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物联网在中国现代农业中的应用
作者：朱会霞，王福林，索瑞霞
来源：RFID世界网
日期：2011-08-29 09:53:23
摘要：近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注，笔者介绍了物联网的概念、历史与发展现状，以及物联网在中国农业中的初期应用。分析了物联网研究中的关键技术，包括RFID技术、传感器网络以及智能技术等。将物联网技术应用到农业生产和科研中是现代农业依托新型信息化应用的一大进步，可以改变粗放的农业经营管理方式，提高动植物疫情疫病防控能力，确保农产品质量安全，从而引领现代农业的发展，是物联网与农业领域的一次结合，对现代农业具有一定参考意义。
引言
物联网一词最早出现于比尔·盖茨1995 年《未来之路》中，美国IBM 向奥巴马提出的“互联网＋物联网＝智慧地球”让人们真正接受了这个概念。温总理在视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时，指出：要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP 时代相关技术研发，特别是与中国自主知识产权的TD-SCDMA技术相融合。
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第3 次浪潮[3]。近年来，随着智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽，通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，足不出户就可以监测到农田信息，实现科学监测、科学种植，促进了现代农业发展方式的转变。笔者将物联网应用于农业，农业物联网技术的应用可以更好地控制农作物的生长环境，使之能够更好地适应作物的生长，提高农作物的产量和品质，有利于实现农作物的高产稳产，提高土地的产出率，提高农业抗御自然灾害的能力。农业物联网技术的推广应用，也是农业现代化水平的一个重要标志。农业物联网的快速发展，将会为中国农业发展与世界同步提供一个国际领先的全新的平台，也必将为传统产业改造升级起到巨大的推动作用。
1 物联网内涵及相关技术简介
1.1 内涵
物联网（The Internet of Things）的定义是通过射频识别（Radio Frequency Identificatio，RFID）装置、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，先进的云计算技术和超级计算机则可以对海量数据进行整理分析，帮助人们做出正确的行动决策，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的精髓是赋予网络新的含义，实现人与物之间的相融与互动，对人的规范性回复进行识别，做出方案性的选择。物联网的组成架构包括：
（1）末梢节点（采集控制层）：即利用各种传感器、RFID形成的物体与物体之间进行身份识别和数据交流；（2）接入层（数据传输层）：现在所有的网络形式，包括有线的、无线的以及无线网络形式中的无线局域网、2G、3G等。（3）承载网络；（4）应用控制层；（5）用户。其中由计算机网络和通信网络构成的承载网络为业务的基础网络，图1为物联网网络组成示意图。
国际电联报告提出物联网主要有4 个关键性的应用技术：标签事物的RFID，感知事物的传感网络技术（Sensor technologies），思考事物的智能技术，微缩事物的纳米技术（Nano technology-RFID）。
1.2.1 射频识别（RFID） RFID是一种非接触式的自动识别技术，具有数据储存量大、可读写、穿透力强、读写距离远、读取速率快、使用寿命长、环境适应性好等特点，是唯一可以实现多目标识别的自动识别技术，可工作于各种恶劣的环境。最基本的RFID 系统由电子标签、读写器和天线3 部分组成。RFID系统的工作原理是：电子标签根据电源的不同而分为有源电子标签和无源电子标签，当电子标签进入读写器的工作区域后，无源电子标签接收到读写器发出的电磁波，产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被读取器读取，解码后送至电脑主机进行有关处理；有源电子标签则依靠自带电池供电。图2 为RFID 的工作原理图。
