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农业物联网技术与农业机械化发展
作者：赵璐, 杨印生
来源：RFID世界网
日期：2011-08-05 07:57:37
摘要：随着科技的发展, 农业机械也逐渐趋于智能化、节约化、精准化和大型化, 而农业物联网作为农业信息化的先进技术, 可以对农业机械发展起到技术支撑作用。为此, 阐述了物联网的概念与特征, 从可持续发展的观点出发, 论述了农业物联网技术在农业机械化领域应用的可能性, 具体分析了农业物联网技术在农机装备技术、气候智能型农业、农机化区划与农机4 S以及农业机械化应急体系中的应用前景。
引言
物联网 被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮, 这一当前迅猛发展的新技术已经成为当今的热门话题。业内专家认为, 物联网是下一个经济增长点。一方面, 物联网可以提高经济效益, 大大节约成本; 另一方面, 可以为全球经济的复苏提供技术动力。
近几年, 我国农业机械化发展速度较快, 农业机械化支撑农业发展的能力显著增强, 加速了农业增长方式的转变和农业现代化进程。但是, 由于受我国农村经济发展水平、农业劳动力转移程度、农业经营规模和农机工业水平等多因素的影响, 农业机械化发展仍存在一些问题。目前, 农业物联网已经在智能化培育控制、农产品质量安全、农业信息监测等方面表现出独特的优势, 但在农业机械方面的应用还不广泛。本文对农业物联网技术在农业机械化领域的应用进行深入分析, 论证其可行性与发展前景, 以期促进我国农业机械化科技发展。
1 农业物联网技术及其发展趋势
1. 1 物联网的概念
物联网( Internet of Th ings) 是指通过射频识别( RFID)、红外感应器、全球定位系统和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连接起来, 进行信息交换和通讯, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这一概念是在1999年提出的, 简而言之就是物物相连的互联网。这意味着物联网的核心仍是互联网, 但它将 物 带入了互联网, 进行信息交换和通讯。欧洲联盟对物联网的定义是: 物联网是一个动态的全球网络基础设施,它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力。其中, 物理的和虚拟的 物 具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口, 并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道, 构成未来互联网。
物联网主要包括3个层次(如图1所示): 第1个层次是传感器网络, 是指包括RFID、条形码、传感器等设备在内的传感网, 可以实现信息的感知、识别和采集; 第2 个层次是信息传输网络, 可以实现远距离无缝传输来自传感网所采集的巨量数据信息; 第3个层次是信息应用网络, 该网络可以实现通过数据处理及解决方案来提供人们所需要的信息服务[ 5] 。正是这3个层次赋予了物联网能全面感知信息、可靠传递数据、有效优化系统以及智能处理信息等特征。
1. 2 农业物联网发展趋势
物联网作为当代信息技术的新发展方向, 很多国家都在投入巨资研究物联网, 我国也正高度关注对此的研究。温家宝总理在 2010年政府工作报告 中提出 当计算机和互联网产业大规模发展时, 我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中, 要早点谋划未来, 早一点攻破核心技术。 在这样的有利形势下, 我国尝试在各个行业进行应用物联网示范工作, 在农业上的应用也取得一些成效。农业物联网可以把感应器嵌入农业机械、土地、灌溉系统等各种物体中, 然后将 物 与互联网整合起来, 通过智能分析, 实施实时的管理和控制。这样, 人类可以以更加精细和动态的方式管理农业生产, 提高资源利用率和生产力水平, 促进可持续发展。主要体现在: 应用无线传感器网络进行农作物田间及温室环境控制和信息反馈, 用其检测动植物的环境信息监测, 保证动植物良好的生长环境以提高产量保证质量; 还可以应用农用传感器于移动信息装备制造产业、农业信息网络服务产业、农业自动识别技术与设备产业、农业精细作业机具产业和农产品物流产业。
