物联网技术在农业领域的应用

　　引言

　　十七届三中全会提出要不断促进农业技术的集成化、劳动过程机械化、生产经营信息化, 加快农业科技创新。其中, 农业信息化主要围绕发展现代农业,实现优质、高产、高效、生态、安全要求, 加快转变农业发展方式, 提升科学技术水平, 建设现代农业产业体系。中国是农业大国, 传统农业在国际市场上的优势主要依靠自然资源和劳动力成本的低廉。随着世界新技术的发展, 农业科技化将会成为未来农业发展的趋势。农业科技化是指以农业科学技术为依托, 开发出先进的、成熟的、能推动农业生产力发展的、有较高经济效益的农业科技成果, 并及时地将科技成果转化为农业生产急需的技术产品, 应用于农业生产的整个过程。农业科技化要求把农业科研、技术推广与开发和农业生产活动有机结合起来, 实现由传统农业向科技现代化农业的转变。农业科技将在农业生产过程中发挥各方面的重要作用。

　　要实现建设现代化农业, 就要大力推进农业科技创新, 就要促进农业技术集成化、劳动过程机械化、生产经营信息化。为适应农业规模化、精准化、设施化等要求, 加快开发多功能、智能化、经济型农业装备设施, 要重点在田间作业、设施栽培、健康养殖、精深加工和储运保鲜等环节取得新进展。推进农业信息服务技术展开, 应重点开发信息采集、精准作业、息、农村远程数字化, 气象预报预测和灾难预警等技术, 大力推进信息化与农业现代化的融合。基于信息和智能管理复杂的农业产业系统, 转变农业发展方式, 对物联网农业应用提出了迫切需求。物联网是以电子标签和电子编码( EPC )为基础, 建立在互联网基础上的实物互联网络, 其宗旨是实现全球实物信息的实时共享和互通。

　　1 物联网的概念

　　1999年, 物联网( In ternet o f Things, IOT)这个词,是麻省理工学院一位教授在研究无线射频( R adio Frequency Identificat ion, RFID ) 时最早提出来。 物联网概念是在互联网概念的基础上, 将其用户端延伸和扩展到物与物之间, 进行信息交换和通信的一种网络概念。其中, RFID 是能让物品说话的一种技术, 它能标识出物品的信息。在物联网中, RFID 标签中存储着规范而具有互用性的信息, 通过无线数据通信网络把他们采集到处理系统, 实现对物品信息的分析和处理并且能通过开放性的计算机网络实现信息的交换和共享。基于RFID 技术的物联网在很多领域已经得到了成熟的应用。

　　2005年, 国际电信联盟( ITU )发布的 ITU 互联网报告2005: 物联网中, 物联网的定义和范围已经发生了变化, 覆盖范围有了较大的拓展, 不再只是指基于RFID技术的物联网。其定义是: 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, 把任何物品与互联网相连接, 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概念。

　　2 物联网在农业领域的应用

　　2. 1 物联网在现代养殖业中的应用

　　由于现代养殖都大规模化, 畜禽养殖的数量也比较大, 仅仅靠人工标志和识别工作量大、难度高、效率低, 不能满足管理要求。物联网中的RFID 技术作为一种非接触的快速识别技术, 正越来越广泛地应用于现代养殖业中。

