物联网技术在特粮特经作物生产中的应用

王海洋，潘宗瑾，孙健雄，裴云鹏，施建军，杨 华，陈应江，秦光蔚，王 为，刘兴华*

（1.江苏沿海地区农业科学研究所，江苏盐城224002；2.盐城小农人农业合伙企业，江苏盐城224002；3.盐城思源网络科技有限公司，江苏盐城224002）

物联网（the internet of things，IOT）技术作为信息科技产业第三次革命成果，在作物生产中的应用已初见端倪。从其于1999年作为概念提出到如今广泛应用，只不过20余年就显示了其巨大的应用价值。物联网的核心和基础就是互联网，利用互联网，通过RFID（电子标签）技术实现物物相连，可进行信息交流、通信与自动控制[1]。将物联网技术应用于农业生产，有助于促进作物栽培、管理、加工、经营各环节的“管、控、营”一体化，达到集约、优质、高效的目标。它通过配置大量的传感器节点，组成监控网络，人们根据各类传感器传回的信息，及时发现与解决生产问题，促进了以“人力为主+孤立机械”的传统生产模式，向依靠“信息技术+自动控制”为主的现代智能农业生产模式转变，并逐渐成为现代农业的重要技术特征。在农业物联网应用领域，美国、欧盟及日本等国家和地区走在了世界前列，如美国、日本、以色列、荷兰等世界农业技术发达的国家，都已率先将物联网技术应用于作物病虫害监测、农田作物测绘、田间自动灌溉、农产品溯源分级以及科学精准管理等方面，促进了高效农业的发展[1-2]。

1 我国农业物联网典型应用领域

“十三五”时期，我国在农业物联网领域取得了较大进步，也出现了一些典型应用。在作物生产方面，人们使用各种自动化远程控制的生产设备、各种智能感知型芯片、移动嵌入式系统等物联网设备，监测农田灌溉情况、土壤理化特性、农业气象等环境状况，使作物生产实现精准化、自动化，通过营造相对稳定的作物生长环境，摆脱传统农业靠天吃饭的逆势，同时强化了管理，提高了生产效率[2-3]；在农产品市场方面，物联网利用数据信息采集、分析、处理的优势，对农业市场信息进行收集、清洗与专业分析，增强农产品市场监测预警能力，提高农业信息化服务水平，不仅有助于政府进行产业发展规划，还有助于具体指导农民产前种植决策及产后跟踪反馈，明显提高农业经济效益；在农产品质量管理方面，物联网用于农产品的质量监测、产地与质量安全溯源以及生态安全监管，促进了农产品质量与标准的提高，提升了农产品质量管理效能，把好了市场入口关，保证了农产品的生态安全；在规模化农场管理方面，农场利用物联网技术建立农场管理信息系统，对生产数据、从业人员、农业数据库和遥感影像与地图进行高效管理，促进了农场管理水平的提高，同时也提高了农场的农业生产管理效率。

2 物联网在特粮特经作物生产中的技术应用场景

物联网技术作为一种现代通用型技术，有其基本的3层结构，即感知层、网络层（传输层）、应用层。感知层通过ZigBee、RS485或者I/O接口等收集传感器数据，再按照TCP（传输控制协议）将数据发至远程中心服务器或云服务器；应用层终端用户可通过HTTP（超文本传输协议）从服务器中获取数据与分析信息（在网页或微信公众号中显示），从而作出决策或采取措施，或直接联动自动控制系统，实现对应用场景的智能化控制[4]。物联网主要涉及的技术系统有传感技术系统、智能化管理系统、远程监测与遥感系统、生物信息诊断系统、质量安全追溯系统等。目前，物联网在我国特粮特经（含果蔬）作物生产中的应用较为广泛与典型，具体体现在以下几个应用单元上。

2.1 设施大棚生态环境参数的自动控制

在现代设施（如温室大棚等）栽培管理过程中，可以利用物联网技术精确地控制大棚中特粮特经等作物的生长环境，处于基础支撑地位的是数据图像采集系统。其采集的指标参数包括设施中的空气成分、病虫草害指数、水肥一体化灌溉、土壤温湿度、土壤氮磷钾与pH值等。通过对比分析来选择适合当地的智能设施大棚技术，并进行监控（测）系统的具体设计与研究。上述各种参数的采集均采用模块化的设计方法，把采集到的数据通过无线或有线网络传回服务器，构建感知层。参数数据采集系统通过安装在设施大棚中的温湿度传感器、光照传感器、pH值传感器、CO2传感器以及微控制器（MCU）等设备，实时监测大棚内空气、土壤、光照等各项环境物理与化学指标[5]。其中，温湿度传感器可探测空气温湿度、土壤浅层温湿度（±2 cm）、土壤深层温湿度（±5 cm）。

