物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用會(huì)是怎樣的

引言

物聯(lián)網(wǎng)一詞最早出現(xiàn)于比爾·蓋茨1995 年《未來(lái)之路》中，美國(guó)IBM 向奧巴馬提出的“互聯(lián)網(wǎng)＋物聯(lián)網(wǎng)＝智慧地球”讓人們真正接受了這個(gè)概念。溫總理在視察中科院無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)，指出：要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP 時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，特別是與中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA技術(shù)相融合。

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第3 次浪潮［3］。近年來(lái)，隨著智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智能感知芯片、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步拓寬，通過(guò)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效降低人力消耗和對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備，足不出戶就可以監(jiān)測(cè)到農(nóng)田信息，實(shí)現(xiàn)科學(xué)監(jiān)測(cè)、科學(xué)種植，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。筆者將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以更好地控制農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，使之能夠更好地適應(yīng)作物的生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高土地的產(chǎn)出率，提高農(nóng)業(yè)抗御自然災(zāi)害的能力。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將會(huì)為中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展與世界同步提供一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的全新的平臺(tái)，也必將為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)起到巨大的推動(dòng)作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵及相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）的定義是通過(guò)射頻識(shí)別（Radio Frequency Identificatio，RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)和超級(jí)計(jì)算機(jī)則可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，幫助人們做出正確的行動(dòng)決策，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是賦予網(wǎng)絡(luò)新的含義，實(shí)現(xiàn)人與物之間的相融與互動(dòng)，對(duì)人的規(guī)范性回復(fù)進(jìn)行識(shí)別，做出方案性的選擇。物聯(lián)網(wǎng)的組成架構(gòu)包括：

（1）末梢節(jié)點(diǎn)（采集控制層）：即利用各種傳感器、RFID形成的物體與物體之間進(jìn)行身份識(shí)別和數(shù)據(jù)交流；（2）接入層（數(shù)據(jù)傳輸層）：現(xiàn)在所有的網(wǎng)絡(luò)形式，包括有線的、無(wú)線的以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式中的無(wú)線局域網(wǎng)、2G、3G等。（3）承載網(wǎng)絡(luò)；（4）應(yīng)用控制層；（5）用戶。其中由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的承載網(wǎng)絡(luò)為業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，圖1為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組成示意圖。

1.2 技術(shù)組成

國(guó)際電聯(lián)報(bào)告提出物聯(lián)網(wǎng)主要有4 個(gè)關(guān)鍵性的應(yīng)用技術(shù)：標(biāo)簽事物的RFID，感知事物的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Sensor technologies），思考事物的智能技術(shù)，微縮事物的納米技術(shù)（Nano technology-RFID）。

1.2.1 射頻識(shí)別（RFID） RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量大、可讀寫(xiě)、穿透力強(qiáng)、讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)、讀取速率快、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，是唯一可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可工作于各種惡劣的環(huán)境。最基本的RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和天線3 部分組成。RFID系統(tǒng)的工作原理是：電子標(biāo)簽根據(jù)電源的不同而分為有源電子標(biāo)簽和無(wú)源電子標(biāo)簽，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的工作區(qū)域后，無(wú)源電子標(biāo)簽接收到讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波，產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息被讀取器讀取，解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理；有源電子標(biāo)簽則依靠自帶電池供電。圖2 為RFID 的工作原理圖。

現(xiàn)在RFID 在農(nóng)畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)監(jiān)控、動(dòng)物識(shí)別與跟蹤、農(nóng)畜精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)、畜產(chǎn)品精細(xì)養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品物流與包裝等方面已正式應(yīng)用。例如，日本的田間伺服器（field server）和美國(guó)伯克利大學(xué)MOTE 和JPL 研發(fā)的SW（Sensor Web），能夠使用RFID 等無(wú)線技術(shù)的田間管理監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)記錄田間影像與土壤酸堿度、溫濕度、日照量甚至風(fēng)速、雨量等微氣象，詳細(xì)記錄農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成長(zhǎng)記錄。

