新时代，物联网技术升级传统农业

2019 年 4 月 4 日 科学出版社

当前，我国进入了物联网与现代农业融合发展的新时期，用物联网技术升级传统农业是实现农业现代化的重要途径。推进物联网在农业领域的应用和发展，有利于促进农业生产向网络化、智能化和精细化方向转变，对于提高农业信息化应用水平、促进现代农业发展具有重要意义。

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农业物联网

农业物联网是指物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的应用。具体来说，就是运用各类传感器、身份识别技术以及视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息，通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息多尺度化的可靠传输，最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流以及电子化交易，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。

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根据物联网具有全面感知、可靠传输和智能处理的三大特征，可将农业物联网划分为信息感知层、网络传输层和处理应用层三层体系。信息感知层主要通过射频识别(radio frequency identification, RFID)标签和读写器、传感器、摄像头、全球定位系统(global positioning system, GPS)及遥感(remote sensing, RS) 技术等采集物理世界的数据和发生的物理事件，这一层次要解决的重点问题是感知、识别物体与采集信息，如土壤肥力、作物生长环境参数与苗情长势、空间定位信息、动物个体健康、行为和产能等信息。网络传输层是物联网成为普遍服务的基础设施，包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，通过向下与感知层的结合、向上与应用层的结合，将各类数据通过有线或无线方式以多种通信协议向局域网、广域网发布，使物品在全球范围内实现远距离、大范围的信息传输与广泛的互联功能。处理应用层是将物联网技术与农业专业领域技术相结合，通过对数据挖掘、分析与融合处理建立相应的监控、预测、预警、决策以及自动控制等智能信息处理平台，从而对农业生产过程进行精准化管理、智能化控制，并制定科学的管理决策。农业物联网体系架构如下图所示。

农业物联网体系架构

国内外研究现状

在物联网的技术研究和产业规模上，我国农业物联网发展与发达国家存在着较大的差距。以欧美为代表的发达国家对农业物联网和田间环境监控的研究起步较早，在信息技术和大规模农业生产方面积累颇多，他们利用环境监测系统、气象和病虫害监测预警系统等，对农作物生产进行精细化管理和调控，节约了人力资源，提高了资源利用率。我国物联网技术进入农业领域始于20世纪90年代，目前在一些试点地区开展了农业物联网示范项目，取得了较大成效。在示范项目中通过利用各种物联网技术和部署各类应用系统，使农业科技人员和农民可以对农业生产进行精细化管理和控制，也可以随时随地地迅速获得各种科技信息、管理信息、市场供求信息、气象和土壤信息、作物和病虫害信息等。但是我国农业存在耕地高度分散、生产规模小、时空变异大、量化和规模化程度差、稳定性和可控程度低等问题，导致物联网技术在农业生产中存在应用规模小，技术水平相对低下，感知设备通用性不足，信息实时性不够和农场间信息割裂等问题。国家在政策层面加大了对农业物联网的扶持力度。

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2013年农业部公益性行业(农业)科研专项“基于信息技术的基层农技推广服务技术集成与示范”项目正式启动，并配套拨发了近2000万元人民币的项目启动资金。该项目由中国农业科学院农业信息研究所主持研发，是针对我国基层农技推广和现代农业产业技术体系的现状和实际需求，利用3G、物联网等现代信息技术在信息传输和处理上的移动、实时、定位和视频交互等优势，开发的具有农技咨询、市场行情、农技培训、动态调度等功能的信息化平台。项目将为广大基层农技服务人员配备笔记本电脑、Pad以及智能手机等无线终端，在农业专家的后台支持下，随时在田间地头为农民答疑解难，同时，该项目也使农技推广服务中心等政府部门能够及时掌握农技员的工作动态，以便及时安排任务调度。

2014年，中央一号文件第11点推进农业科技创新中明确指出:加强以分子育种为重点的基础研究和生物技术开发，建设以农业物联网和精准装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系，推进以设施农业和农产品精深加工为重点的新兴产业技术研发，组织重大农业科技攻关。在物联网标准体系建设工作方面，农业部于2011年研究并报请国家标准化管理委员会同意，成立了国家农业物联网行业应用标准工作组，研制物联网在农业领域的应用标准。

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国外在20世纪后期就开始研发网络化、分布式的温室环境控制系统，并在设施农业方面开展了广泛应用。英国无线系统公司开发了基于无线设备的花园温室霜冻和入侵警报系统、远程通风加热控制系统、无线洒水系统等。日本的四国电力集团利用基于以太网的嵌入式网络技术开发了双向远程监控系统，能够获得实时动态温室的环境数和视频图像，从而实现更大范围的温室远程自动化管理。希腊Loukfam公司开发了智能化温室环境与营养液的综合调控系统。美国GreenAir公司生产出基于TCP/IP通信的温室控制器，可实现对6连栋温室的全方位环境控制。美国加州的Norcal Harvesting草莓栽培园安装了整套由ClimateMinder开发的物联网系统，通过无线传感网络传输温度传感器等采集的参数信息，实时追踪温室内的环境信息和草莓生长状况，还可实现对温室内温湿度或浇水设备等的远程控制。

进入21世纪以来，美国和欧洲的一些发达国家相继开展了农业领域的物联网应用研究示范，实现了物联网在农业生产、资源利用、农产品流通、农产品质量安全监控等领域的实践与推广，形成了一批良好的产业化应用模式，推动了相关新兴产业的快速发展。