传感器数据的上传可通过TCP协议传输至网络层，主要有ZigBee和RS485这2种模式，根据温室情况，其数据传输现场部署可为无线式或有线式2种。无线式采用ZigBee发送模块将传感器数据发送到ZigBee节点上[6]。相应地，有线式采用电缆将传感器数据发送到RS485节点上，2种传输方式各有优势，可结合使用。设施中各数据采集系统所采集的数据通过无线或有线网络传输进入数据分析平台。现在无线网络因具有部署灵活、扩展方便、维护简便而受到推崇，更由于5G信息基础设施建设的推进，促进了数据信息分析平台的集成应用，可借助移动运营商物联网平台实现数据云传输。

应用平台（应用层）通过对相关历史数据、科学模型或专家反馈进行分析研判，发出相关控制指令，启动远程控制系统。控制系统由控制设备和相应的继电器控制电路组成，依靠实时采集的各项数据与指令集，实现对大棚内的控制设备进行自动控制，包括风机、湿帘、水泵及内、外遮阳设备等[6-8]，保证设施大棚中的农作物有一个最佳的生长环境，有效地提高作物单位产量与品质。

美国于20世纪80年代就开发了基于微处理器的计算机温室控制系统。荷兰的温室大棚物联网高度发达，其智能化管理水平处于世界领先地位。以色列则以光热资源优势在沙漠中建立了大量智能控制的植物工厂。我国设施农业的规模位居世界第一，物联网技术在设施农业中成功应用的实例也较多，基本上实现了温室设备的自动化控制。

2.2 特粮特经作物的精确定量栽培

与设施大棚环境控制类似，通过布置传感器节点和无线传感器网络组成感知层，实时采集作物苗情动态和生长发育状况等表型数据，并通过移动通信网络构成传输网络层，将数据实时传输至远程中心服务器或云服务器，专家或用户可通过远程数据处理中心或云平台，对来自感知层的作物生长动态数据及相关栽培调控管理措施等进行处理。由各种决策辅助系统组成应用层，并与终端用户具有良好的交互作用，可根据作物品种及生长发育相关资料库，来进行品种布局、适宜播期、基本苗定量决策、精确施肥决策、精确灌溉、精确植保以及智能学习等子系统的决策应用。

作物精确定量栽培上的应用不仅限于设施大棚内，在大田特粮特经作物生产中也有使用。如在千亩示范方中选择10块田、5个点来监测苗情，将农事管理措施上传到当地农业物联网平台上的作物农情智能监测与决策系统，由市、县、镇组成的作物生产专家组根据相关信息进行会商，给出相应的田间管理指导意见，并在示范方进行实施，同时可通过微信群或QQ群将管理意见发给基地的科技示范农户，以指导他们做好相关田间管理工作[7]。在作物生长的各时期，还可通过形状、颜色与重量传感器等来监测作物产品的外形、颜色、质量、成熟度等指标，运用软构件和参数化技术、决策支持与系统设计技术，结合GIS（地理信息系统）空间技术，发挥模拟模型的动态预测功能、GIS的空间信息管理功能、知识模型的管理决策功能，可建立基于数字模型和模拟分析的网络化数字作物栽培管理决策系统[9-10]。海南省文昌棕榈作物种质资源圃利用“托普云农”物联网设备打造的管理系统，由墒情传感器、苗情灾情摄像机、虫情测报灯、网络数字摄像机、作物生理生态监测仪以及预警预报系统、专家系统、信息管理平台组成，用户通过Web、PC（个人电脑）与移动客户端可以访问数据与系统管理功能，对作物实时远程监测与诊断，实现精细化、全方位、智能型管理，成为农业科技人员的“千里眼”和“听诊器”[11]。

美国、日本等国较早将物联网应用于作物精确定量栽培方面，不仅在设施温室，也在大田耕作栽培中，开发了农田作物测绘、作物叶色监测等智能系统，以准确评估作物生长情况。总体上，我国在这方面尚处于起步阶段，技术远未成熟，还存在许多技术环节需要攻克。

