先进国家农业物联网的最新进展及对我国的启示

李灯华+++李哲敏++许世卫++刘念唐

摘要：农业物联网正在引领农业传统生产经营模式的变革和升级，成为改变农业、农民、农村的新力量。国际上许多发达国家正在加速推进农业物联网的技术研发和产业化应用，产生了很多新型传感装备、软件系统和产业化应用模式。针对国际上农业物联网的技术研究和产业化发展现状，分析美国、欧盟、日韩等先进国家和地区在政策战略、传感器装备、软件系统、农户应用和商业模式等各方面的最新进展，并比较它们各自的优势特色。最后，结合当前我国农业物联网的发展现状和遇到的问题，从物联网基础技术研究、传感器专项研发、农业物联网标准建设、物联网产业化模式培育等方面提出具体的建议和对策。

关键词：农业物联网；信息技术；传感器；发达国家；启示

中图分类号： S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）10-0001-04

收稿日期：2015-11-17

基金项目：国家国际科技合作专项（编号：2014DFE10220）；农业部创新人才项目；中国农业科学院科技创新工程项目（编号：CAAS-ASTIP-2015-AII-02）。

作者简介：[JP2]李灯华（1987—），男，江西九江人，博士，助理研究员，从事农业监测预警、农业信息技术研究。E-mail：lidenghua@caas.cn。

通信作者：李哲敏，博士，研究员，博士生导师，主要从事农业信息监测、分析与预警、食物安全研究。E-mail：lizhemin@caas.cn。

[ZK）]

物联网作为信息产业的第3次革命浪潮，正在深远地影响社会生产生活的各个方面，成为人们关注和研究的热点。物联网和农业结合所形成的农业物联网使低效率的传统生产模式转向以信息和软件为中心的智能化生产模式，将有力地推动农业生产力的发展。农业物联网正在引领农业传统生产经营模式的变革和升级，成为改变农业、农民、农村的新力量。近年来，国际上许多发达国家正在加速推进农业物联网的技术研发和产业化应用，在信息感知、数据处理、技术应用和智能服务等领域取得重要进展，产生很多新型传感装备、软件系统和产业化应用模式。

1物联网与现代农业

1999年，美国麻省理工学院Auto-ID实验室首次提出“物联网”概念，同年在美国召开的移动计算和网络国际会议提出，传感网是21世纪人类面临的重大发展机遇[1]。2005年11月，在信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式对“物联网”的概念作出详细阐释。ITU认为，物联网是通过智能传感器、射频识别、激光扫描仪、全球定位系统、遥感等信息传感设备及系统和其他基于物物通信模式的短距离无线自组织网络，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大智能网络[2]。2013年5月，国际咨询业巨头麦肯锡全球研究所（McKinsey Global）发布的一则报告《未来十二项改变世界的科技》将物联网列为未来10年会改变全球经济的12项颠覆性技术变革之一[3]。过去5年，物联网产业得到爆发式增长，用于数据采集、监控、决策制定及流程优化的传感器网络联网设备增长300%[4]。根据麦肯锡的最新报告预测“物联网：超越市场炒作之外的价值（the internet of things：mapping the value beyond the hype）”，全球物联网市场规模可望在2025年以前达到110 000亿美元。目前世界各发达国家对物联网都给予了较大投入，以期占据物联网发展的战略制高点。在物联网技术所涉及的4个关键技术层次（感知层技术、网络层技术、应用层技术以及共性支撑技术）中的15个技术分支（传感器技术、射频识别技术、二维条码技术、组网技术、无线接入技术、中间件技术、云计算、异构网融合技术、远程控制技术、资源和存储管理技术、智能物流、智能交通、地理空间信息技术、智能嵌入式技术、信息安全技术）中，美国、欧盟、日本等发达国家和地区的物联网技术和产业发展走在世界前列。2013年美国、德国、日本3个国家在物联网传感器领域的市场占有率达63.0%，充分掌握市场主导权。