1.2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)，即研究的核心，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Networks），是由一組稠密布置、隨機(jī)撒布的傳感器組成的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。近年來(lái)，在農(nóng)業(yè)方面，尤其是在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用越來(lái)越多。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是［21］利用3S（全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS））的差異從地塊水平精確到平方厘米的一整套綜合農(nóng)業(yè)管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田操作的自動(dòng)指揮和控制。在中國(guó)科學(xué)院、農(nóng)業(yè)部等單位開(kāi)展了面向全國(guó)范圍的農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，利用3S和各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測(cè)，已經(jīng)取得了較明顯的效果。該系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型主要有糧棉作物識(shí)別模型、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)模型、農(nóng)作物估產(chǎn)模型、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與災(zāi)情損失評(píng)估模型等。作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)模型主要利用紅光波段和近紅外波段遙感數(shù)據(jù)得到的植被指數(shù)（NDVI）與作物的葉面積指數(shù)和生物量正相關(guān)原理進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)。作物長(zhǎng)勢(shì)模型主要有3種，即逐年比較模型、距平等級(jí)模型和極值等級(jí)模型。

2 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)信息化的初期應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村信息化領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能化專家管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遙感系統(tǒng)、生物信息和診斷系統(tǒng)、食品安全追溯系統(tǒng)等。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面，中國(guó)已取得較高水平的成果，并進(jìn)入實(shí)踐階段。

2.1 中國(guó)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

目前，數(shù)字農(nóng)業(yè)重大專項(xiàng)已在中國(guó)新疆、黑龍江、吉林、北京、上海、河北、江蘇等地建立起26 個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)、大田作物數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字農(nóng)業(yè)繼承技術(shù)綜合應(yīng)用示范基地。中國(guó)研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的谷物聯(lián)合收割機(jī)智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)在2000 年11月畫(huà)出了中國(guó)第1 張“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”產(chǎn)量圖，2005 年引進(jìn)美國(guó)CASE 公司精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了黑龍江八五二農(nóng)場(chǎng)和寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地，2006年底，黑龍江墾區(qū)已裝備成大約160 個(gè)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備區(qū)，使精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在墾區(qū)有了新的發(fā)展和推廣應(yīng)用。在國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地也進(jìn)行了一系列農(nóng)業(yè)定量遙感試驗(yàn)。示范區(qū)內(nèi)大田作物產(chǎn)量提高15%~20%，經(jīng)濟(jì)效益提高10%，設(shè)施農(nóng)業(yè)成本降低10%，生產(chǎn)率提高20%，養(yǎng)殖業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益18%。同等產(chǎn)量下，采用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，總成本降低了15%~20%，化肥、農(nóng)藥和灌溉用水量減少了20%~30%。

2.2 全國(guó)首批“電子豬”上市

2009 年9 月30 日金卡豬的上市［2］，使成都市民有幸成為全國(guó)第1 批吃到通過(guò)RFID 電子標(biāo)簽對(duì)豬的養(yǎng)殖、宰殺全過(guò)程實(shí)施溯源的“電子豬肉”的市民。RFID技術(shù)應(yīng)用于畜牧業(yè)食品生產(chǎn)的全過(guò)程，包括飼養(yǎng)、防疫滅菌、產(chǎn)品加工、食品流通等各個(gè)環(huán)節(jié)，全面引入標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量監(jiān)管措施，建立“從農(nóng)場(chǎng)到餐桌”的食品供應(yīng)鏈跟蹤與可追溯體系，從而達(dá)到科學(xué)的全程化飼養(yǎng)監(jiān)控、安全化生產(chǎn)監(jiān)控、市場(chǎng)化可追溯的高質(zhì)量、高水平、高效益的目標(biāo)。

2.3 食品安全溯源系統(tǒng)建設(shè)

國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心在北京市小湯山的試點(diǎn)應(yīng)用食品安全溯源系統(tǒng)的項(xiàng)目。條碼生成與打印以國(guó)際通用的EAN/UCC 系統(tǒng)為編碼基礎(chǔ)，用戶只需填入相關(guān)產(chǎn)品、地塊等信息，即可自動(dòng)生成條碼并按標(biāo)準(zhǔn)化條碼格式打印出來(lái)，系統(tǒng)支持不同打印機(jī)和不同的碼制。例如：2006 年中國(guó)水產(chǎn)業(yè)推出了魚(yú)類產(chǎn)品智能防偽卡——千島湖“淳牌”有機(jī)魚(yú)身份證，實(shí)現(xiàn)了從水體到餐桌的全程質(zhì)量跟蹤管理；2009 年10月，江蘇大閘蟹成功利用RFID 二維碼溯源系統(tǒng)追蹤其品質(zhì)。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展展望