2.3 农田节水灌溉与施肥

物联网技术应用于节水灌溉方面相对比较成熟，我国有多家公司开发了智能化的水肥一体化灌溉系统。系统根据作物的需肥规律及土壤中的水分状况，或利用相关大数据支持，设置周期性的水肥轮灌计划，通过程序控制施肥机，自动控制灌溉量、吸肥量及肥液浓度、酸碱度等参数，实现对灌溉施肥的定时定量控制，提高了水与肥的利用效率[12]。美国、以色列等国家较早就推动农业物联网的科技创新与推广，首先实现了灌溉技术的智能化。通过无线传感器网络自动灌溉系统，利用传感器获取土壤的水分含量数据，并传至接收器与控制系统，来控制灌溉系统阀门的开与关，从而实现节水灌溉[1-2,13]。这种传感器网络具备自组网络、信息互递与实时通信的功能，让灌溉区面积大小与节点分布数量不会受到限制，可根据需要适当增减轮灌组数量，配合各节点具备的土壤、气象、植株性状测量采集装置，构建一个投入少、效率高、能耗低、功能全的农用智能节水灌溉平台。这一系统还可应用于大棚、庭院、花园、草坪、公路隔离带自动灌溉，以及农田井自动灌溉系统，让农业节水灌溉技术达到集成化、模式化标准，做到定量化、规范化，使之快速普及、健康发展。

依托水肥一体化技术及节水灌溉系统，装备上特定的离子传感器与智能决策芯片，基于土壤与作物体中营养离子的丰度，系统根据监测结果，可自动调节灌溉水中特定离子（如NH4+、K+、PO43-、Cl-等）的浓度，并进行营养补给[13]。荷兰建立的水肥一体化系统采用土壤测试仪、电导率测试笔、果实膨大传感器、茎秆微变化传感器等感知土壤与植株体内水分与养分的变化，进行差异化的精准施肥与灌溉[2]。美国还开发了土壤机器人施肥系统，通过田地土壤中布置的传感器将土壤中肥分数据无线上传至机器人芯片，从而使得机器人精准施肥[2]。

2.4 特粮特经作物果实产品的贮藏

物联网技术可用于特粮特经果实成品等的贮藏方面，其中温度传感器作用极大，空调制冷系统可根据冷库内温度传感器传回的实时温度数据进行自动控制，并使得该温度达到规定标准并保持稳定[14]。与冷藏库相比，气调库是一种更为先进的农产品贮藏保鲜方法，不仅是温度，气调库对库内空气相对湿度及O2、CO2、C2H4等的浓度均有一定的指标要求。气调库控制系统通过传感器采集库内各种物理量参数指标，在仪表实时显示并作为参变量参与到系统中实现自动控制，确保气调库内的果蔬和粮食处于最佳贮藏与保鲜状态[15]。

除了温湿度控制系统外，果实产品的“身份”及移动识别也需要物联网技术的支撑。对于采收入库的果实产品，在采收部门生成入库单，要贴上反映入库产品批次属性的电子标签（EID）或电子代码（EPC）。EID信息通过扫描后存储在EID数据库，在入库、移库、出库、盘点等任何环节，仓库内部署的任何一个EID读写器都可感知到范围内的EID信息变化，并通过网络层将该数据传输到平台数据库管理系统。结合RFID系统、传感器和无线传感网（WSN）等，产品的异动信息随时可被现场的读写器（Reader）发现与自动识别，从而实现了产品信息的监控与跟踪，并与其后续物流相衔接[16]。

2.5 生鲜农产品流通与产地质量追溯管理

物联网技术在生鲜农产品流通方面应用前景广阔。在农场及农产品生产源头，需要建立生产端的管理信息系统，将产地信息、产品信息以及质控信息等纳入物联网管理，利用物联网的EPC标签、二维码、RFID等技术，记录农产品从产地至超市的流通全过程，并在客户端被用户准确接收到。在运输物流过程中，通过近程射频技术如蓝牙或WIFI等，对流通环境如冷链系统的温度和水分进行控制，保证生鲜农产品不会因为环境温度过高而腐败变质，同时避免因水分不足而风干，导致品质变坏[16]。在商超或供应链配送中心，需要建立相应的配送管理信息系统，以准确反映市场的变化，为顾客提供更有针对性的产品与服务。在客户端建立终端信息处理系统，如以HF频段RFID前端与串口/以太网透传后端的溯源终端机，实现农产品相关信息的获取及溯源信息的回传等功能，使农产品具有安全可追溯性[17]，并方便客户下单、付款、收货等，且有利于及时地对整个农产品物流系统进行有效反馈，不断提高物流服务的水平，减少农产品库存，提高储库周转效率及农产品配送效率。在韩国、欧盟等国家，物联网技术在生鲜农产品流通方面的应用已经相当广泛，有成熟的可操作的应用模型，我国在这方面的研究与应用还需进一步加强。