　　2003年, 我国 863数字农业项目中首次列入了数字养殖研究课题, 一套基于远距离系统的RFID 牛个体识别系统已经进入了实用阶段。该系统采用项圈式的应答器, 挂在牛颈上, 当牛通过系统的自动称重车时, 系统中的阅读器将自动读取牛的唯一编号并通过压力传感器完成称重过程。将这两个一一对应的数据(编号- 体重)连同采集时间一起通过无线局域网发送到养殖场的上位服务器, 为数字化养殖平台提供了重要的实时数据[ 6- 7] 。Parsons J. 等[ 8 ] 对C olorado的羊安装电子标签, 运用物联网技术提高了羊群管理效率。曹永军等[ 9] 在2008年就基于物联网系统RFID 技术的鸸鹋养殖管理信息平台进行了研究与应用。鸸鹋养殖场在当时一般采用人工粗放养殖方式,缺乏统一的养殖管理信息平台, 从而影响了企业的管理效率。建立物联网系统, 将RF ID 技术用来鸸鹋的个体标识, 为鸸鹋设计专用的RFID标签, 并结合无线传感网络、手持移动设备和PC 机数据库技术等构建RFID 鸸鹋养殖管理信息系统, 实现鸸鹋数据的有效追溯和数据及业务的共享, 从而给企业带来较好的经济效益和社会效益。谢琪等在2009年设计并实现了基于RFID 的养猪管理与监控系统。该系统主要针对猪繁殖工作流程的规范化, 依靠RFID 技术的ID 唯一标志功能把猪的管理转变为对ID 号的管理。

　　系统能自动、准确地识别出每一头猪, 并从数据库中读取猪的资料提供给工作人员, 使工作人员能按照特定的任务执行相应的操作, 从而保证了每一次数据的获取都是合理正确的, 减少了人为误操作。同年耿丽微等[ 11] 就当时的奶业所存在的养殖规模较小、单产水平低、管理技术落后、饲料单一、牛群血缘不清, 以及由此导致动物产品安全无法得到有效地保证的问题, 提出并建立了一种基于无线射频识别技术的奶牛的身份识别系统。该系统通过采用瘤胃式动物电子标识来为每头奶牛建立一个永久性的数码档案, 实行一畜一标, 并通过采用RFID 技术以及单片机与PC 机的通信技术对存储奶牛信息的电子标签进行远距离识别,从而及时地实现对每头奶牛的监控与管理。研究结果表明, RFID 系统读卡器的识读率为100%, 该方法实现了对奶牛生产养殖的数字化管理。

　　2. 2 物联网在农作物生长中的应用

　　物联网科技在农作物生长中可以实现监视灌溉情况、土壤空气变更以及大面积的地表监测, 收集温度、湿度、风力、大气、降雨量和有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH 值等信息, 从而进行科学预测, 帮助农民抗灾、减灾, 科学种植, 提高农业综合效益。2007年, 位于美国加州Oxnard的草莓培育商安装一套物联网系统, 实时追踪植物的生长状况。该系统还可以根据空气和土壤的状况, 自动触发相关行为, 如浇水或调节温度。这套系统由C limateM inder开发, 目的是帮助培育商更好地管理植物的生长情况, 这套系统自该公司2007年发布以来, 已被土耳其200 家多温室和苗圃所采用。此外, 该系统还在土耳其的鸡场、烟草存储厂和冷藏仓库使用。

　　中国Zhang Q ian等运用了物联网中的无线传感技术提出了温室检测和控制系统方案, 该方案促进了中国设施农业的发展。杜晓明等针对传统温室农作物数据采集系统存在的问题, 也提出了一种使用无线传感器网络技术组建农业温室监控系统的设计方案, 实现了作物生长环境的无线监控, 解决了传统温室农业布线的繁琐性和局限性, 为提高温室环境信息管理自动化程度和设施农业种植决策提供了依据。邴志刚等对作物精准灌溉的传感器网络进行了研究, 其运用RFID 相关技术设计了智能灌溉支架, 便于传感器网络节点部署、网络拓扑动态调整和网络管理以适应不同作物和作物不同生长阶段。对该系统进行了实验, 表明了其合理性和实用性。Ampatzidis Y. G. 和Vouqioukas S. G. 将RF ID 技术应用于检测果树的信息, 从而分析果子的生长状况。Bowman K. D. 则具体提出了在柑橘树中植入射频芯片, 该芯片可以采集和存储柑橘树的信息。H am rita T. K. 和H offacker E. C. 开发出土壤性质监测系统, 运用了RFID 和无线传感器技术, 实现了对土壤温度、湿度等的实时监测, 对后续植物的生长状况提供研究的依据。2010 年, 孙慧远等探讨了基于RFID 技术的植物电信号数据采集系统的设计, 研究表明其设计的系统具有可行性, 对实时监测植物生长情况和环境变化具有积极意义。

