基于物联网信息技术的智慧农业发展的研究*

胡开明，刘惠煌，张议夫

（东华理工大学长江学院，江西 抚州 344000）

我国是一个农业大国，地域辽阔，物产丰富，气候复杂多变，自然灾害频发，“三农”问题是我国政府高度关注的问题[1]。随着科学技术的进步，智慧农业、精确农业的发展，物联网技术在农业中的应用逐步成为研究的热点。物联网技术在农业中的应用任重而道远，是挑战，更是机遇。物联网是通过使用射频识别传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按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、监控和管理的一种网络[2]。在我国大力推动农业信息化的前提下，物联网将是农业信息化过程中的一个突破口，必将深刻影响现代农业的未来。本项目组从智慧农业发展现状出发，研究物联网信息技术下智慧农业的结构框架、实现技术、推动作用及物联网智慧农业发展策略。

1 我国物联网智慧农业发展现状概述

1.1 发展概述

目前，我国农业正处于从传统农业向现代农业转型的重要阶段，面临着农业用地减少、农田水土流失、土壤生产力下降、大量使用化肥导致农产品与地下水污染、食品安全与生态环境恶化等问题[3]。为了解决这些问题，广大科技工作者开始研究生态农业、绿色农业、精细农业，提出了物联网智慧农业与农业物联网的概念。物联网在农业领域的应用是未来农业发展的重要方向，是推进社会信息化与农业现代化融合的重要切入点，也为培育农业新技术与服务产业提供了巨大的商机。

随着物联网技术的发展，传统的精细农业理念被赋予了更深刻的内涵。改造传统农业，发展现代农业，迫切需要将物联网技术用于大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流、农副产品食品安全质量监控与溯源等领域，实现对农业生产过程中的土壤、环境、水资源的实时监测，对动植物生长过程的精细管理，对农副产品生产的全过程监控，对食品安全的追溯管理，对大型农业机械作业服务的优化调度，以实现农业生产“高产、优质、高效、生态、安全”的发展要求。物联网技术的应用将为现代农业的发展创造前所未有的机遇。

智慧农业是农业中的智慧经济，或智慧经济形态在农业中的具体表现。智慧农业是智慧经济重要的组成部分。对于发展中国家而言，智慧农业是智慧经济主要的组成部分，是发展中国家消除贫困、实现后发优势、经济发展后来居上、实现赶超战略的主要途径。由于农村地区经济发展落后，金融机构支持“三农”的力度有待进一步加强，因此，农业发展资金投入严重不足，基础设施建设普遍滞后，农业机械化设备更新换代较为缓慢，严重制约了智慧农业的发展。

1.2 现状分析

我国在精确农业的应用研究方面也取得了不少的研究成果。但在整体水平上，特别是实用性方面与发达国家差距很大，主要存在以下两方面的问题。

1）农民整体文化知识水平不高，科技意识不强。我国是个传统的农业国家，农耕文化思想比较浓厚。当前，我国农民整体素质不高，文化水平比较低，科学素养不高，高素质人力资本流失严重，农民受到的科学知识培训比较少。在广大落后农村地区，农民仍然停留在小农意识中，过分依赖农业生产经验，忽视农业生产知识的学习和应用，农民受教育程度低是制约中国农业发展的瓶颈。

2）农业信息化技术应用水平较低。现代信息化技术是智慧农业发展的技术前提，信息技术的发展程度也决定了智慧农业发展的水平。我国当前农业科研体系仍不健全，科研成果转化生产力能力不足，现代信息技术程度低，这导致我国农业科研进度缓慢且难以应用于智慧农业。