2 我国农业机械化发展的趋势及技术需求
农业机械化是指用机器装备代替人力、畜力进行农业生产的技术改造和经济发展过程。农业机械化系统可以实现农业生产力的置换, 同时在农业生产力置换过程中有利于促进农业生产的发展, 促进经济增长和科学技术水平的不断提高[ 7] 。近年来, 随着农村经济的快速发展, 农村经济结构发生深刻的变化, 减少劳动和土地等传统资源要素的投入, 增加科技和装备等现代生产要素的投入, 已成为目前建设现代农业的方向, 我国农业机械化发展也随之呈现以下趋势。
2. 1 智能化
高新技术不断融合于农机化领域, 农业机械智能化已成为提升农业装备制造业竞争力的需要, 能够最大限度地发挥土壤和作物的潜力, 做到既满足作物生长发育的需要, 又减少农业物资的投入, 从而降低物资消耗、增加利润、保护生态环境, 实现农业的可持续发展。
2. 2 节约型
资源的不足和环境的退化是人类面临的重大问题, 也是我国建设现代化农业和促进农村经济可持续发展过程中不可忽视的问题。积极推进节约型农业机械化发展, 能够实现节水、节油、节肥、节药、节种和节能的目标, 同时减少对环境的污染, 获得较大的社会、生态和经济效益。因此, 农业机械节约化发展对于实现农业经济增长方式的根本性转变和促进社会经济可持续发展具有重要的战略意义。
2. 3 精准化
随着节约型、环保型现代农业发展理念的深入,精量及定位播种和育秧、精准定位施肥及精量施药等精准农艺生产需求的发展, 对高科技精量化农机装备的需求日益增长, 给农机产品配备精准农业系统已经成为世界农机发展的潮流。
2. 4 大型化
考虑到我国土地集中、规模加大、复式作业和节本增效等问题, 农业机械化向大型发展的趋势显得尤为必要, 这是因为大型农业机械具有作业质量好、效率高、平均作业成本低和有利于进行联合作业等优势, 农用动力继续大型化将是未来我国农机的发展趋势之一。
目前, 我国农业正处于传统农业向现代农业转型的关键时期, 农业机械产品在满足不同层次需求的同时, 逐步向大型化、精准化、智能化和节约型的方向发展, 更加注重产品质量和配套技术的集成应用。应该指出的是, 农业机械化作业的过程离不开对农作物信息的感知、农业数据的传递、系统的优化与农业生产智能决策, 而农业物联网技术恰恰在这几方面能发挥独特而又重要的作用, 因为物联网技术就是信息感知、数据传输、智能处理和优化决策等关键技术与互联网技术的综合集成体系。下面就农业物联网技术在农机化领域的应用前景进行阐述。
3 在农业机械化中的应用前景
3. 1 在农机装备技术领域的应用前景
物联网的关键技术之一就是在 物 中安装传感器和其他控制系统。将这一技术应用于农业机械上就可以实现 让土地说话 , 通过及时收集和掌握作物生长的一些重要参数, 如土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度、光照强度、气压和CO2 浓度等, 可以摸索出植物生长对温度、湿度、光、土壤的需求规律, 提供精准的科研实验数据。通过智能分析与智能控制, 农业机械能及时做出决策, 精确地满足植物生长对环境各项指标的要求, 达到增产增收的目的, 提高农业生产效率的效果。澳大利亚已经将物联网运用于农业机械, 推出一种能识别莠草的喷雾器。这种喷雾器在田野移动时, 能借助专门的电子传感器来识别莠草, 发现莠草时才喷出除莠剂, 从而大大节约了花费的除莠剂, 减轻了对环境的污染。浙江工业大学也成功利用传感器网络监测大田及温室土壤温湿度及建立节水灌溉系统, 随时精确获取作物需水信息, 为精量灌溉提供科学依据。可见, 如果综合应用信息技术、先进加工工艺于农机产品上, 实现物联网系统与农机产品的有机结合, 将提高产品的质量和性能, 更好地实现精确作业。