1.2.2 传感网络技术物联网的重点，即研究的核心，是无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks），是由一组稠密布置、随机撒布的传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给观察者。近年来，在农业方面，尤其是在精准农业方面应用越来越多。精准农业是[21]利用3S（全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS））的差异从地块水平精确到平方厘米的一整套综合农业管理技术，可以实现农田操作的自动指挥和控制。在中国科学院、农业部等单位开展了面向全国范围的农情遥感监测系统的研究，利用3S和各种数学模型进行农情监测，已经取得了较明显的效果。该系统中的数学模型主要有粮棉作物识别模型、农作物长势分级模型、农作物估产模型、农业灾害监测与灾情损失评估模型等。作物长势遥感监测模型主要利用红光波段和近红外波段遥感数据得到的植被指数（NDVI）与作物的叶面积指数和生物量正相关原理进行长势监测。作物长势模型主要有3种，即逐年比较模型、距平等级模型和极值等级模型。
2 物联网在农业信息化的初期应用
物联网在农业和农村信息化领域中得到广泛应用，如：精准农业、智能化专家管理系统、远程监测和遥感系统、生物信息和诊断系统、食品安全追溯系统等。在精准农业方面，中国已取得较高水平的成果，并进入实践阶段。
2.1 中国的精准农业
目前，数字农业重大专项已在中国新疆、黑龙江、吉林、北京、上海、河北、江苏等地建立起26 个设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业继承技术综合应用示范基地。中国研制的具有自主知识产权的谷物联合收割机智能测产系统在2000 年11月画出了中国第1 张“精准农业”产量图，2005 年引进美国CASE 公司精准农业机械设备，建立了黑龙江八五二农场和宝泉岭农场精准农业试验示范基地，2006年底，黑龙江垦区已装备成大约160 个现代农机装备区，使精准农业技术在垦区有了新的发展和推广应用。在国家精准农业研究示范基地也进行了一系列农业定量遥感试验。示范区内大田作物产量提高15%~20%，经济效益提高10%，设施农业成本降低10%，生产率提高20%，养殖业提高经济效益18%。同等产量下，采用先进的农业技术进行生产，总成本降低了15%~20%，化肥、农药和灌溉用水量减少了20%~30%。
2.2 全国首批“电子猪”上市
2009 年9 月30 日金卡猪的上市[2]，使成都市民有幸成为全国第1 批吃到通过RFID 电子标签对猪的养殖、宰杀全过程实施溯源的“电子猪肉”的市民。RFID技术应用于畜牧业食品生产的全过程，包括饲养、防疫灭菌、产品加工、食品流通等各个环节，全面引入标准化的技术规程和质量监管措施，建立“从农场到餐桌”的食品供应链跟踪与可追溯体系，从而达到科学的全程化饲养监控、安全化生产监控、市场化可追溯的高质量、高水平、高效益的目标。
2.3 食品安全溯源系统建设
国家农业信息化工程技术研究中心在北京市小汤山的试点应用食品安全溯源系统的项目。条码生成与打印以国际通用的EAN/UCC 系统为编码基础，用户只需填入相关产品、地块等信息，即可自动生成条码并按标准化条码格式打印出来，系统支持不同打印机和不同的码制。例如：2006 年中国水产业推出了鱼类产品智能防伪卡——千岛湖“淳牌”有机鱼身份证，实现了从水体到餐桌的全程质量跟踪管理；2009 年10月，江苏大闸蟹成功利用RFID 二维码溯源系统追踪其品质。
3 农业物联网发展展望
物联网技术在无锡掀起了研究的热潮，2020 年之前中国已经规划了3.86 万亿元的资金用于物联网研发。物联网研究和开发既是机遇，更是挑战。如果能够面对挑战，从深层次解决物联网中的关键理论问题和技术难点，并且能够将物联网研究和开发的成果应用于实际，就可以在物联网研究和开发中获得发展的机遇。目前，关于农业物联网应用的发展项目有很多：土壤养分和墒情监测，为作物选择和耕种方式提供指导；粮情信息监测，为监管部门科学决策保护粮食安全提供有效数据；农业大棚温室监控和田间自动化管理，通过连续监测土壤湿度数据，实现多点同时滴灌补水；农民可以通过3G手机接入信息数据库中，根据专家们开好的科学种田“处方”，用计算机对灌溉、施肥、温度和湿度等进行控制和管理；如果某些人群对作物品质有特殊要求，可以通过控制作物施肥达到这种要求，点着鼠标配化肥。当然，农业物联网发展也面临着诸多问题。
