农业物联网在新疆棉花产业中的应用与发展—以农八师一五〇团为例

张振国，吕全贵，张学军，郭俊先，许红军，杜　骏

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐　830052；2.新疆农业大学林学与园艺学院）

农业物联网在新疆棉花产业中的应用与发展—以农八师一五〇团为例

张振国1，吕全贵1，张学军1，郭俊先1，许红军2，杜骏1

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学林学与园艺学院）

摘要：为解决新疆农业物联网综合利用程度不高的问题，文中介绍了目前农业物联网中关键技术研究进展，同时以新疆农八师一五O团为例，对其棉花产业对农业物联网的应用进行了分析，并针对农业物联网在新疆的应用过程出现的问题进行了分析，提出了相应的解决策略。最后对一五O团的棉花产业的发展进行了总结。

关键词：农业物联网；棉花产业；应用

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。农业物联网是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集农业信息，帮助农民及时发现田间地块存在的各种问题，并且精确确定发生问题的具体位置，将以人为中心、依赖于农业机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备[1-2]。近年来，随着智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入系统等农业物联网技术在农业中的应用也在慢慢地拓展。通过无线传感器网络可以大幅度地降低人力消耗，获取精确的农作物环境和作物的全信息，从而借助各种自动的生产设备，科学地监测农田的全信息，实现科学监测和种植[3-5]。农业物联网技术可以精确地控制农作物的长势，使其能够更好地适宜农作物的生长，提高农作物的品质，有利于实现农作物的高产，大幅度地提高农作物抗御灾害的能力[6]。

新疆生产建设兵团农八师的一五○团优越的地理位置，良好的气候和水土资源为农业的发展提供了基础前提。一五○团交通方便，有利于农业经济信息的收集、反馈以及农业物资的运输。虽然近几年的农业生产集约化水平，机械化，规模化程度不断提高，但现场管理和操作（如播种，灌溉，施肥，喷药等）的不当造成了资源的浪费，影响了区域生态环境和农产品质量[2-4]。为了实现高产量、高质量和农业的可持续发展，必须大力发展农业物联网技术，运用科学的方法、标准化的管理体系和充分利用信息和智能化管理技术，建立农产品生产、加工、流通的体系。

新疆兵团在棉花的精确种植中利用自主开发的农业技术软件产品与引进的硬件平台组装成配套的技术体系，应用在棉花精量播种、节水滴灌、变量施肥、病虫害预报与防治、长势监测等决策中，形成适合新疆的棉花生产管理智能化的决策系统，同时与变量作业机具组装配套进行推广示范，市场前景非常广阔[7]。

1　农业物联网关键技术研究进展

农业物联网把感应器嵌入农业机械、土地和灌溉系统等各种体系中，然后将“物”与互联网整合起来，通过智能分析，进行实时的管理和控制[8-11]。农业物联网在现代农业中的应用体现在一下3个方面：

（1）应用无线传感器网络进行精准农业控制系统的建立。用无线传感器网络检测农作物的全信息，监测农作物生长的全过程，并对土壤的温度湿度、风速、作物生长情况等数据信息处理，为农业专家及农民进行决策并制定农田变量作业处方提供数据源和参数，也可自动触发相关行为，如智能灌溉或自动调节温度，保证作物良好的生长环境。

（2）应用RFID技术建立现代农作物供应链跟踪与可追溯体系。将RFID技术用于农作物的个体进行标识，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农作物管理信息系统以跟踪产品的生产、加工、批发以及零售等各个环节，实现农作物数据的有效追溯和数据及业务的共享。

（3）农用传感器还可以应用于移动信息装备制造产业、农业资源管理、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，实现农业生产自动化、智能化。

2　农业物联网在农八师一五○团棉花产业领域的应用

农八师一五○团棉花种植面积1.1万hm2，其优越的地理位置，良好的气候和水土资源为农业的发展提供了基础前提，其实现的物联网的技术体系结构分为感知层、网络层和应用层三个层次。

2.1感知层的应用分析

感知层用于采集包括各类物理量、身份标识、位置信息、音视频数据等物理世界中发生的数据。物联网的感知层采集涉及传感器、RFID（射频识别）、全信息采集和实时定位等数据[8-11]。目前，我国拥有自主知识产权的有线和无线传感器有温室内部视频信息监测传感器、作物生理生态监测传感器、温室外部气象数据监测传感器和温室内部环境监测传感器。另外，还有农产品物流配送监控和营养液成分感知等设备。