随着现代农业发展对新型信息技术的需求越来越强，物联网技术正在越来越紧密地渗透进入农业应用领域，推动农业物联网迅速发展。农业物联网是指物联网技术在农业领域的应用，是通过应用各类传感器设备和感知技术，采集农业生产、农产品流通及农作物本体的相关信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网和互联网传输信息，将获取的海量农业信息进行数据清洗、加工、融合、处理，最后通过智能化操作终端，实现农业产前、产中、产后的过程监控、科学决策和实时服务[5]。在农业生产方面，农业物联网使农业生产实现精准化、自动化，告别传统的低效率人力工作场景，显著提高农业资源利用率和劳动生产率，促进农业产业升级和实现农业现代化的跨越式发展[6]。在农产品市场方面，物联网利用信息采集、分析、处理优势，对农业相关的市场信息进行广泛收集和专业分析，极大增强农产品市场监测预警能力与信息服务水平，促进农业管理实现数字化、智能化，农业管理水平和效率显著提高。此外，物联网与大数据、云计算、远程控制、人工智能等最新技术结合并运用于农业生产中，可打造集信息感[JP2]知、无线传输、自动控制、智能作业于一体的农业生态系统，实现自动化、标准化、集约化和智能化的精细智慧农业。咨询机构Beecham Research报告显示，物联网能为世界带来70%的粮食增产，从而满足未来全球近百亿人口对粮食的需求。目前，各国纷纷加快信息化步伐，针对各自国情增大农业物联网发展力度，并且在技术创新和应用模式等方面取得了较大进展。

2先进国家农业物联网技术创新及应用模式发展分析

2.1美国

美国农业的生产方式和生产力水平都处于世界最发达之列，是世界上最大的农产品生产国和出口国。美国的经济实力使它始终保持农业技术的领先地位。20世纪50年代美国就开启了农业现代化历程；80年代美国发展了基于微处理器的计算机温室控制系统，开始将计算机应用于智能灌溉和生产管理。在新兴技术领域，美国将物联网上升为国家创新战略的重点之一，正在持续加大传感器等核心技术研发力度，加快技术成果应用和产业化进程，谋求在国际竞争中的领先位置。先进的科学技术是美国先进农业的坚实后盾。借助包括物联网、微电子、大数据、云计算、信息储存和处理、人工智能、地理信息系统GIS、遥感技术RS等现代信息技术，美国不但持续地提高农业竞争力，而且占领了世界农业信息发布的制高点，特别是在大田耕作农业领域，注重农业物联网的大规模产业化应用，并创造显著的经济效益[7]。

美国政府十分重视对农业现代化信息技术的政策扶持，把农业的教育、研究和技术推广作为自己的重要职责，政府专门成立由大学、政府、技术推广部门和农民代表组成的农业推广指导委员会，为促进科研、技术推广和实际应用的紧密结合提供了制度保障[8]。研究显示，美国大农场对信息技术的采用率高达80%[9]。在农业生产区域，美国州立农业技术推广部门设立了大田观察点，农业技术人员周期性在这些观察点收集和处理温湿度、病虫害等大田生产数据，并利用观察点的计算机和通信设备，将上述信息数据传送回各州农业部门，农业部门研究审核后发布和传递给本地区农业经营者。对利用农业物联网监测的大田多个维度的数据如空气、光照、降雨、土壤、作物、设备、人和图像进行有效提取、加工、分析、处理，就能对作物未来的生长趋势进行预测预警，从而实现降低农业生产风险（天气状况如冰雹、台风等）、提高作物生产效益的目的，美国还高度重视物联网在农业应用中的标准化问题。目前，致力于推进农业电子商务发展和农业信息技术使用的AgGateway组织和帮助农民管理和应用数据的工程0ADA项目正在合作研究农业数据标准化问题，拟建立农业数据可操作标准，使任意不同农业物联网设备能相互识别、格式兼容、互通互联。