2.6 农作物病虫害的监测预警

物联网技术在农作物病虫害监测预警方面作用较为显著。病虫害监测预警系统可由红外传感器、虫情测报灯、孢子捕捉仪、苗情/灾情摄像机、作物生理生态监测仪、小型气象站以及预警预报系统、专家决策系统和信息管理平台等组成，系统联合作物生长发育管理、作物图片数据库以及灾情分级指标等模块，通过4G/RJ45上传至管理平台，配合专家决策系统实现对作物病虫害的感知、远程监测与诊断，再根据感知层与中间层获得的诊断结果，触发预警预报系统[18]。用户系统则是基于.net平台开发的监测Web管理网站、监测APP、数字植保微信公众号等，界面友好，各级用户均可通过网页、手机等移动端设备直接查看田间的虫情、苗情、灾情及环境数据[18-19]，有利于提高认识、组织统防统治。但是，由于作物病虫害种类繁多、习性各异，在智能化新型测报工具方面研发难度较大。现有研究以图像、声音信号、雷达、红外传感器等作为智能化测报工具应用较多，并取得明显进展。一些关键技术尚未能取得突破性进展，导致很多害虫测报装备智能化程度低，技术成熟度还不够[19]。

3 存在的问题

进入21世纪，物联网领域在网络架构、通信技术、数据融合、异构网络融合、智能终端、信息安全和保密、相关标准研究、应用和业务开发等方面都有突破性进展，甚至部分技术已发展成熟，有的已经进行集成并在国营大农场作物生产管理中初步应用[20]。但是，搭建一套完整的物联网系统需要耗费较大的人力与物力成本，其开发门槛高、研制周期长、基建成本高等特点，使得其在农业应用方面比较效益偏低，尤其影响其在我国中小规模农业方面的推广应用。因此，物联网在农业上的应用仍限于部分领域及技术环节，总体上还处于试验示范与发展阶段，离大规模推广应用还有较长距离。就农业物联网技术而言，还存在以下一些问题需要解决。一是我国农业生产规模小、多样性丰富且精细化程度要求高，相应的物联网相关设备体积、功耗及精密度尚不能满足要求；农业环境的复杂性使得物联网设备的稳定性与实用性大打折扣。二是低功耗的数据传输技术可靠性较差。农业物联网需要低功耗的物联网技术，但现有低功耗下的网络传输安全性仍不高，抗干扰能力仍不强，自动动态组网技术仍不足，从而给后期数据解读与分析带来一定困难。三是我国农用微型传感器的种类与数量严重不足，自主研发不够，对外依存度较大，形成了“卡脖子”问题，也提高了传感器成本，影响其在农业方面的推广应用。四是我国农业方面的技术标准不统一，需要加快农业物联网相关标准的制订或修订。标准涉及到各种网络制式、传感器设备接口、行业接口以及异构数据交汇等问题。只有农业物联网内部形成统一的标准，才能达到“互通互联”的目标，实现物联网应用的目的。

4 展望

随着农业供给侧改革、农业高质量发展和乡村振兴战略的实施，传统农业面临向优质化、绿色化、特色化、品牌化、信息化为主的现代农业转型，也催生了创意与休闲农业、观赏农业、农旅康养等新产业、新业态、新模式，使得未来的农业不仅“好吃、好看、还好玩！”同时，随着现代电子信息技术的发展，各种有关物联网设施设备，尤其是各类传感器将逐步向微型化、芯片化、智能化方向发展，能耗将逐步降低，稳定性、可靠性、安全性将逐步增强，监测对象和指标参数将更加精准，物联网技术向农业的渗入融合将更加广泛而持久，需因势利导将农业技术、信息技术和机械化技术深度融合，推动农业物联网的进一步发展，推动建立信息感知、无线传输、自动控制、智能作业于一体的农业生态智能控制系统，实现自动化、标准化、集约化和智能化管理的精细智慧农业。总之，物联网技术在现代智能农业发展中的应用前景将十分广阔！

在摸索中发展，在实践中创新。农业物联网的标准体系也将会在应用中逐步建立或修订。有理由相信，我国必将能够根据农业发展的实际状况研发出系统化应用的农业物联网技术，更加适应我国现代农业发展的需要，为农村振兴、农业增效、农民增收做出新的更大的贡献，并助推我国实现从农业大国向农业强国的跨越！