3. 2 在气候智能型农业领域的应用前景
2010年上半年, 我国的极端气候日益增多。年初, 西南五省特大旱灾; 7月中下旬, 我国南北诸多地区接连遭受洪涝灾害 有农业专家指出: 农业是对气候条件依赖性很高且生产周期较长的产业, 面对这些极端气候现象, 必然会给脆弱的农业产业带来严重危害, 直接威胁国家 米袋子 和 菜篮子 的安全。因此, 快速反应、积极应对极端气候已成为农业农村面临的一项极其紧迫而艰巨的任务。利用物联网的感应器技术原理, 可以在该领域实现信息的实时监测,提高农业对洪水和干旱等破坏性自然灾害的抵御能力, 加强对农业的管理, 降低气候灾害对农业社区的危害程度, 同时建立农业机械化应急体系来帮助农民应对气候变化。如在农业的水利水位上安装水位测定感应器, 可以实现对水位数据的识别、采集和处理。
3. 3 在农机化区划与农机4S中的应用前景
每年农时, 农机户大多数是根据经验进行农业机器的配备及更新, 而由于每年的生产要求与气候变化, 常常造成农机配备过剩或短缺两种结果, 从而造成资金的浪费及农户经济利益受损。尤其在生产的关键时刻, 由于农业机械未及时到位, 就会造成严重的油料、时间、人力的浪费, 甚至延误农时[ 9] 。基于物联网技术, 可以给农业机械贴上电子标签, 那么农机信息就可以实时获取, 清楚地了解到作业机械的具体位置, 进行自动跟踪。经过数据处理, 可以实现对农机装备的统筹管理, 了解各区域农业机械的类别及配套数量等, 从而增强了农机化区划的准确性和快捷性, 才能发挥农机系统优化配备的最大效用。
农机4S体系是一种以整机销售( Sale)、零配件( Spare- part)、售后服务( Serv ice)、信息反馈( Survey)四位一体 为核心的农机特许经营模式。对于这种新型的 一条龙 农机经营服务模式, 物联网技术的应用可以在运输、销售、使用和回收等其他环节实现产品的定位追踪。改进农机销售商的库存管理, 实现快速供货、适时补货, 并最大限度地减少储存成本, 提高效率, 减少出错。即使在农机作业过程中出现问题,也可以准确地定位, 做出及时的补救, 使损失尽可能降到最低。这就大大提高了农机供应商送货的可靠性和效率, 大幅度提升了对农机用户的服务水平、档次、效能和质量。另外, 对不合格的产品也可以实现及时召回, 降低产品退货率, 提高了自己的服务水平,同时也提高了消费者对产品的信赖度。
3. 4 在农业机械化应急体系中的应用前景
我国是世界上灾害频发的地区之一。灾害的突发性、难以预料性是超乎人类想象的。如果处理得不及时, 就会严重影响农业生产和农村社会的稳定, 因此提高农业机械应急工作能力刻不容缓。考虑将农业物联网技术与农业机械结合来构建农业机械化应急体系, 一是可以对不同灾害的有关环境参数进行实时采集, 集中信息资源, 建立灾害预警模型库、告警信息指导模型库, 为灾害事故的预测、预报和防止提供可靠的数据基础和技术支持, 如在小型超低空飞行器底部支架上装备数码摄像机实时的获取地面蝗虫图像,从而实现灾情预警; 二是在一些极端环境下, 可以迅速决策, 调配农业机械, 做到运转有序、避免混乱, 保证所需农机装备在最短的时间内运送到灾区第一线,如一旦发现灾情, 可以及时调用农业航空飞机及所需的农用机械救灾; 三是这样有针对性地调用农业机械可以避免运输费用的浪费, 降低抗灾救灾的成本, 最大限度地减轻农业损失。
4 结束语
1) 物联网是一个概念, 其内涵清晰、外延无限。虽然物联网的概念在1999年才被提出, 但人们的实践早已开始, 其应用已触及各个领域, 在农业机械化领域的应用前景广阔, 应该受到重视。
2)物联网是一种思想, 一种使物变人、呆变聪、死变活、静变动的思想, 一种地球数字化的思想, 具有明显的社会经济特征, 它的应用将改变人们的生产方式和生活方式。农业机械有了物联网技术, 人们耕作时即可实现 不在情景、尽在掌控 , 增产增收, 大大地提高生产效率。