在培育棉苗的智能温室里农业物联网的感知层根据棉花全过程对感知设备提出不同的要求，按棉花萌发氧气、水分、光照、温度等四大要素部署，其稳定性、准确度、精度等性能均能满足棉花农业生产的具体要求。无线和有线传感器能实时测出温室内部的温度，实时采集温室的光照强度、温湿度、营养液等参数。根据光度、温度数据，可以进行拉起遮阳网等远程环境调整；根据氧气数据，可以实时掌握温室内氧气的浓度，避免氮气、氯气过高影响棉苗正常生长；通过湿度数据，可以调节室内湿度；根据不同的育苗环境，可以调节合适的营养液浓度[12]。

农八师一五○团与石河子大学在农业信息技术及科技服务方面紧密合作，共同推动农场现代农业经济蓬勃发展。双方在作物灌溉远程控制、农田信息监测、作物综合管理等软硬件开发与推广有深入合作。在这其中就大量应用了农业物联网感知层的知识。主要运用的技术有自动化滴管系统、科学施肥、良种良法、地膜覆盖栽培、节水农业、综合植保、人工影响天气、培肥地力、精准施肥技术、精准种子工程、精准播种技术、精准灌溉技术、精准收获技术和田间作物动态检测技术，使农作物单产大幅提高。

图1　农八师一五〇团近六年棉花单产量

（1）农田地理信息。通过采样和数据之间的农业生产资料，可以了解合适的作物品种以及一些管理措施和作物栽培过程（如施肥，灌溉等）需求。包括作物品种、作物营养与施肥、作物灌溉、化学调控、管理水平、棉花产量、投入产出水平等数据。

图2　农田气象采集器

（2）农田气象信息。收集近30年的气象资料，包括经度和纬度、海拔、日照强度、日平均气温、最高、最低温度、有效积温、降水、春秋时期，初霜、晚霜、无霜期和地热数据，对棉花生长发育及产量进行分析。气象采集器用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射和土壤温湿度等气象要素进行全天候的现场监测，通过手机与气象中心计算机进行通讯，将农田气象的实时数据传输到气象中心的数据库中，用于对农田的气象数据进行统计分析，如图2所示。

（3）农作物长势信息。农作物长势信息是实施精准农业所需的重要信息。结合田间信息，利用遥感和遥测技术，在棉花生长的一些关键期对农作物的长势全过程进行系统的监测[13]。通过这些信息可以决定是否有必要加强如施肥、灌溉、病虫害控制等措施。农田移动视频监控探头主要用于对棉花的苗生长状况进行实时监控，使技术人员能够实时的了解棉花棉苗的生长情况，这套系统将卫星遥感技术与地面传感、无线通信技术有效结合，实现了实时、动态、连续监测，如图3所示。

图3　农田移动视频监控探头

虫情测报灯主要用于实时监测棉花生长期间的病虫害情况，使工作人员能够更加有效地做好植保工作。该灯利用光电技术实现自动诱虫、杀虫、分装等功能。同时，可配备风速风向、环境温度湿度、光照等多种传感器接口，在需要时监测环境参数，并可通过GPRS（通用无线分组业务）上传数据。以监测环境与病虫害之间的关系。

图4　虫情测报灯

（4）GPS（全球定位系统）定位信息。GPS定位信息的使用是精准农业区别于传统农业的一个重要特征。GPS系统在精确农业实施过程中异常重要。首先将农田信息采集点进行精确的定位，进行基本格网划分，然后输入GIS（地理信息系统）进行动态GPS定位；同时依据农业信息采集和专家系统提供的农机作业路线及变更作业方式的空间位置，使农机自动完成对农作物生长全过程的控制，如图5所示。

图5　GPS定位信息

2.2网络层的应用分析

网络层完成大范围的信息沟通，主要借助于已有的广域网通信系统，把感知层感知到的信息快速、可靠、安全地传送到全球各地，使设备能够进行远距离、大范围的通信。利用控制器、执行器与网络终端可以控制室内的设备，并利用它们维持室内适宜的环境，然后反向传播网络应用层的产量决策信息。

根据新疆农业生产规模化、现代化、集约化的特点，农八师引进农业专家系统开发平台(PAID 3.0)进行二次开发，形成了以棉花为主的基于Internet的开放分布式专家系统。开发出的农业专家系统具有界面友好、图文并茂；数据录入和结果输出可视化的特点，同时具有GIS的功能，使平台拥有图形显示、面积测算、缩放漫游、数据自动获取和各种查询的功能。截止到目前，兵团已开发关于棉花综合管理专家、生长模拟专家、病虫害诊断防治多媒体等系统和利用TM影像空间数据与地理信息迭加建立的团场地理信息系统。

图6　数据监控系统

兵团通过长期积累建立了示范区产量数据库、气候资料数据库、土壤肥力数据库、棉花不同生长期的光谱数据库，积极地开展棉田膜下自动控制滴灌系统的应用研究[14]。其中一五〇团棉花智能监控系统，感知层的各个传感器搜集的有关棉花长势情况的数据会传输至此系统，进行整理并通过网络传输给专家分析，如图6所示。