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無(wú)錫掀起了研究的熱潮，2020 年之前中國(guó)已經(jīng)規(guī)劃了3.86 萬(wàn)億元的資金用于物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)研究和開(kāi)發(fā)既是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。如果能夠面對(duì)挑戰(zhàn)，從深層次解決物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵理論問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，并且能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)研究和開(kāi)發(fā)的成果應(yīng)用于實(shí)際，就可以在物聯(lián)網(wǎng)研究和開(kāi)發(fā)中獲得發(fā)展的機(jī)遇。目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展項(xiàng)目有很多：土壤養(yǎng)分和墑情監(jiān)測(cè)，為作物選擇和耕種方式提供指導(dǎo)；糧情信息監(jiān)測(cè)，為監(jiān)管部門科學(xué)決策保護(hù)糧食安全提供有效數(shù)據(jù)；農(nóng)業(yè)大棚溫室監(jiān)控和田間自動(dòng)化管理，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)滴灌補(bǔ)水；農(nóng)民可以通過(guò)3G手機(jī)接入信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)專家們開(kāi)好的科學(xué)種田“處方”，用計(jì)算機(jī)對(duì)灌溉、施肥、溫度和濕度等進(jìn)行控制和管理；如果某些人群對(duì)作物品質(zhì)有特殊要求，可以通過(guò)控制作物施肥達(dá)到這種要求，點(diǎn)著鼠標(biāo)配化肥。當(dāng)然，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展也面臨著諸多問(wèn)題。

（1）智能感知器的成本問(wèn)題。目前，農(nóng)業(yè)環(huán)境和動(dòng)植物群（個(gè)）體信息采集和傳輸?shù)母兄O(shè)備成本相對(duì)還比較昂貴。如農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的電子標(biāo)簽，生產(chǎn)100萬(wàn)個(gè)的成本約為14 美分/個(gè)。除此之外還有實(shí)施RFID所需的基礎(chǔ)設(shè)施的成本，如閱讀器的購(gòu)置價(jià)格等。因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品的本身價(jià)值并不大，使用RFID 所增加的成本相比之下顯得過(guò)高，目前只適用于一些高價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品。

（2）農(nóng)田無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的功耗問(wèn)題。由于農(nóng)作物生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，如果經(jīng)常更換電池將是一項(xiàng)耗資巨大的工作。如何有效節(jié)省電能、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是面向大規(guī)模農(nóng)田種植的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需解決的重要問(wèn)題。

（3）物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)高效傳輸問(wèn)題。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分布大量傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）和少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node），傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最終將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有感知數(shù)據(jù)量大、無(wú)線通信帶寬低、時(shí)效性強(qiáng)的特征，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在能量、計(jì)算、存儲(chǔ)及通信能力方面存在局限性，數(shù)據(jù)高效傳輸與管理問(wèn)題是提高節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知、采集、處理、發(fā)布效率的有效途徑。

在如何促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面，應(yīng)圍繞本地優(yōu)勢(shì)與特色產(chǎn)業(yè)，結(jié)合高校、科研院所和企業(yè)的現(xiàn)有的研究成果，選擇關(guān)鍵領(lǐng)域集中力量，扶持有廣闊應(yīng)用前景的傳感器開(kāi)發(fā)重點(diǎn)突破，以點(diǎn)帶面，全面發(fā)展。以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)示范建設(shè)為重點(diǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出率和土地利用率，提高農(nóng)業(yè)抗御自然風(fēng)險(xiǎn)的能力。同時(shí)，跟蹤國(guó)際農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前沿和動(dòng)態(tài)，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合效益。

4 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)《商業(yè)周刊》認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是全球未來(lái)四大技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是21世紀(jì)世界最具有影響力的21項(xiàng)技術(shù)之一。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，也是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志，它將是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。它必將提高全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，提高農(nóng)民的收入，增強(qiáng)食品安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化，使人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，從而徹底解放生產(chǎn)者，形成以人為本的生產(chǎn)方式，提高全人類的生活質(zhì)量。2009 年10 月24 日中國(guó)的第1 顆物聯(lián)網(wǎng)的中國(guó)芯“唐芯一號(hào)”芯片研制成功，在一定程度上表明了中國(guó)已經(jīng)攻克了物聯(lián)網(wǎng)的部分核心技術(shù)。正是由于這些關(guān)鍵技術(shù)的蓬勃發(fā)展，才使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)得以實(shí)現(xiàn)。中國(guó)有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和知識(shí)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)學(xué)化、自動(dòng)化和智能化程度也越來(lái)越高。盡管物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，相信隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)智能生產(chǎn)時(shí)代也會(huì)距離人們?cè)絹?lái)越近。