2 物联网智慧农业系统的组成与构架

2.1 智慧农业系统构架

智慧农业是指在相对可控的环境下，通过光照、温度、湿度等无线传感器，采用工业化生产，通过实时采集温室温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭设备，及时调节农作物生产环境，使其在最优的环境中生长[4]。同时，通过图像采集设备，把实时画面通过无线传感网络传输到PC终端，实现远程监控。系统由终端节点和主控节点组成，终端节点负责采集数据，驱动执行机构，主控节点负责现场控制，上传数据到物联网平台。数据传输方式可采用无线ZigBee模式，将传感器的数值传送到ZigBee节点上，实现主控节点和终端节点间无线传感网络通信[5]。用户终端通过PC端远程访问温室数据，实时显示数据、查询历史数据、观察数据的图形走势，并能够发送控制指令驱动机构。采集的数据需要发送到物联网平台，进行存储、查询、监测报警、分析与管理。其结构框架如图1所示。目前，该方案已经应用于物联网智能大棚、温室远程监控及农产品质量安全信息平台等领域。

图1 智慧农业构架

2.2 智慧农业系统功能

物联网智慧农业平台系统由感知层、传输层、应用层组成。感知层由无线传感器网络组成，该层包括终端节点和主控节点。终端节点从温室采集温度、湿度、光照度信息，通过无线的方式将采集数据发送到主控节点，主控节点再通过移动通信网络接入Internet，将数据汇聚到物联网平台。传输层包括无线通信设备、移动通信网络、Internet，传输层负责将温室采集的数据上传到物联网平台，并将用户发送的远程控制指令下发到温室设备执行。应用层使用户在物联网平台实现数据的存储与管理、事件警报、控制管理温室设备等功能，应用层为用户提供一个与温室的交互界面，通过Web网页，用户能够查询历史数据、实时采集温室数据、下发控制指令、设置触发报警事件。

2.3 智慧农业的关键技术

智慧农业包括信息技术的感知、农业信息的传输和农业信息的处理等关键技术。

1）信息感知技术。农业信息感知技术是智慧农业的基础，作为智慧农业的神经末梢，是整个智慧农业链条上需求总量最大和最基础的环节，主要涉及农业传感器技术、RFID技术、GPS技术及遥感技术[6]。农业传感器技术是智慧农业的核心，主要用于采集农业生产要素的信息，如温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度等数据，空气中的PM2.5，养殖中的pH值、浊度、氧气含量等。

RFID技术即无线射频识别技术，通过无线通信结合数据访问技术，连接数据库系统，实现非接触式的双向通信，达到识别目标对象的目的。在智慧农业中，GPS技术对农业生产过程状况进行跟踪和定位，实现农业生产的精准化操作。智慧农业中使用遥感技术，利用高分辨率遥感信息，采集地面空间分布的地物光谱反射或辐射信息，获取小区域长势与背景的差异，全面监测农作物的生长过程中的周期状况和土壤水分含量等数据，从而提供精准农业实施定位处方农作所需的信息。

2）农业信息传输技术。农业信息传输技术是智慧农业传输信息的必然路径。在智慧农业中运用最广泛的是无线传感网络。无线传感网络是以无线通信方式形成的一个自组织多跳的网络系统，由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

3）信息处理技术。信息处理技术是实现智慧农业的必要手段，也是智慧农业自动控制的基础，主要涉及云计算、GIS、专家系统和决策支持系统等信息技术。

3 物联网对智慧农业发展推动作用

智慧农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约、高效、可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与陆地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。如利用传感网络对土壤温度、湿度、光照度进行实时监控并有效控制滴灌，提高农产品的品质，提高产能，节约用水。通过传感器、定位技术和移动互联网等技术的整合，实时采集温度、湿度、光照等环境参数，对农业综合生态信息进行自动检测和远程控制等。

3.1 传统农业的弊端

传统农业生产的物质技术手段落后，主要依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。在现实中，主要存在的问题是：农业科技含量低，装备水平相对滞后，农业污染严重，农业产出少，农民收入低[7]。主要表现为以下几方面：

1）传统农业的特点是精耕细作，农业部门结构较单一，生产规模较小。一般只能够自给自足，无法大规模生产。2）经营管理和生产技术比较落后，抗御自然灾害能力差，受自然天气影响非常大，“靠天吃饭”是最好的诠释。传统农业中，浇水、施肥、打药等过程，农民大多凭经验、靠感觉。3）农业生态系统功效低，商品经济较薄弱，基本上没有形成生产地域分工，不适应现代经济运作模式。

