国内农业领域物联网研究与应用现状分析

马享优　信丽媛　王晓蓉　王丽娟

摘要：论述了物联网的定义、内涵，对其在我国农业领域主要应用方向、现状作出分析。

关键词：物联网；传感器；计算机；网络；农业

中图分类号： TP311 文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.06.017

2009年11月3日，温家宝总理向北京科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，提出“我们要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发”。2010年3月5日，温总理在十一届全国人大三次会议上所作的政府工作报告中指出“要加快物联网的研发应用，加大对战略性新兴产业的投入和政策支持”。此后几年，物联网技术研究迅速升温，无论在理论的纵深方向，还是在应用的广度上，都获得了前所未有的发展。如今，物联网技术应用已遍及城市管理、家居环境、医疗卫生、环境资源保护、交通、物流、司法、校园以及农业等众多领域，在整个国民经济中发挥着越来越重要的作用。

我国虽然是21世纪崛起中的发展中国家，工业化程度越来越高，但是全国有十亿农民，农业问题关系到国民经济和民生之根本，不容忽视。充分利用物联网等现代科学技术，提高农业生产水平，增加农民收入是科研工作者和社会各方重点关注的热点话题。

1物联网定义概述

物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的综合应用，被称为继计算机、互联网之后的信息产业第三次浪潮，将是推动世界生产力变革的核心驱动力，是信息产业领域未来竞争的制高点[1]。

所谓物联网，一般说来是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术，其核心和基础仍然是“互联网技术”，但用户端可以延伸和扩展到任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯[2]。

物联网这个概念，最早是MITAuto-ID中心的Ashton教授1999年在研究RFID时提出，由于计算机软硬件技术的飞速进步，2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟发布了《互联网报告2005：物联网》，正式提出物联网概念，但其定义和范围已经发生较大的拓展和变化，不仅仅是指基于RFID技术的物联网，更多的是指能够通过将传感器植入物体中，获取各种信息，再通过无线网络、互联网、移动通信网等实现信息的交互传递的物联网。常见的传感器包括电子标签(RFID)、摄像头、GPS、以及红外感应器、激光扫描器等[3]。

2物联网在我国农业领域的研究应用

2．1物联网在获取土壤和作物信息的研究与应用

随着现代科学技术发展，作为物联网重要组成部分的各种性能的传感器包括非接触快速测量传感器和智能化传感器的开发，为田间土壤和作物信息的采集提供了全新的精细量化的技术手段，这些先进的传感器的应用，为测量土壤容重、土壤坚实度、土壤含水量、土壤pH值、肥力（N、P、K含量）、大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、作物生长情况、作物产量等重要信息提供了有力的 技术支持[4]。

如王景才等[5]开展的土壤水分传感器性能对比测试工作项目，对初步征集的分属不同工作原理和类别的15种型号的土壤水分传感器（其中一种属于时域反射仪，其他l4种属于频域反射仪），进行了长时间野外田间埋设条件下的实验，研究发现，大部分传感器稳定率较好，绝大部分传感器对降水反应也良好。高峰采用无线传感器网络技术,设计了作物水分状况监测系统，实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输,可以精确获取作物需水信息,温度、湿度、土壤温度、土壤湿度等环境信息，以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化信息等，具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点，可应用于农田、温室、苗圃等区域[6]。张航[7]通过室内和田间试验, 利用电容式传感器监测的土壤电导率、含水率和温度, 研究测定土壤硝态氮质量的方法。在室内以NH4NO3分析纯为溶质,进行了溶液质量浓度0～10 g·L-1的7次土柱试验;在2009年和2010年春玉米生育期内监测了不同滴灌水量条件下土壤电导率、含水率和温度动态变化。结果表明,土壤电导率能较好的反映土壤硝态氮质量分数的变化;土壤硝态氮质量分数与电导率、含水率和温度之间的关系可用二次多项式描述,且3个土壤参数对土壤硝态氮质量分数的影响均达到了极显著水平（P≤0.01）。

