浅议物联网在农业领域的应用及关键技术要求

赵 丽

（工业和信息化部电信研究院规划设计所 北京 100037）

1 引言

十几年来，我国的农村通信和农业信息化建设取得了显著成就，通过“村通工程”、“宽带下乡”及农业信息网络等工程的建设，大大缩短了农村地区与城市之间的“数字鸿沟”，加快了农业现代化进程。近年来，“物联网”概念的出现令人瞩目，在现有农业信息化成果基础上，推动物联网在农业领域的应用将进一步加快传统农业向现代农业转变，促进物联网农业领域相关产业的发展。

2 物联网概念及体系架构

物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

物联网体系架构如图1所示，包括应用层、网络层和感知层3个层面。

·感知层主要完成采集信息、识别物体、感知目标等功能，主要由各种传感器、控制器/执行器、RFID标签和读写器、智能卡、摄像头等采集、识别和感知装置和设备组成。

·网络层主要负责信息的传送、管控，由电信网、互联网、广电网、其他专用网络及深入客户端的延伸网络组成。

·应用层包括应用基础设施/中间件，结合了数据库、云计算、人工智能等技术，实现物联网的智能应用。物联网的关键技术包括感知技术、通信网络技术、物联网平台技术以及它们之间的结合技术等。目前在我国包括RFID、传感器等在内的各种感知识别技术和标准还比较薄弱，大量需要依赖于国外技术；通信网络技术相对较为成熟，目前主要需要解决与感知层和应用层的通信接口以及适应物联网业务传送需求（实时、安全、广部署）的问题；应用是物联网的关键和核心，目前主要是与行业需求结合，形成各行业领域的应用，各种平台技术还需不断完善。

图1 物联网体系架构

3 我国农村通信及信息化发展现状

“十一五”期间，通过整个通信行业的努力，到2010年底，“十一五”农村通信发展规划中提出的“村村通电话、乡乡能上网”的目标全面实现。全国范围内100%的行政村通电话，100%的乡镇通互联网（其中98%的乡镇通宽带），94%的20户以上自然村通电话，全国近一半乡镇建成乡镇信息服务站和县、乡、村3级信息服务体系。此外，已有19个省份实现所有自然村通电话，75%的行政村基本具备互联网接入能力。“信息下乡”进展明显，建成“农信通”、“信息田园”、“金农通”等全国性农村综合信息服务平台，涉农互联网站接近2万个。建成乡镇信息服务站20 229个、行政村信息服务点117 281个，网上建成乡镇涉农信息库14 137个、村信息栏目135 478个。

物联网在农业领域的应用并不是白手起家，农村通信和信息化建设取得的成果为物联网在农业领域开展应用培育了应用习惯，也奠定了一定的通信和信息网络资源基础。

4 物联网农业领域应用需求

目前我国农业发展面临的主要问题是农业资源不足和农业资源利用效率低的双重矛盾。我国人均耕地面积不到世界人均水平的1/3，水土流失面积占耕地面积的35%；人均水资源占有量仅为世界平均水平的30%，灌溉水资源利用率不到40%；对于农药、化肥的消耗量占世界的30%，但是农药、化肥的利用率不到30%，不仅浪费严重，还增加了对环境的污染。因此，要解决农业发展中存在的诸多问题，就必须加快转变农业生产方式，推进农业科技进步和创新，加强农业技术装备，提高资源利用率和劳动生产率。物联网在农业领域的发展和应用，将通过感知技术获取更多的信息，包括作物信息、农田环境信息、农机作业信息等，通过网络的互联共享获得更多的网络实时服务，从而提高精细农业科学决策水平和作业实施水平。

农业对物联网的应用需求发展趋势，一是要求传感设备必须向低成本、自适应、高可靠、微功耗的方向发展；二是要求传输网络必须具备分布式、多协议兼容、自组织和高带宽等功能特征；三是信息处理必须达到实时、准确、自动和智能等要求。

5 物联网农业领域应用前景

物联网在土、水资源可持续利用、生态环境监测、农业生产过程精细管理、农产品与食品安全可追溯系统等方面都有较好的发展前景。

通过多种物联网技术的融合应用，指导农业发展和资源的可持续利用。在农业资源利用中，部署农业专用传感器，实现农业生产相关数据的有效获取。加强GPS在农田耕地的应用，支持获取精细农业实践的地理坐标信息。研制轻型高光谱、多光谱、成像光谱等高空遥感仪器，通过近地遥感、高空探测、卫星遥感等传感手段获取耕地利用信息，并将获取的信息进行融合处理。