除了政府的引导和支持外，民间资本在农业物联网也十分活跃，并展现了旺盛的生命力。美国农业器械供应商如约翰迪尔公司（John Deere）、克拉斯（Claas）和凯斯纽荷兰（CNH Global）都已经开始进军物联网，并先后投入巨资。美国农业种业巨头孟山都公司（Monsanto）近年来将视角瞄准了农业信息技术和农业物联网，并取得明显成效。通过收购农业种植技术开发公司（Precision Planting Inc.）和意外天气保险公司（Climate Corp），孟山都正在朝精准农业进发，并且已经开始提供用于收集和处理土壤、害虫、气候等农业相关的信息服务产品，开发出一系列在线信息服务工具和高级农艺应用App[10]。美国硅谷新型创业公司FarmLogs公司为农户提供基于农业物联网的云服务，客户覆盖全美15%的农场。目前，FarmLogs公司已为自己获得1 500万美元的融资。FarmLogs公司让农民通过互联网和手机移动应用平台，把农户耕作方面的数据（包括耕种面积、土壤状况、作物长势、气象数据等）上传到公司研发的物联网云平台上，公司在平台上为农场建立信息流通的数据库，如单个农场使用的种子、施肥量、种植方法、环境因素以及最终的产量等，基于这些数据，为农户提供农业生产方面的信息数据和全面透明的视角，从而为农户提高作物的种植效率提供决策支持。硅谷的创业公司CropX在密苏里、科罗拉多和堪萨斯州的近2 023.4 hm2农田中为农户提供“土壤物联网”服务，产品为探测土壤参数的传感器硬件与帮助农户展示相关数据的软件组成土壤物联网系统。最重要的传感器有3个，分别收集地形、土壤结构和含水量，以决定土壤对水的需求量。软件App可以将云端的计算结果呈现给用户，比如灌溉地图、土壤水分状况，农民也可以通过更改相应参数来计算不同区域所需的灌溉量。目前，CropX公司的土壤物联网业务刚获得900万美元A轮融资，产品开发正向肥料供应、作物保护、播种和收获预期等方向扩展，应用范围正逐步扩张到美国全境。

以传感器为核心的感知层在物联网架构上处于基础支撑地位，美国在微型传感器技术研发制备方面处于全球领先地位，基于强大的微电子技术和精湛的制备工艺，传感器的感知对象和监测指标日益精细化。日前，美国科学家研制出基于叶片水分感知的智能微芯片[11]，将这种轻薄的智能芯片贴在植物叶片上，当植物缺水时，会发出报警声音信息，同时向农户的手机或电脑发送信息提醒，农户可根据信息提醒远程操控灌溉施肥设备。试验结果显示，此项新型技术可节约 10%～40%的灌溉用水量，为农户节约了大量的成本。美国科学家Gutierrez等开发了基于特定离子传感器的液体肥料注入系统[12]，系统主要包括离子传感器和智能决策芯片，离子传感器能在线监测土壤和作物中多种离子（如氯离子、钾离子和镉离子等）的浓度，系统根据所测量特定离子浓度能自动进行植物所需营养的诊断和补给。美国1家农业机械公司开发1种土壤施肥机器人系统，通过在田地土壤里布置传感器，并使其与施肥机器人上的芯片无线通信连接，可准确测量土壤实时肥度状况并精准施肥，可大大减少施肥量、节约成本。马里兰大学科学家研究制备了一种基于纳米银颗粒的表面等离子共振方法的传感器系统，可以快速便捷、高灵敏度地检测食品中的农药残留[13]。随着科技发展，农业生产管理过程中对动植物生长发育状态、土壤水肥状况、重金属离子浓度、相应的生态环境甚至作物全息信息的实时获取技术和传感器正在不断发展。美国农业传感器的发展趋势主要为：进一步向微型化、智能化方向发展；嵌入式、可移动性趋势日益明显；监测对象和指标进一步精准化；新材料、新原理、新工艺的新型传感器研发层出不穷，例如，微纳米技术的发展不仅为传感器提供了良好的感知材料，还为传感器制作提供了许多新颖的方法和技术，与传统的传感器相比，其尺寸小、精度高、功耗低，具有较大的优势[14-17]。

[HTK]2.2欧盟[HT]