　　2. 3 物联网在农产品质量安全监测中的应用

　　食品业是典型的流程型制造业, 其特点是生产产品不能逆转, 产品安全管理包括生产、加工、储存、运输和销售等环节, 每一个环节都有可能出现食品安全问题。最近几年消费者特别关注食品安全问题, 也出现很多引起社会关注的奶粉事件。

　　因此, 农产品安全信息化已经成为食品安全监管工作中不可或缺的部分, 如何利用信息技术为食品安全生产服务是现在面临的严峻的问题。物联网中的RFID 技术易于操控、简单实用, 在食品安全管理中得到广泛的应用。如果发现农产品质量有问题, 能够利用RFID 技术快速地反应、追本溯源, 确定问题所在,有效地控制产品质量安全带来的问题。郭曼等将数据网络技术与RFID 技术相结合的方式, 构建了基于数据网络的RFID 农产品质量跟踪与追溯系统,实现了农产品跟踪与信息共享的物联网系统。在水产品中, 金淑芳将RFID技术与传感器技术有效的结合, 将水产品供应链中的物流环节全程监控与追踪。李琳娜等应用电子标签技术、自动识别技术在广东省的7家养殖场、5家批发市场、2 家水产品加工企业和1家省级监管中心进行实施水产品质量安全追溯体系。在肉类产品中, 国外SpiesslM ayr E. 等[ 24]运用RFID 技术改进了猪肉的可追溯系统, 并对该系统进行了实验, 证明了该系统的可行性。谢菊芳等运用二维条码技术、RFID 技术和组件技术, 构建了肉用猪及其产品的全程质量控制, 实现了基于. NET 构架的猪肉安全生产的追溯系统。史海霞等通过构建网络体系构架并运用RFID 技术, 实现了基于. NET框架下的肉用猪质量安全可追溯监测系统。

　　系统可以实现让消费者购买猪肉食品后追溯到肉的生产全过程, 保证了猪肉食品的质量安全。在果蔬产品中, 孙旭东等[ 27 ] 实现了柑橘质量安全可追溯信息系统, 该系统运用了RFID技术、二维码技术等融合数据库技术和无线网络技术多学科技术, 解决了每个参与对象信息的可追溯监测性。一旦在市场上发现危害消费者健康的果品, 通过查询电子标签上的信息就可以获得果品的产地等相关信息。陆清等[ 28 ] 提出了RFID 技术在供港蔬菜卫生安全监管中的应用, 他们开发了RF ID 卫生安全电子信息系统, 在供港蔬菜卫生安全溯源监管过程中进行关键点控制, 建立生产种植、加工、包装、运输、检验检疫监管、消费等环节的信息共享机制, 实现了供港蔬菜从农场到餐桌的信息全程溯源, 为我国食品安全检测提供了经验。

　　3 结语

　　自2009 年8 月温家宝总理提出 感知中国以来, 物联网被正式列为国家5 大新兴战略性产业之一。物联网在中国受到了全社会极大的关注, 其在中国的受关注程度是在美国、欧盟以及其他各国不可比拟的。中国是农业大国, 物联网技术对于农业应用来说是机遇, 物联网科技的发展也必将深刻影响现代农业的未来。

　　如今农业领域面临进一步由无线传感器网络(WSN )向IOT过渡的技术创新与新兴产业发展的良好机遇, 同时也面临着很多的问题: 产业化技术研究体系尚未形成; 一批农业应用急需的先进感知与控制技术装备瓶颈性技术尚待原创性突破; 相关制造与服务产业尚未建立; 基于信息和知识支持的农业产业链各环节的智能化决策支持方法与技术研究, 需要跟踪计算与信息科学发展开拓先进研究领域, 以提供物联网农业应用层的先进科学解决方案; 农区缺乏能掌握信息、通信技术装备维护装备维护服务的人才, 需要发展农村技能型人才的知识远程培训服务; 需要建立良好的跨学科协力研究, 提供面向产业提升问题的系统解决方案。