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欧美国家将资源卫星对土地利用信息实时监测的结果发送到各级监测站，通过信息融合与系统决策实现大区域农业的统筹规划。美国、法国、加拿大、澳大利亚等发达国家将物联网技术应用到大田粮食作物种植中的精细作业、农田环境监测和智能灌溉施肥、果园生产中的信息采集和灌溉控制等方面。法国利用通信卫星技术对灾害性天气和病虫害进行预测预警，而且建立了比较完备的农业区域监测网络，以指导灌溉、施肥、施药、收获等农业生产过程。美国奥斯本(Osborn)公司利用RFID电子耳牌识别技术开发了全自动种猪生产性能测定系统，能从一个猪群体中识别出每个个体，并对个体进行测定和记录，通过对不同猪各生长阶段的日增重和饲料消耗等数据进行比较分析后选择出最理想的种猪。荷兰研发的VELOS智能化母猪管理系统在荷兰及许多欧美国家得到广泛应用，能够实现养殖过程中数据自动传输、自动报警、自动供料和自动管理等。苏格兰利用物联网技术实时监控鱼虾养殖中对不同地区发散饵料、药物和鱼虾排泄物的污染程度，并得出预测预警模型。发达国家在动物个体标号识别、农产品包装标识及农产品物流配送等方面对RFID技术的应用非常广泛，如加拿大肉牛已从2001年起使用的一维条形码耳标过渡到电子耳标。日本2004年构建了基于RFID技术的农产品追溯试验系统，利用RFID标签实现对农产品流通的管理和个体识别。泰国开展了物联网相关技术在水产品领域的研究应用，并初步建成了小规模的水产养殖物联网。厄瓜多尔把物联网与地理信息系统(geography information system, GIS)技术相结合，用于水产养殖中虾病的早期诊断，通过分析虾病害的状况与发展趋势及时做出决策处理措施，有效减少虾病害的经济损失。

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主要发展趋势

当前，我国进入了物联网与现代农业融合发展的新时期，用现代信息技术改造传统农业、装备农业是实现农业现代化的重要途径。农业物联网作为一项新型的信息化集成技术，既是推动信息化与农业现代化融合的重要切入点，也是推动我国农业向“高产、优质、高效、生态、安全”发展的重要驱动力。推进物联网在农业领域的应用和发展，有利于促进农业生产生活向智能化、精细化、网络化方向转变，对于提高农业信息化应用水平、促进现代农业发展具有重要意义。

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经过多年的技术积累和市场培育，以物联网为代表的信息产业已成为新兴战略产业之一，物联网技术将被越来越多地应用到农业生产、经营、管理和服务各个环节，具有庞大的市场和产业空间，未来几年将是农业物联网相关产业以及应用迅速发展的时期。总体来看，农业物联网将朝着更透彻的感知、更全面的互联互通、更优化的技术集成和更深入的智慧服务趋势发展。

(1) 传感器将向微型智能化发展，感知更透彻。随着传感器向多样、智能、低耗、微型发展，农业物联网传感器的种类和数量也将快速增长。未来的物联网终端可以通过接人传感器网络，控制网络内的传感器，应用会更加丰富，智能传感器正朝着更透彻的感知方向发展。

(2) 移动互联应用将更加便捷，网络互联更全面。农业现场生产环境复杂、涉及行业众多，不同设备之间更加全面有效的互联互通是未来农业物联网信息传输的发展趋势。以5G、IPv6为代表的新一代通信和互联网技术为农业物联网的发展提供了更加可靠、安全、高效的传输网络。

(3) 与云计算、大数据深度融合，技术集成更优化。农业物联网系统集成效率是用户服务体验的关键。云计算能够实现农业物联网所需的计算、存储等资源的按需获取，大数据将为海量信息处理和利用提供支撑，更优化的集成技术将有效提高物联网感知、传输、服务的一体化水平。

(4) 物联网将向智慧服务发展，应用更广泛。农业物联网最终的应用是提供智慧的农业服务，未来农业物联网的应用将呈现多样化、泛在化的趋势。建立农业物联网中间件平台、提高服务自适应能力、提供智能柔性服务正成为农业物联网软件和服务的研究方向。

本文摘编自赵小强、高强、许曰强、梅永刚著《面向农业领域的物联网监测与控制技术》前言及第一章部分，内容有删节，标题为编辑所加。

《面向农业领域的物联网监测与控制技术》

赵小强等著

北京：科学出版社, 2019. 3

ISBN 978-7-03-060013-4

责任编辑: 宋无汗

《面向农业领域的物联网监测与控制技术》内容为作者多年项目经验的总结，知识涉及面广，内容丰富。本书以工程项目实践应用为特色，全面介绍农业物联网技术，并围绕农业用水安全和农业节水灌溉技术进行深入探讨，结合项目实际需求给出相关系统的设计和技术解决方案。最后依据作者多年的科研经验，对市级现代果业展示中心建设和林果水旱灾害预测预警与风险防范进行详尽的案例分析。

本书可作为电子通信、计算机、仪器仪表以及环境等专业学生的学习参考用书，还可供相关专业的研究生、教学人员、科研和设计人员参考阅读。