3)物联网是一种战略, 不可一蹴而就, 因为物联网技术的发展也是有周期的, 从技术创生、成长到成熟有一个过程, 因此物联网技术的发展是一个动态的经济过程。国内在物联网方面处于发展初级阶段, 在核心技术和生产规模方面都还有差距, 必须考虑成本、效率和收益, 走 宏观战略、因地制宜、分步实施、效果优先 的发展路径。
物联网 被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮, 这一当前迅猛发展的新技术已经成为当今的热门话题。业内专家认为, 物联网是下一个经济增长点。一方面, 物联网可以提高经济效益, 大大节约成本; 另一方面, 可以为全球经济的复苏提供技术动力。
近几年, 我国农业机械化发展速度较快, 农业机械化支撑农业发展的能力显著增强, 加速了农业增长方式的转变和农业现代化进程。但是, 由于受我国农村经济发展水平、农业劳动力转移程度、农业经营规模和农机工业水平等多因素的影响, 农业机械化发展仍存在一些问题。目前, 农业物联网已经在智能化培育控制、农产品质量安全、农业信息监测等方面表现出独特的优势, 但在农业机械方面的应用还不广泛。本文对农业物联网技术在农业机械化领域的应用进行深入分析, 论证其可行性与发展前景, 以期促进我国农业机械化科技发展。
1 农业物联网技术及其发展趋势
1. 1 物联网的概念
物联网( Internet of Th ings) 是指通过射频识别( RFID)、红外感应器、全球定位系统和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连接起来, 进行信息交换和通讯, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这一概念是在1999年提出的, 简而言之就是物物相连的互联网。这意味着物联网的核心仍是互联网, 但它将 物 带入了互联网, 进行信息交换和通讯。欧洲联盟对物联网的定义是: 物联网是一个动态的全球网络基础设施,它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力。其中, 物理的和虚拟的 物 具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口, 并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道, 构成未来互联网。
物联网主要包括3个层次(如图1所示): 第1个层次是传感器网络, 是指包括RFID、条形码、传感器等设备在内的传感网, 可以实现信息的感知、识别和采集; 第2 个层次是信息传输网络, 可以实现远距离无缝传输来自传感网所采集的巨量数据信息; 第3个层次是信息应用网络, 该网络可以实现通过数据处理及解决方案来提供人们所需要的信息服务[ 5] 。正是这3个层次赋予了物联网能全面感知信息、可靠传递数据、有效优化系统以及智能处理信息等特征。
图1 物联网的三个层次
1. 2 农业物联网发展趋势
物联网作为当代信息技术的新发展方向, 很多国家都在投入巨资研究物联网, 我国也正高度关注对此的研究。温家宝总理在 2010年政府工作报告 中提出 当计算机和互联网产业大规模发展时, 我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中, 要早点谋划未来, 早一点攻破核心技术。 在这样的有利形势下, 我国尝试在各个行业进行应用物联网示范工作, 在农业上的应用也取得一些成效。农业物联网可以把感应器嵌入农业机械、土地、灌溉系统等各种物体中, 然后将 物 与互联网整合起来, 通过智能分析, 实施实时的管理和控制。这样, 人类可以以更加精细和动态的方式管理农业生产, 提高资源利用率和生产力水平, 促进可持续发展。主要体现在: 应用无线传感器网络进行农作物田间及温室环境控制和信息反馈, 用其检测动植物的环境信息监测, 保证动植物良好的生长环境以提高产量保证质量; 还可以应用农用传感器于移动信息装备制造产业、农业信息网络服务产业、农业自动识别技术与设备产业、农业精细作业机具产业和农产品物流产业。