2.3应用层的分析应用

应用层具有完成农作物区信息的汇总、协同、共享、互通、分析和决策的功能。应用层最终完成农作物与人的交互，前两层将农作物的全信息收集起来，集中到应用层进行统一的分析、决策，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息的协同、共享、互通，从而大幅度地提高农业信息的利用程度，更好地为农民及加工企业服务。

此层主要是用于对收集的数据进行分析和总结，并反馈控制下一步。总结年度棉花标准化生产技术方案，提供专业、系统的应用服务，形成智能化的解决方案。农八师利用引进农业专家系统开发平台（PAID 3.0），可以对棉花的整个生长过程进行实时监控，对出现的问题进行及时的分析，并且做出决策进行调整。首先通过传感器搜集田地里的信息，包括土壤的温度、湿度、酸碱度，还有空气的含氧量、含水量，以及棉花的长势情况等，然后将这些信息搜集到监控站，农户将这些信息整合以后通过GPS或者WiFi（无线网络）传输至农业专家系统。相关的农业专家通过对这些信息的分析并且与以往的数据进行对比，能够及时的做出正确合理的决策，并将这一决策及时的反馈给农户，使农户能够进行及时的调整。

新疆生产建设兵团正在打破条件限制，把农八师一五○团打造成一个智能化节水灌溉科技园。通过与新疆移动的合作，运用物联网与自动化喷滴灌控制相结合，实现了全场智能化精准灌溉。物联网技术利用手机短信控制阀门，还可以利用回传数据记录、查询、打印灌溉区域的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌溉历史，大大提高了管理效率，大幅节约了人力成本。

由于新疆气候炎热、干旱缺水，因此节水滴灌技术的广泛运用正在全面推进新疆的现代农业的发展。通过中国移动信号，农户可以通过手机控制田地的灌溉水阀。该技术通过手机短信控制田间的自动化滴灌控制阀门，对整个地块进行灌溉，阀门不仅仅会执行指令，还会通过中国移动的网络回传其状态，整个灌溉地块的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史等诸多信息都能够通过回传数据随时记录查询。短信的成本约为每年0.7元/667m2。由于各个田垅均减少了田间作业，人工管理费比普通滴灌节约81元/667m2。棉田自动化灌溉系统实现了滴水、施肥电脑自动控制，避免了人工控制带来的浪费和失误现象，达到精确滴水、施肥，每667 m2省水肥10%以上，棉花产量提高10%以上，而且节省了人力消耗，降低了劳动强度。

图7　棉花膜下滴灌自动控制系统

3　农业物联网在应用中存在的问题及解决对策

在新疆，农业物联网的发展有一定的技术基础，但是与国外相比还处于研究阶段。农业物联网对于农户来说是一个新的概念，这导致农业物联网在新疆棉花产业的推广比较困难，农业物联网应用于新疆棉花产业的比例还远远不够。虽然新疆近年来农业生产水平以及集约化、机械化、规模化程度不断提高，但是田间管理与作业的粗放和盲目性还普遍存在，造成了资源浪费，影响了区域生态环境和农产品质量[15-19]。

3.1存在的问题

（1）农民的自身素质和人才流失的限制。由于农民普遍素质低，不会使用电脑，因此无法操控物联网，而且随着经济社会快速发展，越来越多的人才开始从事第二、第三产业，从事农业生产的人才越来越少，限制了新疆农业物联网的快速发展[20-22]。

（2）关键技术不成熟。虽然近些年新疆的农业物联网发展比较快，但是还是存在关键的传感器的准确性、可靠性、稳定性不够、成本比较高的问题。同时，技术人员对农业物联网的理解不透彻，因此使用的材料、制造工艺不过关，建立的信息具有局限性和缺陷性，导致农民对农业物联网的认可度不高，使用的积极性不够，限制了农业物联网的快速发展。

（3）农业物联网建设成本高，制造商参与度低。由于农业物联网在棉花种植的应用中需要建设大量的基础设施，而建设这些设施需要大量的资金投入，并且由于这些设备主要工作于田间，易受到空气的腐蚀和雨水的浸泡，很容易损坏，需要频繁地更换，这也需要大量的资金投入。同时，没有大型传感器生产制造企业、农业软件提供商、农业物联网方案运营商、农业装备提供商的参与，使得农民难以支撑高昂的使用和维护费用[23]。

（4）农产品物流网络还不健全，缺乏商业化运营模式。新疆的农产品虽然具有较好的品质和很强的竞争力，但由于补贴政策、产业政策、投资政策等缺失、信息网络建设滞后、物流网和加工储藏技术的落后，无法形成健全的物流网络和农产品的溯源机制，无法形成优势的品牌，致使新疆的优质农产品很难进入国内外的高端市场，无法将产品品质优势转化为品牌优势和价值优势，农产品附加值不高，农民的收入受到很大影响，积极性不高[24]。而且新疆的优势农作物的经营缺乏商业化运营模式，政府很难平衡科研院所、企业和农民的各方面的利益分配，导致很难建立有效的商业模式。

