物联网技术在设施农业中的应用

阎世江，张京社，柴文臣

（山西省农业科学院蔬菜研究所，太原，030031）

物联网技术在设施农业中的应用

阎世江，张京社，柴文臣

（山西省农业科学院蔬菜研究所，太原，030031）

从物联网的概念、国内外物联网技术应用的现状等方面论述了物联网技术在我国设施农业中的应用情况，分析其中的不足，并提出解决的方法，展望了未来设施农业物联网技术的发展前景。

物联网技术；设施农业；应用

近年来，随着农业物联网技术的不断发展，其应用已经涉及农、林、牧、副、渔及农产品加工、运输与流通等多个领域。其中以设施农业的发展最为迅速，这是因为设施农业是在人为可控环境下进行的农业生产，更有利于物联网技术发挥其精准高效的特性，因此设施农业物联网技术的推广应用成效最为显著，前景十分广阔。笔者从事设施农业生产多年，致力于研究物联网技术在设施农业中的应用，通过查阅资料、走访调查，从多个角度阐述物联网技术在设施农业中的发展、应用情况，以期为我国农业的发展贡献自己的绵薄之力。

1　物联网的概念

物联网（Internet of things）一词是美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授在20世纪90年代研究无线射频技术时提出来的，通俗的讲，其是指在“互联网概念”基础上，物与物之间进行信息交换和通讯的一种网络概念。其中射频识别（RFID）是能让物品“说话”的一种技术，通过无线数据通信网络把物品信息集中到处理系统实现分析和处理，并且能通过开放性的计算机网络实现信息的交换和共享。2005年国际电信联盟（ITU）发布的《ITU互联网报告物联网》中，物联网的定义和范围进一步扩大，是指由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协议把任何物品互相连接，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［1］。

所谓农业物联网是指物联网技术在农业中的应用，具体有农作物生产、农产品经营、设施管理和信息服务等，它利用各类传感设备，采集相关信息，通过无线网络、移动通信无线网和互联网传输，在智能化操作终端显示，实现了农业产前、产中、产后的全过程监控，以利于我们科学决策［2］。

2　物联网技术在国外设施农业中的应用现状

物联网技术诞生在国外，因此国外设施农业物联网发展较快，20世纪90年代后期就有较多报道，如英国研发的禁止外来人员非法进入设施的警报系统和温室内温度调节系统、远程灌溉系统等；日本研究名为“Open Plannet，OP”的监控系统，实现了温室环境和视频的实时动态监控［3］；荷兰研究的花卉植物生长控制系统；美国加州研发的草莓培育物联网系统，能够实时监测草莓生长情况及土壤、环境空气的温湿度变化，自动控制施肥与浇水。

在体会到物联网技术的优势后，一些发达国家大面积推广这一技术，除对农作物的生长环境进行监测外，还对使用农业机械、后续的加工、物流进行监控，使物联网技术的应用更加完善［4］。应用成熟的有英国的农业管理与决策系统、美国的作物决策系统等［2］。其中，尤其值得我们学习的是这些国家将农业知识与应用系统有效结合，采集大量第一线数据，为育种、土壤水肥管理、病虫害防治、农产品采收加工、物流等全过程提供信息化的服务。

3　我国物联网的研究

我国物联网的研究晚于国外发达国家。2011年，国家农业部发布了《全国农业农村信息化发展“十二五”规划》，标志着国家级物联网应用示范工程立项并开始启动，2013年，上海、天津、安徽成为我国农业物联网区域试点［5］，标志着我国农业物联网发展驶入快车道。

3.1我国物联网技术发展情况

据统计，全国已有8个省（区、市）承担了国家级物联网应用示范工程和农业物联网区域工程，通过实施取得了阶段性成果，也带动了周边地区农业物联网的发展。其中有代表性的如北京市开展了农业物联网在农业用水管理、环境调控、设施农业等方面的应用示范［6］；江苏省开发了基于物联网的智能农业管理平台，侧重对设施农业、猪的养殖环境监控，实现了自动化，并开始推广［7］；天津市建设了总面积逾 667 hm2的核心试验基地，开展了约1 000栋节能温室的示范应用，建成了农业物联网平台，研究了设施环境信息监督、智能化控制与管理等物联网技术。此外，国内许多企业也参与到农业物联网的研发中，如北京紫藤连线科技有限公司、大唐移动通信设备有限公司等在开发硬件的同时，还提出了整体解决方案，以适应客户的生产需要［8］。上述系统的基本结构类似，如图1所示，即在温室中安装传感器，通过无线网络与手机网络、互联网相连，使用户可以通过手机或电脑访问该网络，实时监控温室的情况，如温度、湿度、作物生长等，也可以与专家在线交流。

3.2物联网技术在设施农业中的应用

物联网技术是以传感器为基础，设施农业物联网常用传感器包括光照传感器、湿度传感器、压敏（流体）传感器以及生物生长特性传感器等。另外，CMOS图像传感器（摄像头）也可用于监控作物的生长。在设施内安装探测温度、湿度、光照、CO2浓度等的无线传感器、摄像头，将若干传感器与控制器链接，可实时查看温室内的温度、湿度、光照、CO2浓度等信息。

传感器采集数据后，通过数据采集传输技术、电子标签技术、云计算等，将数据反馈给控制系统和执行系统，由计算机控制温室的施肥、灌溉、门窗开闭、温度升降等。园区管理者可以通过手机或电脑了解温室的情况，并远程控制调节温度、湿度、光照、CO2浓度的设备，提高工作效率［9］。