（1）智能感知器的成本问题。目前，农业环境和动植物群（个）体信息采集和传输的感知设备成本相对还比较昂贵。如农产品供应链上的电子标签，生产100万个的成本约为14 美分/个。除此之外还有实施RFID所需的基础设施的成本，如阅读器的购置价格等。因为农产品的本身价值并不大，使用RFID 所增加的成本相比之下显得过高，目前只适用于一些高价值的农产品。
（2）农田无线传感器网络体系的功耗问题。由于农作物生产周期较长，传感器节点数量较多，如果经常更换电池将是一项耗资巨大的工作。如何有效节省电能、延长网络的生命周期，是面向大规模农田种植的无线传感器网络需解决的重要问题。
（3）物联网感知节点上数据高效传输问题。农业监测区域分布大量传感器节点（sensor node）和少数汇聚节点（sink node），传感器节点负责采集相关数据信息，最终将数据传送至汇聚节点。由于农业物联网具有感知数据量大、无线通信带宽低、时效性强的特征，网络节点在能量、计算、存储及通信能力方面存在局限性，数据高效传输与管理问题是提高节点协作感知、采集、处理、发布效率的有效途径。
在如何促进物联网发展方面，应围绕本地优势与特色产业，结合高校、科研院所和企业的现有的研究成果，选择关键领域集中力量，扶持有广阔应用前景的传感器开发重点突破，以点带面，全面发展。以农业物联网技术试验示范建设为重点，进而带动农业物联网技术的推广和应用，提高农业的产出率和土地利用率，提高农业抗御自然风险的能力。同时，跟踪国际农业物联网发展前沿和动态，提高农业现代化水平，提高农业生产的综合效益。
4 结语
美国《商业周刊》认为物联网是全球未来四大技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要，也是未来农业发展水平的一个重要标志，它将是未来农业发展的方向。它必将提高全球农业产品的数量和质量，提高农民的收入，增强食品安全，实现农业自动化、智能化，使人类从繁重的劳动中解脱出来，从而彻底解放生产者，形成以人为本的生产方式，提高全人类的生活质量。2009 年10 月24 日中国的第1 颗物联网的中国芯“唐芯一号”芯片研制成功，在一定程度上表明了中国已经攻克了物联网的部分核心技术。正是由于这些关键技术的蓬勃发展，才使得物联网应用于现代农业得以实现。中国有坚实的技术和知识基础，农业生产设备数学化、自动化和智能化程度也越来越高。尽管物联网在农业中的应用还面临着巨大的挑战，相信随着各种技术的不断发展，农业智能生产时代也会距离人们越来越近。
物联网一词最早出现于比尔·盖茨1995 年《未来之路》中，美国IBM 向奥巴马提出的“互联网＋物联网＝智慧地球”让人们真正接受了这个概念。温总理在视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时，指出：要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP 时代相关技术研发，特别是与中国自主知识产权的TD-SCDMA技术相融合。
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第3 次浪潮[3]。近年来，随着智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽，通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，足不出户就可以监测到农田信息，实现科学监测、科学种植，促进了现代农业发展方式的转变。笔者将物联网应用于农业，农业物联网技术的应用可以更好地控制农作物的生长环境，使之能够更好地适应作物的生长，提高农作物的产量和品质，有利于实现农作物的高产稳产，提高土地的产出率，提高农业抗御自然灾害的能力。农业物联网技术的推广应用，也是农业现代化水平的一个重要标志。农业物联网的快速发展，将会为中国农业发展与世界同步提供一个国际领先的全新的平台，也必将为传统产业改造升级起到巨大的推动作用。
1 物联网内涵及相关技术简介
1.1 内涵