欧洲农业科技历史久远，农业机械化效率较高，并不断应用新型现代化技术。德国不久前提出的互联网+制造业的“工业4.0”概念，其本质上就是新一代物联网技术的应用。欧盟重视物联网通用定义的细化和行动战略规划的制定，根据欧盟推出的《2020年物联网：未来线路图》，在2015—2020年计划实现对所有对象和标签的编码，形成统一连接的物联网；2020年之后，使任何对象智能化，形成链接人、机、物一体化的泛在网络[18]。此外，欧盟还十分重视技术突破，早在2009年就重点对物联网的识别技术、发现和搜索引擎技术、通信技术、软件和算法、能源存储技术等12项关键技术，进行全面分析和布局规划[19]。近年来，随着微电子、计算机和自[JP2]动化技术的广泛应用，现代科技不断向农业渗透，欧洲一些发达国家的现代农业迅速崛起，形成了一个强大的支柱产业。欧盟将“机器到机器”（M2M）和物联网技术视为农业部门变革和实现智能农业愿景的关键因子，并开展了许多国家层次的农业物联网项目。相比于美国，欧盟更注重农业物联网的大规模产业化应用和经济效益，更关注小尺寸农田耕作、精准畜牧农业以及智能渔业等，更重视技术的突破和创新。目前，德国、英国、荷兰、法国等欧洲发达国家正在全力助推农业物联网发展，加大刺激措施，大幅提升技术演进路线和发展速度。

欧盟对于精准禽畜饲养很重视，近年来赞助了多个项目。法国农业科学研究院通过在牛群中安装传感器，对牛的实时位置、体质量、食物摄入量、甲烷排放量等进行统计，强化对牲畜行为的研究和分析，使农户们借助计算机和移动终端获得农场每一头牛的实时信息，这些数据包括产奶量、体质量、医疗护理、健康问题、繁殖等，数据用清晰明快的图表表达出来，便于农户掌握牲畜生长周期、饲料配比和投放等。2014年，英国剑桥的传感器及监控公司General Alert（GA）进入畜禽养殖领域，观察和研究利用物联网数据库提高畜牧生产和牲畜福利。该数据库目前已经存储了数十亿条农户的畜禽养殖数据，包括禽舍温湿度、二氧化碳、氨气浓度等环境信息以及畜禽的饮水流量、进食率等生活动态信息。英国计划在全国范围内部署传感器网络，希望利用畜牧物联网技术提供例如口蹄疫等疾病的早期预警，该疾病曾在2001年给英国带来巨大的损失。德国大荷兰人公司利用物联网技术还开发了一种全自动化的家禽养殖系统BigFarmNet，并在德国和美国的农场广泛应用。BigFarmNet通过颜色指示状态实时显示鸡的质量和增质量、每羽鸡的饮水量和饲料消耗量、饮水量/饲料消耗量的值和饲料转化率等生产关键指标。用户可以利用BigFarmNet系统在计算机上显示、分析、处理畜禽生产数据，并能自动化控制养殖禽舍内气候环境。此外，还可以对饲喂、供水和光照进行设置，实现供料、供水、清粪、通风、加湿、加热、收集传送鸡蛋的全自动化远程计算机控制，实现畜禽农场的智能化管理。

荷兰是温室园艺种植大国，玻璃温室占世界25%以上，且大多数温室使用计算机管理。荷兰的温室大棚物联网高度发达，在计算机智能化管理、温室环境调控等方面居世界领先地位，温室内作物生长环境、状况、视频图像等信息全部由计算机监控，并且植物种植从基质搅拌、装钵、定植、栽培、施肥到灌溉全部流程实现机械化运作。荷兰普瑞瓦公司为满足温室种植项目开发了一种NutriFit精准灌溉施肥全智能化控制系统，可基于不同作物生长发育特点和生长需求对作物所需求的营养液进行自动控制，以满足作物生长发育的最适要求。NutriFit系统采用土壤测试仪、电导率测试笔等传感仪器，实时监测土壤含水量、酸碱度等数据，通过与计算机控制中心连接，实时分析、处理灌溉施肥数据，确定最佳灌溉施肥方案。该水肥一体化智能系统还可通过计算机与室外果园内的果实膨大传感器、土壤养分速测仪、作物茎秆微变化传感器连接形成一体化控制系统，例如，通过果实膨大传感器测量判断植物对肥力的吸收率；通过作物茎秆微变化传感器测量茎秆微判断植物对肥力的需求量。系统根据室外果园传感器获取的数据进行智能分析，从而根据作物不同生长时期的需肥特点、土壤环境和养分含量状况进行差异化精准施肥和灌溉。