采用传统种植方式，温室内用工多、工作繁重。而现在，工作人员通过物联网收集数据，可实时监控温室作物的生长参数，了解作物不同生长阶段应采取的栽培措施，及如何提高产品的营养品质、风味品质和外观品质、降低农药残留量等，实现栽培技术的精确控制。如遇到解决不了的问题，用户可以登录农业物联网信息平台，将相关农业生产现场参数上传到云计算中心，中心经过选择后，筛选出对应的专家进行指导，并将相关信息发送到用户的手机上，用户就可以与专家进行远程交流了。

4　设施农业物联网面临的问题及应对举措

从总体上看，设施农业物联网是一项复杂的系统工程，目前主要在设施农业示范园区中应用，距离大规模应用还有很长的路要走。笔者经过分析发现我国设施农业物联网存在以下3个方面的问题。

4.1专用传感器的缺乏

眉痕似敛秋娘怨，梦里唧愁应远。掩抑惜春心，又黄昏庭院，轻声情款款。强笑语玉柔花婉，河枊歌残，离筵酒尽，长街月满。

如前所述，传感器是物联网技术的基础，但国内生产的农用传感器质量参差不齐，性能差、监测数据不准确且没有合适的标准，因此，传感器只得依赖进口。正如农业部信息中心主任李昌健所说：“我国农用传感器种类不到世界的10%，市场上主要为进口设备，应在覆盖面、适用性上下功夫［4］。”

我国相关企业、科研单位应加大传感器的研发力度，研制具有我国自主产权的农业传感器。

4.2资金的缺乏

设施农业物联网要求有配套的基础设施，而这一建设需要的资金较多，维护更新的资金也较多，投资回报周期长。目前，我国的设施生产多以小农户为主，对于一家一户的经营来讲，物联网设施所需资金偏高［5］，大面积推广仍有一定的难度，只有等经营达到一定的规模才有可能应用。

针对建设资金缺乏的情况，建议以政府投入为主，采取政府补贴的形式，据报道，有关部门正在准备建立农业信息补贴制度，以加快农业物联网的推广［5］；同时应积极引入社会资金，使投资多元化。

4.3软件产品研发的缺乏

建议科研人员借鉴国外的经验，认真分析，结合我国农业物联网发展情况，开发相应的软件，对搜集的数据进行充分加工利用。

5　未来研究的方向

未来设施农业物联网的研究可以从以下5个方面入手。

5.1打造一批农业物联网关键技术和设备

着力研制运行稳定、寿命长的传感器，开展农业物联网技术系统的自主研发，加强动植物生长过程的数字化监测。

5.2注重数据的分析

通过分析各类型数据发现农作物生长规律，建立设施作物生长管理模式、病虫害防治模式等［10，11］。

5.3研究和制定一批农业物联网行业标准

联合各单位，研究和编制农业领域专用条形码（一维码、二维码）、电子标签等的使用规范。

5.4形成可推广的技术模式

针对设施农业、农产品质量安全、农产品电子商务等的监测监控，开发相应的全过程管理系统，构建全程技术服务体系。

5.5培育农业物联网产业

按照引进、消化、吸收、再创新的模式，积极推进农业物联网设备制造、软件开发及相关服务，培育产业化研究基地、中试基地和生产基地，积极推广这一技术，促进其发展。

［1］姚世凤，冯春贵，贺圆圆，等.物联网在农业领域的应用［J］.农机化研究，2011（7）：190-192.

［2］余欣荣.物联网改变农业、农民、农村的新力量农业物联网知识读本［M］.合肥：安徽科学技术出版社，2012：63-64.

［3］张唯，刘婧.设施农业种植下物联网技术的应用及发展趋势［J］.科技广场，2012（1）：238-241.

［4］唐珂.国外农业物联网技术发展及对我国的启示［J］.中国科学院院刊，2013，28（6）：700-707.

［5］乔金亮.物联网如何和农业更好结合［N］.经济日报，2013-11-5（13）.

［6］许世卫.我国农业物联网发展现状及对策［J］.中国科学院院刊，2013，28（6）：686-692.

［7］刘家玉，周林杰，荀广连，等.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例［J］.江苏农业科学，2013，41（5）：377-380.

［8］李作伟.物联网技术在设施农业中应用的调查研究［D］.郑州：河南科技大学，2012.

［9］李作伟，丁捷，毛鹏军.设施农业物联网关键技术及工程化应用探讨［J］.农业工程，2012（2）：35-38.

［10］臧贺藏，王来刚，李国强，等.物联网技术在我国粮食作物生产过程中的应用进展［J］.河南农业科学，2013（5）：20-23.

［11］马兴，王巍，韩洁，等.以物联网技术加快实现农业现代化［J］.山西农业科学，2011（4）：376-378.

Application of Internet of Things Technology on Facility Agriculture

YAN Shijiang， ZHANG Jingshe， CHAI Wenchen
（ Vegetable Research Institute， Shanxi Academy of Agricultural Science， Taiyuan 030031 ）

This paper discussed the application on facility agriculture of internet of things technology from the concept and the applications present situation of Internet of things technology at home and abroad， analyzed shortcomings of this technology， came up with new solutions， also looking forward to the development prospects of IOT technology on future facility agriculture.

Internet of things technology； Facility agriculture； Application

10.3865/j.issn.1001-3547.2016.20.017

S126

A

1001-3547（2016）20-0041-03

2014年山西省农业综合开发科技推广项目；山西省科技攻关项目（20140313021-4）

阎世江（1975-），男，博士，从事蔬菜遗传育种研究，

电话：13734006794，E-mail：syauyan@163.com

2016-08-02