物联网（The Internet of Things）的定义是通过射频识别（Radio Frequency Identificatio，RFID）装置、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，先进的云计算技术和超级计算机则可以对海量数据进行整理分析，帮助人们做出正确的行动决策，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的精髓是赋予网络新的含义，实现人与物之间的相融与互动，对人的规范性回复进行识别，做出方案性的选择。物联网的组成架构包括：
（1）末梢节点（采集控制层）：即利用各种传感器、RFID形成的物体与物体之间进行身份识别和数据交流；（2）接入层（数据传输层）：现在所有的网络形式，包括有线的、无线的以及无线网络形式中的无线局域网、2G、3G等。（3）承载网络；（4）应用控制层；（5）用户。其中由计算机网络和通信网络构成的承载网络为业务的基础网络，图1为物联网网络组成示意图。
国际电联报告提出物联网主要有4 个关键性的应用技术：标签事物的RFID，感知事物的传感网络技术（Sensor technologies），思考事物的智能技术，微缩事物的纳米技术（Nano technology-RFID）。
1.2.1 射频识别（RFID） RFID是一种非接触式的自动识别技术，具有数据储存量大、可读写、穿透力强、读写距离远、读取速率快、使用寿命长、环境适应性好等特点，是唯一可以实现多目标识别的自动识别技术，可工作于各种恶劣的环境。最基本的RFID 系统由电子标签、读写器和天线3 部分组成。RFID系统的工作原理是：电子标签根据电源的不同而分为有源电子标签和无源电子标签，当电子标签进入读写器的工作区域后，无源电子标签接收到读写器发出的电磁波，产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被读取器读取，解码后送至电脑主机进行有关处理；有源电子标签则依靠自带电池供电。图2 为RFID 的工作原理图。
1.2.2 传感网络技术物联网的重点，即研究的核心，是无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks），是由一组稠密布置、随机撒布的传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给观察者。近年来，在农业方面，尤其是在精准农业方面应用越来越多。精准农业是[21]利用3S（全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS））的差异从地块水平精确到平方厘米的一整套综合农业管理技术，可以实现农田操作的自动指挥和控制。在中国科学院、农业部等单位开展了面向全国范围的农情遥感监测系统的研究，利用3S和各种数学模型进行农情监测，已经取得了较明显的效果。该系统中的数学模型主要有粮棉作物识别模型、农作物长势分级模型、农作物估产模型、农业灾害监测与灾情损失评估模型等。作物长势遥感监测模型主要利用红光波段和近红外波段遥感数据得到的植被指数（NDVI）与作物的叶面积指数和生物量正相关原理进行长势监测。作物长势模型主要有3种，即逐年比较模型、距平等级模型和极值等级模型。
2 物联网在农业信息化的初期应用
物联网在农业和农村信息化领域中得到广泛应用，如：精准农业、智能化专家管理系统、远程监测和遥感系统、生物信息和诊断系统、食品安全追溯系统等。在精准农业方面，中国已取得较高水平的成果，并进入实践阶段。
2.1 中国的精准农业
目前，数字农业重大专项已在中国新疆、黑龙江、吉林、北京、上海、河北、江苏等地建立起26 个设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业继承技术综合应用示范基地。中国研制的具有自主知识产权的谷物联合收割机智能测产系统在2000 年11月画出了中国第1 张“精准农业”产量图，2005 年引进美国CASE 公司精准农业机械设备，建立了黑龙江八五二农场和宝泉岭农场精准农业试验示范基地，2006年底，黑龙江垦区已装备成大约160 个现代农机装备区，使精准农业技术在垦区有了新的发展和推广应用。在国家精准农业研究示范基地也进行了一系列农业定量遥感试验。示范区内大田作物产量提高15%~20%，经济效益提高10%，设施农业成本降低10%，生产率提高20%，养殖业提高经济效益18%。同等产量下，采用先进的农业技术进行生产，总成本降低了15%~20%，化肥、农药和灌溉用水量减少了20%~30%。
2.2 全国首批“电子猪”上市
