现代农业物联网的主流技术领域与发展趋势

房岩孙刚 金丹丹陈野夫杜娟吴苏欢王雪纯王薇刘聪

(1．三明学院资源与化工学院，福建 三明 365004；2．长春师范大学生命科学学院，吉林 长春 130032；3．国药中生长春生物制品研究所有限责任公司，吉林 长春 130012)

引言

改革开放尤其是进入新世纪以来，我国的农业和农村发展取得了举世瞩目的显著成就，但相对粗放的生产模式也带来了一系列问题。农药、化肥过度使用，地下水资源超强开采，土壤肥力严重消耗，生态环境恶化，食品安全令人担忧。集人工智能、云计算、大数据、计算机、移动互联网、物联网、音视频、无线通讯、专家系统等高新技术于一体的智慧农业，正是解决这些问题的有效途径。智慧农业是智慧经济形态在农业中的具体表现，与可视化技术、人工智能技术、现代生物技术、种植技术等相互融合，是农业生产的发展方向和高级阶段。美国、日本等发达国家的农业实践表明，以农业物联网为核心的智慧农业是农业发展进程中的必然趋势[1]。

1 现代农业物联网的主流技术领域

1.1 远程监测系统

将不同功能的传感节点布设在农田、草坪、园林、温室等目标区域，实时原位收集生态环境参数、植物生长参数、病虫害参数，包括土壤水分、土壤养分、温度、光照强度、CO2等气体浓度、电导率、相对湿度、酸碱度等。通过无线网络、信息路由设备、无线传感系统、太阳能供电系统等，实现农业信息的存储和远程传输。转化为视频图像后，可视化同步监控农作物的生长情况、营养水平和整体状态，为农户提供科学、合理、高效的数据支持和决策依据[2]。

1.2 智能控制系统

农业物联网通过定位监测、信息传输、综合处理、专家系统等，建立作物、环境、土壤、水分、肥力、病虫害等多维因子之间相互联系、相互耦合的动态网络，智能化控制和管理农作物的最适生长条件。农业生产信息汇总到中控系统后，技术人员对监测数据进行处理、集成、分析，用户以图表和曲线的形式获得直观显示。根据各项参数的反馈和农业生产的实际需要，精准、即时调节相关生产资料的投施，远程开启农业机械设备，进行自动换气、自动灌溉、自动调温、自动施药、自动施肥、自动卷模、自动调光、自动报警等操作，完成农作物生长环境的最优调控，达到增加产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

1.3 流通销售系统

在农产品商品化过程中，涉及到众多环节以及相关的市场信息。亚马逊于2006年运用网络硬盘、智能扩容、在线简单存储等技术，为用户提供云计算、弹性运算和数据共享服务。谷歌于2007年首次提出“云计算”(Cloud Computing)，又称为“网格计算”；云计算将巨大的数据处理程序分解为若干个小程序，通过服务器系统进行分析，几秒种内可以进行数以万计数据的处理，并将结果返回用户，实现强大的网络服务。微软于2008年推出Windows Azure系统，尝试构建新的互联网云计算平台[2]。美国政府率先实施农业云战略，农业部、交通部、卫生部、商业部、教育部、能源部等正在积极向云平台转移，大数据平台目前已经覆盖各大部门的核心部门主要数据。日本于2009年制定国家云计算战略。云技术具有很强的需要性、即时性和扩展性，与农业物联网相互融合，解决了行业条块分割、农业信息分散、资源整合不足等问题，农产品的流通和销售更加及时和便利，使用户得到全新的体验[3]。