2．2物联网在畜牧业上的研究与应用

现代畜牧养殖业的集约化程度高、养殖对象数量庞大，对从业人员来说，其标识和管理工作会非常繁重，劳动强度大，难以实现高效率的生产管理与控制。而与畜牧业相关的食品安全，今年来越发受到全社会的重视，因此，畜产品安全的信息化已经成为食品安全监管工作中十分重要的组成部分，而物联网中的RFID技术，是一种非接触的快速识别技术，对于我国当前的畜牧养殖业能产生良好的效果[8]。

刘尧等[9]将RFID技术、物联网和电子产品代码系统相关技术引入到猪肉质量安全管理中,设计了RFID/EPC物联网架构下猪肉质量安跟踪追溯系统，在确定猪肉供应链各个环节的溯源信息的基础上，采用EPC编码技术对猪肉生产加工各环节溯源信息进行编码，构建了猪肉跟踪追溯系统平台，将猪肉生产加工流程各环节的溯源信息录入系统数据库中，对每个环节的信息进行识别、记录管理和跟踪，形成一个完整的信息链，有效地串联各环节的信息，保证了信息的有效记录和完整传递，实现了猪肉生产全程网络化管理，可以对猪肉产品快速地进行跟踪追溯。朱伟兴[10]采用Zigbee无线技术将舍内各保育床及周围设备组成无线网络系统,以ARM-LINUX嵌入式服务器为现场控制中心，并建立了互联网子系统（WIFI 无线网络基站）和远程控制中心。该系统可以依据分布于各保育床内的传感器获得的环境参数,精确调节各保育床内的小气候环境。采用B/S（浏览器/服务器）模式确保用户端通过internet与wifi无线技术将服务器无缝连接,使用普通浏览器即可远程实时监控猪舍。该系统性能稳定,信息无线采集、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求,适合保育猪舍环境智能化精准管理,可应用于自动化、智能化的牲畜养殖中。

2．3 物联网在水产业上的研究与应用

溶解氧是指以分子状态溶存于水中的氧气单质，水中养殖的鱼虾蟹等在生命活动过程中要不断地呼吸消耗水中溶解氧，水体中的溶氧含量长期低于正常范围时，鱼虾蟹的摄食量减少、抵抗力下降、疾病增多。相反，溶氧大量过量对鱼虾也不好，会引起氧中毒及气泡病，严重时可使养殖对象大量死亡[11]。所以利用物联网技术掌握水中溶解氧的动态规律，对于改进水产养殖技术、获得高产非常重要。杨世凤[12]等研发了1套基于ZigBee的溶解氧无线检测与控制系统。本系统在主站使用GSM 模块，而在分站用ZigBee网络与主站通信。系统主站主要由3部分构成：数据获取由AVR单片机读取ZigBee模块传来的数据，并传送给上位机；上位机运行LabV1Ew 编写的程序控制并显示鱼塘溶解氧，然后存入数据库；外部通信部分由1个GSM模块与用户手机通信，1个上位机配置好的apache服务器与用户通过Internet通信使用户可以远程获取鱼塘信息并有效地控制鱼塘环境。用户可以在任何有覆盖手机网络或有互联网信号的地方实现对鱼塘的控制，在鱼塘环境超标时系统还会自动发送报警信号至用户的手机。本系统为鱼塘养殖提供了可靠的技术支持，降低了人力费用与电力消耗。爱立信联手中国农业大学在江苏宜兴大闸蟹养殖基地部署“智能渔业示范项目”，研究推广利用物联网技术，在宜兴的大闸蟹养殖点池塘里安装了一套基于无线传感网络的水质监控系统，利用广泛分布在池塘中的传感器定期采集数据，再通过无线网络传送到云计算平台实现对水质的各种指标，如温度、酸碱度和溶解氧含量的实时监控。平台继而对数据信息进行分析判断，在异常时发出警报信号，并向增氧机等水质控制器发送指令，以改善水质指标。由于大闸蟹养殖具有高风险性，很多肉眼看不出来的环境变化会导致大闸蟹大量死亡。因此，掌握实时的水质情况信息对农民来说非常重要。当地农民通过手机对大闸蟹养殖点的池塘水质进行实时、精准的远程监控，从而实现降低能耗，节省劳力，增产增收的作用[13]。