2009 年9 月30 日金卡猪的上市[2]，使成都市民有幸成为全国第1 批吃到通过RFID 电子标签对猪的养殖、宰杀全过程实施溯源的“电子猪肉”的市民。RFID技术应用于畜牧业食品生产的全过程，包括饲养、防疫灭菌、产品加工、食品流通等各个环节，全面引入标准化的技术规程和质量监管措施，建立“从农场到餐桌”的食品供应链跟踪与可追溯体系，从而达到科学的全程化饲养监控、安全化生产监控、市场化可追溯的高质量、高水平、高效益的目标。
2.3 食品安全溯源系统建设
国家农业信息化工程技术研究中心在北京市小汤山的试点应用食品安全溯源系统的项目。条码生成与打印以国际通用的EAN/UCC 系统为编码基础，用户只需填入相关产品、地块等信息，即可自动生成条码并按标准化条码格式打印出来，系统支持不同打印机和不同的码制。例如：2006 年中国水产业推出了鱼类产品智能防伪卡——千岛湖“淳牌”有机鱼身份证，实现了从水体到餐桌的全程质量跟踪管理；2009 年10月，江苏大闸蟹成功利用RFID 二维码溯源系统追踪其品质。
3 农业物联网发展展望
物联网技术在无锡掀起了研究的热潮，2020 年之前中国已经规划了3.86 万亿元的资金用于物联网研发。物联网研究和开发既是机遇，更是挑战。如果能够面对挑战，从深层次解决物联网中的关键理论问题和技术难点，并且能够将物联网研究和开发的成果应用于实际，就可以在物联网研究和开发中获得发展的机遇。目前，关于农业物联网应用的发展项目有很多：土壤养分和墒情监测，为作物选择和耕种方式提供指导；粮情信息监测，为监管部门科学决策保护粮食安全提供有效数据；农业大棚温室监控和田间自动化管理，通过连续监测土壤湿度数据，实现多点同时滴灌补水；农民可以通过3G手机接入信息数据库中，根据专家们开好的科学种田“处方”，用计算机对灌溉、施肥、温度和湿度等进行控制和管理；如果某些人群对作物品质有特殊要求，可以通过控制作物施肥达到这种要求，点着鼠标配化肥。当然，农业物联网发展也面临着诸多问题。
（1）智能感知器的成本问题。目前，农业环境和动植物群（个）体信息采集和传输的感知设备成本相对还比较昂贵。如农产品供应链上的电子标签，生产100万个的成本约为14 美分/个。除此之外还有实施RFID所需的基础设施的成本，如阅读器的购置价格等。因为农产品的本身价值并不大，使用RFID 所增加的成本相比之下显得过高，目前只适用于一些高价值的农产品。
（2）农田无线传感器网络体系的功耗问题。由于农作物生产周期较长，传感器节点数量较多，如果经常更换电池将是一项耗资巨大的工作。如何有效节省电能、延长网络的生命周期，是面向大规模农田种植的无线传感器网络需解决的重要问题。
（3）物联网感知节点上数据高效传输问题。农业监测区域分布大量传感器节点（sensor node）和少数汇聚节点（sink node），传感器节点负责采集相关数据信息，最终将数据传送至汇聚节点。由于农业物联网具有感知数据量大、无线通信带宽低、时效性强的特征，网络节点在能量、计算、存储及通信能力方面存在局限性，数据高效传输与管理问题是提高节点协作感知、采集、处理、发布效率的有效途径。
在如何促进物联网发展方面，应围绕本地优势与特色产业，结合高校、科研院所和企业的现有的研究成果，选择关键领域集中力量，扶持有广阔应用前景的传感器开发重点突破，以点带面，全面发展。以农业物联网技术试验示范建设为重点，进而带动农业物联网技术的推广和应用，提高农业的产出率和土地利用率，提高农业抗御自然风险的能力。同时，跟踪国际农业物联网发展前沿和动态，提高农业现代化水平，提高农业生产的综合效益。
4 结语
美国《商业周刊》认为物联网是全球未来四大技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要，也是未来农业发展水平的一个重要标志，它将是未来农业发展的方向。它必将提高全球农业产品的数量和质量，提高农民的收入，增强食品安全，实现农业自动化、智能化，使人类从繁重的劳动中解脱出来，从而彻底解放生产者，形成以人为本的生产方式，提高全人类的生活质量。2009 年10 月24 日中国的第1 颗物联网的中国芯“唐芯一号”芯片研制成功，在一定程度上表明了中国已经攻克了物联网的部分核心技术。正是由于这些关键技术的蓬勃发展，才使得物联网应用于现代农业得以实现。中国有坚实的技术和知识基础，农业生产设备数学化、自动化和智能化程度也越来越高。尽管物联网在农业中的应用还面临着巨大的挑战，相信随着各种技术的不断发展，农业智能生产时代也会距离人们越来越近。
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