3.2 物联网对智慧农业发展的推动作用

1）物联网是加强农产品质量安全的有效举措。农产品质量安全是当前社会普遍关注的热点问题。运用物联网技术，加大对农产品生产、流通到消费整个流程的监管，完善农产品安全追溯系统，保障农产品安全。

2）物联网是发展现代农业的重要支撑。应用物联网技术改造传统农业，实现对农业用药、用水、用肥以及畜禽和水产养殖的精确控制，减少浪费，降低污染，加强疾病防疫及疫情防控，实现农业高效、可持续发展。

3）物联网是提升农业决策指挥水平的重要手段。通过物联网技术对农作物生长、森林防护、畜禽和水产养殖等进行监测，可实现准确感知、及时反馈，提升农业决策指挥水平。

4 物联网对智慧农业提升策略

4.1 全面构建“互联网+”现代农业的发展模式

在原有农业信息功能的基础上，建立农产品价格信息系统，指导农民按照市场需求配置生产资源。建立农业科技信息联合服务系统，建设以实用技术和推广实例为主要内容的信息资源数据库群，实现科技信息的联网检索查询服务，推动农村电子商务发展。开发国内、国外两类信息资源，加强涉农部门的沟通与协调，建立农业专家系统、农业基础数据库系统和信息交换制度，实现涉农信息共享。进行制度化建设，改变信息重复采集、分割拥有、垄断使用和低效开发的局面，推动物联网与农业生产、经营、管理和服务的融合。

4.2 实施农业科技装备创新行动

推广高新技术，充分发挥现代农业产业技术体系作用，启动重点种源关键核心技术攻关，选育和引进一批农业新品种，集成一批重大关键技术。提升农机装备，推动农机装备产业集群化发展，开展全程机械化农事服务中心创建，强化农机试验鉴定能力提升，提高机械作业服务化水平。发展数字经济，实施农业农村数字经济建设三年行动计划，全面完成智慧农业“123+N”各项建设。扎实推进“一村一名大学生工程”，继续实施现代农民培育计划、基层农技人员“三定向”培养工作，扩大农技推广服务特聘计划，吸引更多的实用人才扎根农村、服务农业。将职业农民培育纳入国家教育培训发展规划，形成职业农民教育培训体系，满足智慧农业对人才的需求。

4.3 构建农产品电子商务平台

构建全新的农产品电子商务营销体系，加强农产品批发市场业务应用系统的建设，完善信息全方位、网络化、及时化的传递，通过电子商务、网络交易等现代交易手段实现信息的共享，提高农产品批发市场的辐射力，构建与国际市场接轨的农产品现代流通体系，促进农民增收和保障农产品流通安全，发挥农产品现代流通体系的整体功能。建立农产品质量安全追溯体系，提高农业信息化水平。

4.4 以5G技术推动智慧农业新发展

5G是继4G之后的新一代移动通信系统，已经投入商用。5G拥有比4G更高的频谱利用率和传输速度，能满足未来10年信息海量的传输、机器间的通信、网络智能化等要求[8]。目前，5G技术推动了农业信息化发展，从实现农业生产过程的信息感知、精准管理和智能控制三大层面切入，将5G通信网络云计算大数据以及智慧农业前沿技术融合，应于高价值农业种植，并从监测农业养殖以及农产品精确溯源等方面，全面提高农业生产的精细化、高效化，促进农业可持续发展。5G网络的使用可极大提高农业水平，有力推动农业现代化进程，助力乡村振兴。

5 结语

通过对智慧农业发展现状及物联网信息技术的智慧农业结构、组成与功能的分析，在我国大力推动农业信息化的前提下，物联网将是农业信息化过程中的一个突破口，必将深刻影响现代农业的未来。同时，智慧农业概念的提出与我国现代农业发展的迫切内在需求相吻合，既是历史机遇的巧合，也是农业发展的必然。要牢牢抓住“互联网+”战略机遇，深入推动互联网和农业生产、经营、管理和服务的融合。重视物联网与农业结合，大力发展智慧农业。