1.4 追踪溯源系统

利用物联网技术建立农业生产的溯源信息服务平台，实现农产品从产地到餐桌的全过程跟踪，覆盖种子采购、播种、养殖、施肥、施药、收获、加工、贮存、运输、销售等各个环节。通过对农产品的可靠识别和有效的质量监控，为整个产业链提供透明的展示，用户能够清楚了解农作物和食品的生长、生产环境，有利于鼓励可溯源农产品的推广，增加广大消费者对“舌尖上的绿色和安全”的信心。RFID技术(射频识别、电子标签)和条码技术越来越多地应用于农产品安全溯源、监测领域。从2001年起，加拿大开始使用肉牛一维条形码耳标和电子耳标；从2004年起，日本开始采用RFID电子标签对各种农产品进行流通管理和智能追踪，建立农产品识别和溯源系统。RFID技术已展现出广阔的应用前景，产业链制造产值全世界已近千亿美元，亚太地区在其中占据全球最大份额[3]。

1.5 采集加工系统

国内的农作物生产、加工目前仍大多采用人工、半人工、半机械的途径。由于人员的业务水平参差不齐，加工工艺缺乏统一标准，操作环境没有相应保障，致使农产品的质量高低不均，有时甚至会发生有毒有害微生物的侵染。另外，采摘时间主要根据经验积累和人为观察结果进行确定，常常会将最佳时段错失，造成农产品市场价值和综合经济效益的降低。在现代物联网技术的支持下，集约化、规模化、农场化的种植面积大大高于传统模式，农作物的采摘和加工采用自动监测和操作系统，科学确定最佳收获时间，提高商品价值，降低劳动强度和成本，增强规模化生产管理能力。

2 现代农业物联网的发展趋势

2.1 微型化、智能化、移动化、多样化

农业物联网传感器的种类和数量将快速增长，向微型智能化发展，感知将更加全面、透彻。移动互联正在成为新一代信息产业革命的突破口，农业物联网的使用将更加便捷。美国专家研制了一款纳米微型传感器，植入养殖动物体内可第一时间检测出流行性疾病的感染状况；还开发了装在农产品运输卡车货箱里的传感器，可实时监测湿度、温度状况，掌握环境因子对农产品中大肠杆菌或其他病原体可能造成的影响，防止食源性致病菌的产生。德国用金属氧化物气敏传感器开发的仪器，检测不同水果释放的标志性气味，分析判断水果的成熟度，精确度达到食品实验室中的专用测量仪。韩国研究人员利用表面等离子共振技术，发明了一种小型生物芯片传感器，可准确、快速地对环境和食品(DNA、蛋白质)污染进行检测[4]。

2.2 新材料、新结构、新原理、新工艺

随着相关技术的不断发展和产业链日趋成熟，更多的新结构、新材料、新原理、新工艺应用于农业物联网领域。嵌入式、模块化、集成化的实时传感器与大数据、云计算深度融合，技术集成更加优化，实现计算处理能力和信息存储资源的分布式共享，微功耗、低成本、高可靠性等参数指标进一步提升，为海量的物联网信息利用提供支撑。农业物联网的软件系统升级，根据环境变化和系统运行的需求及时调整自身行为，提供环境感知的智能柔性服务，从行业应用向个人、家庭应用拓展，进一步提高自适应能力[4]。

2.3 创新性、适应性、产业化、标准化

数字补偿、多功能复合等技术的集中应用，使农业物联网的参数指标更加严格，制造工艺更加精细，产品内在质量和外观表现更加出色。目前，世界各国普遍重视新产品和自主知识产权的开发，增强核心竞争力。重视传感器的可靠性设计、控制与管理，重视市场竞争、个性化特色和产业化应用，快速响应市场。瞄准全球农业物联网技术和市场的发展潮流与战略前沿，重视上下游接口联接的统一性、完整性、协调性和标准化。

3 结语

我国人均耕地面积远低于世界平均水平，农业生产具有很大的提升空间。农业物联网是智慧农业中的重要组成部分。在世界农业由传统模式向智慧模式跃进的过程中，几千年来形成的落后生产方式将得以改变。我国农业还面临着环境、资源、技术、理念、市场等多种约束，以物联网为核心技术的智慧农业为我国提供了与世界先进农业同步发展的难得机会。加速推进农业信息化和智能化，是我国农业实现现代化的迫切需求，是城乡协调发展、整合各方资源的当务之急，也是突破农业生产自身限制、实现跨越式升级的必然选择。