2.3日本和韩国

日本在农业经济的客观条件方面与我国有相似之处，如山地较多、人多地少和小规模经营等。然而，日本实现了农业现代化，而且农业整体生产达到世界先进水平。日本在发展现代农业过程中不断进行创新和完善，注重从技术引进转向自主开发，一直重点发展高新技术，形成独具特色的现代化农业体系[20]。日本科技创新使日本经济和社会其他各领域得到巨大飞跃，其中信息技术是日本着力发展的重要领域。日本高度重视农业科技成果的转化和推广应用，农业科技成果转化率高达75%以上[21]。作为日本农业信息技术化的重要一环，日本政府大力推动农业物联网在农户中推广应用，在物联网技术研发和推广应用方面投入巨大的资金扶持，使50%以上的农户选择使用物联网技术，以解决农业劳动力不足和老龄化问题。日本政府还计划打造基于农业物联网的农用机器人，预计未来5年形成市场规模达50亿日元的农业新型产业，使农业云技术运用率达75%[22]。近年来，除了政府部门对物联网推广应用的大力推动，日本一些大型企业如日本电信（NEC）、富士通等大型企业的信息部门在物联网技术研发上发挥重要作用。NEC公司与三井物产等传统农用品企业合作，在都市农业领域开发设施园艺种植物联网解决方案，在农户的都市大棚内安装空气、土壤、照度等传感器，定期自动收集农户数据并传送至NEC的云服务器上。系统还具备种植日志功能，把种植数据分析整理之后生成分析结果，再反馈给农户与经营者，在用户之间共享。经过使用农业物联网技术，农户可在管理终端实时实现对作物生产的监控、确认和管理，同时结合市场管理系统，形成产销整体的监控，工作量较使用前减少一半，大幅度提高管理效率，使用意愿较高[23]。

早在2004年韩国就制定了u-Korea计划，将物联网作为三大基础建设重点之一。自2010年之后，韩国政府从订立综合型的战略计划转向重点扶持特定的物联网技术。韩国在通信、显示成像等技术方面已具备全球化的竞争力，但传感器方面逊色于美国、日本、德国等国家。为加强在物联网领域的竞争力，[JP2]韩国政府自2015年起，着手推动尖端传感器培育事业，计划未来6年投资1.3亿美元，筹备组建物联网事业，研发极具潜力的先进传感器[24]。和日本一样，韩国也十分重视农业科技的信息化应用。韩国建立了农产品远程管理咨询系统，实现点对点双向多媒体信息交换，实现了农村振兴厅专家和农场主之间实时无障碍交流；韩国的温室自动化控制系统与农场生产自然环境、紧急环境信息系统也非常先进。此外，除了美国、欧盟、日韩之外，以色列的农业物联网技术也高度发达。以色列属于严重缺水国，人均水资源占有量不足400 m3，然而却在贫瘠的资源上创造出了“农业奇迹”。以色列用光热资源的优势和节水灌溉技术在沙漠中建立了大量的植物工厂，通过传感器和计算模型进行数据分析、自动灌溉和智能控制，在植物本体传感器的生产制造、示范应用方面具有世界先进水平和大量自主知识产权。通过先进智能化技术的运用，以色列用短短的几十年时间在资源匮乏的沙漠上成为全球水果、蔬菜、鲜花重要出口国，发展成全球高科技现代农业之国。