（2）农业生态环境监测

提高农业生产中作物生长环境监测信息获取的时效性和准确性，能够为农业生态资源开发利用与整治管理提供技术支撑，增强农业资源利用的可持续发展能力。开发和研制包括大气信息、土壤信息和水文信息在内的环境信息监测系统，以及动植物个体和群体信息监测系统，农业中的作物和动物生产和生长环境和过程将被感知，作物生产管理将更加精准，农业生产过程也更加安全可控。

（3）农业生产过程精细管理

传统农业中，浇水、施肥、打药，全凭农民的经验和感觉。要实现农业生产过程的精细化管理，就要通过感知土壤、环境、生态等信息，通过决策，实现水、肥、药的精量控制和动物危害行为的预防，以提高品质和产量。

（4）农产品与食品安全可追溯系统

当前我国农产品和食品安全问题突出，安全事故时有发生，农产品和食品安全主要存在生产管理粗放、储运物流不足、市场监管不利等问题，需要在农产品及其加工产品的生产管理、流通、产品交易等各个环节，广泛采用电子标识、条形码、传感器网络、物联网中间件和网络平台等关键技术，加强农产品溯源、储运、交易信息采集的实时采集和快速处理，实现农产品从农田到餐桌的全程可管可控，提高农产品与食品的质量安全。

6 物联网农业领域应用的关键技术

（1）农业专业传感器

农业专业传感器要求具有快速、低成本、低能耗、高可靠性、耐用等特点，并能够针对植物、动物、土壤、环境等关键参数的静态和动态属性实时获取。植物专业传感器需获取的指标参数有：营养指标（SPAD、水分、N、P、K、微量元素等）；生理指标（蛋白质、氨基酸、酶、抗逆境指标等）；生态指标（叶面积指数、植被指数、形态、光照、叶温、水势、径（酸碱度）、电导率（含盐量）、温度、湿度、N、P、K 等微量元素、有机质、热通量、张力、坚实度、水势、重金属、农药残留等。环境专业传感器需获取的指标参数有：温度、湿度、水分、光照、风向风力、CO2、有毒气体等。

（2）农业领域物联网传送网络

建立农业领域物联网传送网络，实现农业信息的读取、传输和数据的融合。集成短距离ZigBee、蓝牙、蜂窝移动、卫星通信等各种无线通信技术和互联网技术，实现信息的多尺度（个域、视域、区域、地域）传输。大力扶持和发展TD-SCDMA、LTE等3G/4G技术标准和光纤宽带技术在农业领域的应用。通信和信息网络基础设施的建设部署不仅仅局限于“入村”、“入户”等满足人的应用需求，还要“入田”，满足农作物的需求。

（3）农业领域信息处理平台

将获取的海量信息进行融合、处理，结合云计算技术，形成农业信息数据库，实现数据的共享。通过统一的数据平台，可进行农业产前、产中、产后的过程监控、“三农”信息发布，降低生产成本、提高生产管理效率以及农业农村信息化服务水平。农业信息处理平台主要需要在建立开放性的软件子模块、建立通用性的软件操作平台、建立共享性的数据服务器、信息处理平台的管理和维护以及信息安全的管理和维护等方面进行突破。

7 结束语

物联网技术在农业中的应用，能够改变粗放的农业经营管理方式，提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率，引领现代农业发展。通过资源整合，科技攻关，加强关键和核心技术的研发，突破技术瓶颈，可有效实现物联网技术在农业领域的应用，从而实现集约、高产、高效、优质、生态、安全的农业生产，必将大力推进我国农业信息化和现代化建设的进程。

1 工业和信息化部电信研究院.物联网白皮书，2011

2 李彦，贾曦，孙明.我国农业资源的利用现状及可持续发展对策.安徽农业科学，2007，35(32):10 454～10 456

3 孙忠富，杜克明，尹首一.物联网发展趋势与农业应用展望.农业网络信息，2010(5):5～8

4 何勇.物联网在农业领域应用的关键技术和存在的问题.物联网农业领域应用科技发展战略高层研讨会，北京，2010

5 邢晓江，王建立，李明栋.物联网的业务及关键技术.中兴通信技术，2010,16(2):27～30