2 我国农业机械化发展的趋势及技术需求
农业机械化是指用机器装备代替人力、畜力进行农业生产的技术改造和经济发展过程。农业机械化系统可以实现农业生产力的置换, 同时在农业生产力置换过程中有利于促进农业生产的发展, 促进经济增长和科学技术水平的不断提高[ 7] 。近年来, 随着农村经济的快速发展, 农村经济结构发生深刻的变化, 减少劳动和土地等传统资源要素的投入, 增加科技和装备等现代生产要素的投入, 已成为目前建设现代农业的方向, 我国农业机械化发展也随之呈现以下趋势。
2. 1 智能化
高新技术不断融合于农机化领域, 农业机械智能化已成为提升农业装备制造业竞争力的需要, 能够最大限度地发挥土壤和作物的潜力, 做到既满足作物生长发育的需要, 又减少农业物资的投入, 从而降低物资消耗、增加利润、保护生态环境, 实现农业的可持续发展。
2. 2 节约型
资源的不足和环境的退化是人类面临的重大问题, 也是我国建设现代化农业和促进农村经济可持续发展过程中不可忽视的问题。积极推进节约型农业机械化发展, 能够实现节水、节油、节肥、节药、节种和节能的目标, 同时减少对环境的污染, 获得较大的社会、生态和经济效益。因此, 农业机械节约化发展对于实现农业经济增长方式的根本性转变和促进社会经济可持续发展具有重要的战略意义。
2. 3 精准化
随着节约型、环保型现代农业发展理念的深入,精量及定位播种和育秧、精准定位施肥及精量施药等精准农艺生产需求的发展, 对高科技精量化农机装备的需求日益增长, 给农机产品配备精准农业系统已经成为世界农机发展的潮流。
2. 4 大型化
考虑到我国土地集中、规模加大、复式作业和节本增效等问题, 农业机械化向大型发展的趋势显得尤为必要, 这是因为大型农业机械具有作业质量好、效率高、平均作业成本低和有利于进行联合作业等优势, 农用动力继续大型化将是未来我国农机的发展趋势之一。
目前, 我国农业正处于传统农业向现代农业转型的关键时期, 农业机械产品在满足不同层次需求的同时, 逐步向大型化、精准化、智能化和节约型的方向发展, 更加注重产品质量和配套技术的集成应用。应该指出的是, 农业机械化作业的过程离不开对农作物信息的感知、农业数据的传递、系统的优化与农业生产智能决策, 而农业物联网技术恰恰在这几方面能发挥独特而又重要的作用, 因为物联网技术就是信息感知、数据传输、智能处理和优化决策等关键技术与互联网技术的综合集成体系。下面就农业物联网技术在农机化领域的应用前景进行阐述。
3 在农业机械化中的应用前景
3. 1 在农机装备技术领域的应用前景
物联网的关键技术之一就是在 物 中安装传感器和其他控制系统。将这一技术应用于农业机械上就可以实现 让土地说话 , 通过及时收集和掌握作物生长的一些重要参数, 如土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度、光照强度、气压和CO2 浓度等, 可以摸索出植物生长对温度、湿度、光、土壤的需求规律, 提供精准的科研实验数据。通过智能分析与智能控制, 农业机械能及时做出决策, 精确地满足植物生长对环境各项指标的要求, 达到增产增收的目的, 提高农业生产效率的效果。澳大利亚已经将物联网运用于农业机械, 推出一种能识别莠草的喷雾器。这种喷雾器在田野移动时, 能借助专门的电子传感器来识别莠草, 发现莠草时才喷出除莠剂, 从而大大节约了花费的除莠剂, 减轻了对环境的污染。浙江工业大学也成功利用传感器网络监测大田及温室土壤温湿度及建立节水灌溉系统, 随时精确获取作物需水信息, 为精量灌溉提供科学依据。可见, 如果综合应用信息技术、先进加工工艺于农机产品上, 实现物联网系统与农机产品的有机结合, 将提高产品的质量和性能, 更好地实现精确作业。
3. 2 在气候智能型农业领域的应用前景