3发达国家农业物联网应用对我国的启示

发达国家在农业物联网技术研发和产业化应用方面已经取得了较大的进展，“他山之石，可以攻玉”，借鉴国际先进水平，认清我国的差距和优势，结合我国的实际情况，大力发展农业物联网技术和产业，培育先进的商业化模式，为我国加速实现农业现代化服务。（1）注重基础技术，增强农业传感器专项研发。以传感器为核心的感知层在物联网架构上处于基础支撑地位，国际上美欧日韩等发达国家在物联网的发展中非常重视基础技术的研发，尤其是传感器技术的研发，并投入大量支持经费，正因如此，发达国家才能掌握关键核心技术，引领物联网的发展。美、德、以色列等国研发的农业专用新型传感器不断涌现，如各类别的土壤传感器、气体传感器、植物生理生态传感器、动物生理传感器、食品检测传感器、便携式传感器等，并牢牢占据了国际市场份额。由于传感器的原创研发技术进入门槛较高，目前我国产业化应用的传感器绝大多数依赖进口，少部分国产传感器所需的核心部件也从国外进口，核心芯片的价格由国外厂商控制，极大削弱了我国物联网的竞争力。因此，借鉴国际经验，我国物联网产业发展必须在物联网传感器和核心芯片的原始创新方面应给予足够的重视，加大农业专用传感器的研发力度，筛选出预估将出现高成长高市场应用前景的具体领域，集中进行专项研发及试点推广应用。（2）重视标准建设，加快农业物联网标准修订。由于农业应用对象复杂，农业物联网系统庞大，涵盖了农业信息获取与传感器监测、数据传输与网络通信、数据融合与处理、自动化控制决策等较广范围，必然涉及各种网络制式、传感器设备接口、行业接口、异构数据交汇等问题，农业物联网的成功运行只有形成统一的行业标准，才能达到“万物相连”和大数据应用的目的。国际上欧美等发达国家和地区都高度重视物联网标准的制定，形成了有国际影响力的标准体系，如IEEE、EPC global、ETSI M2M、ITU-T等，涵盖了M2M通信、标签数据、空中接口、无线传感网等。我国在农业物联网标准制定方面较为分散，农业数据比较混乱，缺乏统一的国家标准，制约了我国农业物联网的发展。因此，一方面我国必须加快组织农业物联网相关标准的研究与修订工作，缩短行业达成共识的时间，统一农业物联网技术和接口标准，掌握物联网在农业市场的控制权；另一方面，加强国际合作，积极参与国际标准建设工作，借鉴和引进国际先进标准，占领国际物联网标准建设制高点。（3）引导多类型资本投入，培育全产业链共赢的商业模式。欧美等国家和地区非常重视农业物联网的大规模产业化应用，将高新技术转化为经济效益。美国对农业物联网的资金投入除了以政府投入为主外，社会资本也非常活跃，比如，投资农业物联网企业的社会资本囊括Google下属的Innovation Endeavors风投公司和专注于农业领域投资的Finistere Ventures等各大投资公司。国外社会资本的活跃得益于上下游产业链合作关系和成熟商业模式的构建。我国在着力开展物联网核心关键技术开发的同时，也应高度重视应用商业模式的开发，加强商业模式产业链的顶层设计，建立农业物联网生态系统。打造一条从农机装备生产商、M2M技术供应商、软件决策支持系统到农业细分领域专业知识供应商的农业全产业供应链，探索建立互利共赢的商业模式。进一步引导农产品加工企业、超市或金融机构等投资人入股农企，促进物联网与移动互联网、云计算、人工智能、大数据等新技术之间在农业领域的融合应用和模式创新，使物联网真正成为促进我国农业转型升级的科技动力。（4）适度扩大经营规模，为农业物联网实施创造积极条件。美国的农业生产经营单位主要由家庭农场和合伙制或股份制农场组成，按股份公司原则来经营，体现出比较明显的规模经济优势。我国农业山地较多、人多地少和小规模经营的特征比较明显，小规模经营阻碍了大规模机械化的使用，同时也使以物联网为代表的新兴信息技术的进入门槛较高，严重制约了农业生产效率的提升。应积极引导扩大农业种植规模，集中连片的大面积耕地，提高农业机械化程度和新技术采用率，增强种植的专业化水平和土地产出率。以更大力度创新经营体制，鼓励家庭农场的经营模式，积极试点股份制农场公司模式，实行企业化、工厂化、标准化的管理与服务。通过多种形式的适度规模经营，农户收入存在土地流转、土地出租、入股合作社、农场打工等多种形式，有利于农民收入的提高。通过适度规模经营，农业物联网等新兴技术的大规模应用成为助推我国农业全面跨越式发展的新引擎。

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