（5）农业标准化体系缺失。农业标准化在提高农产品质量安全水平、推进农产品质量认证、实施农产品市场出口、保障人民消费安全和调控农产品国际贸易等方面发挥着重要的作用。但是新疆缺乏农业物联网的数据标准、接口标准、应用标准、测试标准、维护标准等标准体系，无法有效地约束农产品的各个生产环节，造成农产品各生产环节脱节，无法形成有效地农业标准化体系。因此，要加快推进新疆农业结构的调整，实施优势产业名牌战略，建立健全农业标准化体系，加快新疆农业标准化发展的步伐。

3.2解决对策

虽然新疆农业有了快速长足的发展现，已处于我国领先水平，但随着新疆农业生产效率的不断提高，在传统的生产模式下，农业未来发展的空间越来越小，发展变得越来越难，进入了一个发展的瓶颈期，就需要创新思维，改革传统的生产模式，建立新的生产模式。

（1）大力引进技术人才。农业物联网作为未来农业发展的主流模式，技术投入巨大，必须由大量各行业技术人才去完成。长期以来，新疆信息产业发展较为落后，信息技术人才缺乏，不利于新疆农业物联网技术的研发、推广和实践，为此，需要政府、科研院所和大型企业在引进技术人才方面加大投入力度，建立起支撑物联网研发和推广的技术人才团队，从而突破新疆农业物联网核心技术和重大关键技术。

（2）建立政府主导的商业模式。政府要加大投入，大力开展农业物联网示范工程，积极制定农业物联网补贴政策，加快制定农业物联网发展的产业政策。对新疆来说，特殊的体制决定了政府在推广技术方面具有很强的组织动员能力，所以更加适合农业主管部门推动型的模式。由政府出面组织动员全疆农民参与其中，前期的投入就必须由政府出资解决。技术的研发前期可以通过财政支持有研发实力的企业进行物联网关键和核心技术的研发，降低企业研发的投资风险，不仅实现了农业技术的革新，而且带动了相关企业的发展。基础互联网的建设可以和通讯企业合作投入。等运营以后通讯企业可以收取相应的通讯费用，回收企业前期的投入[25]。

（3）加快农业物联网标准体系建设。健全的物联网体系可以更好地实现农业产业化，实现财政增收。建立新疆优势产业从种植到收获，到最后深加工、销售的农业物联网，对推动新疆农业产业发展，增加农产品附加值，实现农民增收大有裨益。

4　结论

农业物联网技术的推广应用是一个涉及面广泛的复杂的系统工程。农业物联网采集的信息广泛，需要气象、环境、检验等部门和政府、企业、农户等进行大量信息的传递、共享和分析。如何保证农业物联网在不同的环节都可以建立信息采集点，有效整合多部门的信息及功能是农业物联网需要解决的关键问题之一。

随着科技的进步，制约农业物联网发展的难题将会被逐一解决。未来物联网在农业上的应用会朝着微小型、可靠型、节能型、环境适应型、低成本和智能化方向发展。农业物联网的发展必将为现代农业带来一次全新的革命，更加有效的推动现代农业的发展，实现农业自动化、智能化和集约化。

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The Agriculture Internet of Things Application in Cotton Industry in Xinjiang

ZHANG Zhen- guo1, LVQuan- gui1，ZHANG Xue- jun1, GUO Jun- xian1, XU Hong- jun2, DU Jun1
(1.MechanicalandTrafficCollege,XinjiangAgriculturalUniversity,XinjiangUrumqi830052;2.CollegeofForestryandHorticulture,Xinjiang AgriculturalUniversity）

Abstract:In order to solve the problem of Xinjiang agricultural internet of thingsutilization degree isnot high, the progress of research on Key Techniquesof agricultural network are introduced in thispaper, taking 150th Regiment of Nongbashi as an example, application of the whole processto the cotton industry to agriculture Internet of thingsare analyzed. Then, appear in the application process of the problem of Xinjiang agriculture internet of things analysis, proposed the Xinjiang A-griculture Internet of things solutions. The development of cotton industry in the last 150th Regiment were summarized, have important sense to the development ofthe agriculture of Xinjiang ofthe Internet ofthings.

Keywords:Agriculture Internet of Things; Cotton Industry; Application

通讯作者：吕全贵

基金项目：新疆维吾尔自治区科技支撑计划(201431118)

收稿日期：2015-01-07

中图分类号：TP393.1/.4

文献标识码：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.01.012

文章编号：1007-7782（2015）01-0028-06