2010年上半年, 我国的极端气候日益增多。年初, 西南五省特大旱灾; 7月中下旬, 我国南北诸多地区接连遭受洪涝灾害 有农业专家指出: 农业是对气候条件依赖性很高且生产周期较长的产业, 面对这些极端气候现象, 必然会给脆弱的农业产业带来严重危害, 直接威胁国家 米袋子 和 菜篮子 的安全。因此, 快速反应、积极应对极端气候已成为农业农村面临的一项极其紧迫而艰巨的任务。利用物联网的感应器技术原理, 可以在该领域实现信息的实时监测,提高农业对洪水和干旱等破坏性自然灾害的抵御能力, 加强对农业的管理, 降低气候灾害对农业社区的危害程度, 同时建立农业机械化应急体系来帮助农民应对气候变化。如在农业的水利水位上安装水位测定感应器, 可以实现对水位数据的识别、采集和处理。
3. 3 在农机化区划与农机4S中的应用前景
每年农时, 农机户大多数是根据经验进行农业机器的配备及更新, 而由于每年的生产要求与气候变化, 常常造成农机配备过剩或短缺两种结果, 从而造成资金的浪费及农户经济利益受损。尤其在生产的关键时刻, 由于农业机械未及时到位, 就会造成严重的油料、时间、人力的浪费, 甚至延误农时[ 9] 。基于物联网技术, 可以给农业机械贴上电子标签, 那么农机信息就可以实时获取, 清楚地了解到作业机械的具体位置, 进行自动跟踪。经过数据处理, 可以实现对农机装备的统筹管理, 了解各区域农业机械的类别及配套数量等, 从而增强了农机化区划的准确性和快捷性, 才能发挥农机系统优化配备的最大效用。
农机4S体系是一种以整机销售( Sale)、零配件( Spare- part)、售后服务( Serv ice)、信息反馈( Survey)四位一体 为核心的农机特许经营模式。对于这种新型的 一条龙 农机经营服务模式, 物联网技术的应用可以在运输、销售、使用和回收等其他环节实现产品的定位追踪。改进农机销售商的库存管理, 实现快速供货、适时补货, 并最大限度地减少储存成本, 提高效率, 减少出错。即使在农机作业过程中出现问题,也可以准确地定位, 做出及时的补救, 使损失尽可能降到最低。这就大大提高了农机供应商送货的可靠性和效率, 大幅度提升了对农机用户的服务水平、档次、效能和质量。另外, 对不合格的产品也可以实现及时召回, 降低产品退货率, 提高了自己的服务水平,同时也提高了消费者对产品的信赖度。
3. 4 在农业机械化应急体系中的应用前景
我国是世界上灾害频发的地区之一。灾害的突发性、难以预料性是超乎人类想象的。如果处理得不及时, 就会严重影响农业生产和农村社会的稳定, 因此提高农业机械应急工作能力刻不容缓。考虑将农业物联网技术与农业机械结合来构建农业机械化应急体系, 一是可以对不同灾害的有关环境参数进行实时采集, 集中信息资源, 建立灾害预警模型库、告警信息指导模型库, 为灾害事故的预测、预报和防止提供可靠的数据基础和技术支持, 如在小型超低空飞行器底部支架上装备数码摄像机实时的获取地面蝗虫图像,从而实现灾情预警; 二是在一些极端环境下, 可以迅速决策, 调配农业机械, 做到运转有序、避免混乱, 保证所需农机装备在最短的时间内运送到灾区第一线,如一旦发现灾情, 可以及时调用农业航空飞机及所需的农用机械救灾; 三是这样有针对性地调用农业机械可以避免运输费用的浪费, 降低抗灾救灾的成本, 最大限度地减轻农业损失。
4 结束语
1) 物联网是一个概念, 其内涵清晰、外延无限。虽然物联网的概念在1999年才被提出, 但人们的实践早已开始, 其应用已触及各个领域, 在农业机械化领域的应用前景广阔, 应该受到重视。
2)物联网是一种思想, 一种使物变人、呆变聪、死变活、静变动的思想, 一种地球数字化的思想, 具有明显的社会经济特征, 它的应用将改变人们的生产方式和生活方式。农业机械有了物联网技术, 人们耕作时即可实现 不在情景、尽在掌控 , 增产增收, 大大地提高生产效率。
3)物联网是一种战略, 不可一蹴而就, 因为物联网技术的发展也是有周期的, 从技术创生、成长到成熟有一个过程, 因此物联网技术的发展是一个动态的经济过程。国内在物联网方面处于发展初级阶段, 在核心技术和生产规模方面都还有差距, 必须考虑成本、效率和收益, 走 宏观战略、因地制宜、分步实施、效果优先 的发展路径。
