照農作物種植、農產品加工與質量管控、農產品銷售服務智能化等3個階段執行[4-7]。

2.1 農作物種植階段

通過構建農業物聯網環境管控系統實現環境參數實時監測、遠程自動灌溉、自動施肥、自動卷膜與補光。系統具備智能報警、氣象預警、病蟲害預警和防治及專家分析指導等功能。通過采用先進的物聯網技術、農業大數據技術、農作物生長模型構建技術以及病蟲害診斷專家模型建設技術等，實現農作物種植的智慧化管控目標。

2.2 農產品加工與質量管控階段

結合射頻識別、圖像識別、圖譜分析等關鍵技術，構建安全可靠的質量溯源管控系統，實現農產品質量檢測、產量分析、能耗分析、未來種植產品預測和規劃等功能。本階段功能實現重點融合了深度學習算法、知識庫數據模型、安全可靠數據加密算法等，在算法技術融合的支撐下達成了農產品加工質量的信息化、協同化、智慧化管控的目標。

2.3 農產品銷售服務智能化階段

在工業互聯網平臺環境的支撐下，融合大數據、云計算與人工智能等新一代信息技術，構建具備云端營銷能力與云端銷售服務能力的農產品智能化銷售服務平臺；結合數據挖掘算法、市場走勢曲線分析算法、統計預測算法等，實現農產品銷售區域策劃、銷量預測、物流智能化規劃、產品溯源跟蹤、產品價格走勢分析等功能。

3 智慧農業實施的技術架構

結合智慧農業多技術融合特性，構建了其具體實施方案的技術架構，如圖2所示。該技術架構從工業互聯網平臺思維出發，融合物聯網、大數據、人工智能、云計算、邊緣智能等新一代信息技術，同時覆蓋了現場設備管控、水肥一體化管理、農產品質量管控等信息源[8-10]，在中國航天科工集團有限公司“一云五網N平臺M應用”戰略部署下，最終實現作物病蟲害專家診斷、農產品質量溯源管控智能化、產品銷售云端化、農機智能化、生長環境管控智慧化等目標。在技術架構中縱向設計了安全體系、標準體系、運維體系3大體系，進一步確保了智慧農業綜合體安全可靠、標準化與規范化運行，通過該技術體系建設及相關方案部署實施，將有利于推動智慧農業生態圈與產業鏈的構建部署，從而切實推進智慧農業高質量發展，有效改善三農網絡化落后、信息化滯后、智慧化缺失等現狀。

4 典型案例分析

結合圖2的技術架構，針對貴陽市大型蔬菜保供基地項目中智慧農業運營管控服務平臺開展了部署實施與應用。構建了貴陽市智慧農業管控服務平臺系統，該系統的建設融合了物聯網與工業互聯網平臺技術，在農業現場實現了水肥一體化灌溉管控、農作物生長環境全參數實時動態監控的目標，解決了大水漫灌、施肥過量、農作物狀態監測缺失等一系列問題；同時實現了節約用水、較低藥物用量、減少污染等目標。在農業大數據智能分析與決策方面，系統融合了病蟲害專家診斷算法、農作物生長模型技術等先進技術，初步實現了農作物健康預測、病蟲診斷與專家指導等目標；在農產品銷售與物流環節，構建了智能倉儲物流服務管理模塊、云端電商平臺、移動端銷售運營模塊等，可實現農產品全生命周期溯源管控、云端營銷服務等目標。實施應用平臺界面如圖3所示。

5 結 語

智慧農業是智慧經濟形態在農業中的具體表現，與物聯網、工業互聯網、人工智能技術、大數據技術、云計算與邊緣計算技術、現代生物技術、種植技術等相互融合，是農業生產發展的高級階段。因此，智慧農業是我國農業現代化發展的必然趨勢。

未來，在政府引導、市場牽引、農戶投入等多方支撐下，智慧農業將成為多技術融合創新的高地，也將進一步推動物聯網與人工智能等信息技術的產業化發展。

參考文獻

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作者簡介：楊會甲（1984—），男，博士，高級工程師，研究方向為物聯網、智慧業務以及智能制造等。

王亞平（1980—），女，工程師，研究方向為智能設計、人機交互設計等。

張亞軍（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向為物聯網、智慧水務以及智慧農業等。

收稿日期：2023-11-29 修回日期：2023-12-26

基金項目：陜西省科技廳重點產業鏈提升計劃（2020zdzx03-04-02）