2．4物联网在设施农业上的应用

设施农业是采用比较先进、系统的人工设施。改进农作物生长环境，进行优质高效生产，是一种高投入、高产出、知识与技术密集的集约化型产业[14]。由于封闭性较好，相对开放的大田种植环境而言，其中的温湿度、光照、二氧化碳等作物生长条件更容易调控，在这方面，物联网有其独到的优势。

阎晓军[15]等根据北京市设施农业产前、产中、产后全产业链条需求和发展中存在的问题，以设施农业生产综合管理与病虫害防控为切入点，提出了北京市设施农业物联网应用模式架构和完整的总体构建思路，设计方案包括：（1）设施农业数据感知与采集；（2）设施农业感知与控制信息传输网络；（3）北京设施农业物联网云服务平台、两级监控中心、预警与控制决策、技术标准规范以及企业运营模式得建立等。

天津市现代农业科教创新基地与相关企业合作，开展了农业大棚高效管理、温湿度环境监控等方面的研究，运用微功率无线通讯技术、数字化温湿度传感技术，建立了基于ZigBee无线检测网络的农业大棚远程监测系统，集模拟量/开关量采集、继电器控制、RS-232串口通讯于一体，测量精确可靠、操作简便，在基地中得到良好应用[16]。

2．5 物联网在其他农业领域上的应用

除了上述几方面的研究应用外，物联网在林业、精确灌溉、作物病虫害防治等方面的研究应用也有报道。张浩平[17]提出了适用于林区监测的、基于链式分簇的无线传感器网络的布设方案以及基于ZigBee网络协议的方案实现途径；北京市建立了一种“基于物联网的设施农业病虫害生物控制专家服务平台”，利用物联网技术、模式识别、数据挖掘和专家系统技术，实现了对设施农业病虫害的实时监控和有效控制。该平台已经在北京市和河北省的100多个设施大棚内进行了初步测试[18]；赵小强[19]等设计了一种基于物联网及太阳能技术的节水农业自适应灌溉系统,可监控水质测量、水坝水位、土壤的温湿度等，通过无线通讯技术,实现自适应灌溉、智能泄水、水质监测等功能。

3结论

随着农业产业结构调整的进一步深化，相关农业领域的集约化程度会越来越高，会不可避免的产生各种各样的问题，如生产效率不高、农产品安全和环境污染严重等[20-22]。物联网集现代智能、计算机软硬件、网络技术于一体，能够为农业领域提供定位、定时、定量的感知与控制技术以及实施现代化操作技术与管理方案，毫无疑问将会给农业经济带来更高的技术含量，对农产品产量、质量以及其经济效益的提高产生积极影响。然而，物联网作为一种新兴事物，应用于农业的物联网技术还会遇到与应用于其他行业类似的问题，一是标准，二是成本，三是技术难度大、四是专业人才缺乏，五是长效运行机制尚未健全等问题，上述存在问题的逐一解决，需要政府的大力引导和支持，电信运营商和设备生产企业等社会力量在资金和技术加大投入，全国高等院校对物联网专业的逐步重视以及政府引导、支持与市场化手段相结合的互利互惠机制的建立等作为保证。

参考文献：

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[4] 马享优．精准农业及其在天津市的应用前景分析[J]．农业网络信息，2006(1)：40-41．

[5] 王景才，夏自强，杨建青，等．土壤水分传感器田间比测实验研究[J]．水利信息化，2012(2)：41-45．

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[7] 张航，李久生，粟岩峰，等．利用电容式传感器连续监测土壤硝态氮质量分数的试验研究[J]．灌溉排水学报，2012(1)：23-28．

[8] 刘渊，杨泽林，赵永军．基于RFID的物联网技术在畜牧业中的应用[J]．黑龙江畜牧兽医，2012(8)：15-17．

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[11] 臧淑梅．水中溶解氧的变化规律及其影响[J]．黑龙江水产，2012(1)：39-40．

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