物联网在农业中的应用及前景展望

王向东，陈学斌，张爱敏（河北省唐山农科院，河北唐山06300；华北理工大学，河北唐山063009）

物联网在农业中的应用及前景展望

王向东1，陈学斌2，张爱敏1
（1河北省唐山农科院，河北唐山063001；2华北理工大学，河北唐山063009）

摘要：近年来，随着计算机和3G等网络通讯技术的快速发展，物联网技术日益成熟并迅速应用到农业生产、科研等各个领域中。将物联网技术应用到农业领域，有效促进了传统农业向现代农业的转变。笔者回顾了物联网概念的形成过程，综述了物联网在设施农业、作物病虫害远程诊断、精准灌溉和农田环境监测等方面的研究进展以及4个方面的应用现状。分析了中国农业物联网发展亟需解决的几个主要问题，并针对性地给出了农业物联网未来发展的相应措施。最后对中国农业互联网的发展前景进行了展望，指出农业物联网是中国未来农业发展的方向。

关键词：物联网；农业；计算机

0　引言

20世纪90年代，随着计算机技术、信息感知技术、3G等网络传输技术的快速发展和高度融合，物联网(internet of things，IOT)技术诞生并迅速发展[1]，物联网技术被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业的第3次浪潮。物联网是“物物相连的互联网”，是通过射频识别(RFID)、全球定位系统(GPS)、无线传感器(WSN)等按约定协议把物品与互联网有机连接起来，进行信息识别、交换和通讯，以实现智能无缝化管理的一种网络[2-5]。物联网的概念最早是1991年由美国麻省理工学院(MIT)的Kevin Ash-ton教授提出的[6]。1995年比尔·盖茨在其《未来之路》中也提及“物联网(the internet of things)”一词，当时受限于软、硬件设备发展水平，并未引起足够重视[7]。2005年突尼斯世界峰会上，国际电信联盟(ITU)发布了《2005：物联网》的报告，正式提出了物联网的概念[8-10]，之后美国、欧盟等许多国家也都陆续提出了物联网计划[11-12]。2010年中国将“加快物联网的研发应用”首次写入了政府工作报告，随后，物联网正式被列为中国五大新兴战略产业之一，并作为国家“十二五”重点支持发展的方向。此后几年，物联网研究快速发展，在理论研究和实践应用上，都获得了很大的提升[12-13]。

1　物联网技术在农业中的应用

物联网技术自它诞生之日起，几乎与其他行业同步应用于农业领域[8]。在传统农业中，人们主要通过人工测量获得农田信息，这需要消耗大量人力，实时性差，生产效率低。在现代农业中，应用物联网技术可以实时、准确地掌握农作物的生长情况和生长环境信息，实现对农作物的智能化监控和管理。农业物联网技术可以加速对传统农业的改造，提高农业生产效率和农业资源利用效率，优化农业生产及管理水平，有效推动传统粗放型农业向现代智慧型农业的转变。物联网技术已逐渐应用到农业的多个领域。

1.1物联网技术在设施农业中的应用

设施农业是通过人工、工程技术等手段，改造作物生长的自然环境，实现农产品周年生产的一种技术体系。设施农业的主要特点是高投入高产出、劳动力密集、资金技术高度集约化[14]。设施农业环境封闭性强，生长条件容易调控，运用物联网技术可显著提高设施农业生产的精细化程度、实现环保、高效、节约的设施农业生产。阎晓军等[15]以设施蔬菜作为实施应用主体，以设施农业生产综合管理为切入点，采用生物、传感器、无线通信和自动化控制等技术，构建了符合北京市设施农业现状和发展需求的设施农业物联网应用模式。卢俞等[16]建立了基于物联网技术的设施农业服务平台，加强了对蔬菜大棚的精细化种植管理与无线传输，降低了种植管理的成本。杨春勇等[17]研制了一种可满足无人值守情况下的设施农业环境监测系统，能够对环境参数和作物生长形态进行多功能综合采集，实现了环境监测的局域采集与广域覆盖及数据在互联网上集中共享等功能。

1.2物联网在作物病虫害远程诊断中的应用

近年来，随着大气碳排放数量的增加，全球干旱、热冻害等极端气候呈现增多增强的趋势。这种高频率发生的极端气候导致作物病虫害发生数量、规模、种类、周期和时空顺序等都产生很大变化，使作物受灾程度逐年加重，受灾频率、受灾范围和面积逐年增加[18]。利用物联网技术，可实现对作物病虫害的实时监控和有效控制，进行准确预测预报。北京市基于物联网技术建立了一个专家服务平台，用于防控设施农业生产中的病虫害，该平台已经在北京市和河北省进行了初步测试，效果良好[19]。赵静等[20]采用物联网技术对农业中病虫害进行监测。刘宝静等[21]提出一种基于物联网视觉的农作物病斑自动识别系统设计方法，通过物联网技术，克服传统智能方法不能对区域进行计算机远程智能控制的缺陷。

1.3物联网在精准灌溉中的应用

农业是用水大户，水资源利用效率较低，单方水量粮食生产能力不足1 kg，不及发达国家的50%。物联网农田节水灌溉系统利用传感器感应土壤和作物的水分盈亏状况，通过无线网络控制设备终端按需供水，从而实现农业自动节水灌溉，最大限度地提高水分利用效率，促进节水农业的快速健康发展。基于物联网设计，赵小强等[22]研发了一套自适应灌溉系统，实现了灌溉、泄水、水质监测等智能化操作。施国英等[23]基于精准灌溉的需要，充分考虑土壤介电常数，研制了一种基于驻波原理的传感器，该传感器能够快速、准确测量土壤水分、工作稳定可靠，适合大多数土壤类型的测量。吴秋明等[24]采用物联网技术，研发了“棉花智能化微灌系统”，并将其应用于新疆库尔勒棉花智能化膜下滴灌示范区中。该系统显著提高了微灌水分亏缺诊断精度、智能化水平及灌溉水分利用效率，为示范区土壤墒情调查和决策提供了理论支持，并有效降低了应用和推广成本。陈勇等[25]基于物联网技术提出了一种农业灌溉监控系统，实现了不同深度土壤含水率的立体监测，具有快速展开、抗毁性强等特点，该系统不需要固定网络支持，大规模使用可有效降低通信成本。

1.4物联网在农田环境监测中的应用

随着各种智能传感器的研发，借助它们可准确测量农田环境，进而获得作物生长的最佳条件，用以指导农业生产，达到调节作物生长周期、增产提效、改善作物品质的目的。王景才等[26]通过田间埋设，比较了15种不同型号、不同工作原理土壤水分传感器的性能，结果表明稳定性上时域反射仪较好，而数据可靠性上频域反射仪更优。李雪刚等[27]研发了一种农田监控系统，基于物联网技术，利用3G等无线网络接入智能终端，通过智能终端实现即时远程监控，解决了农田网络接入问题，同时也较好地降低了流量负载。

2　中国农业物联网面临的主要问题及解决办法

农业物联网技术作为一种新兴事物，其应用总体还处于起步阶段，仍然存在如下几个问题：（1）发展模式不够清晰，尚未形成长效运行机制。（2）农业物联网尚未建立统一标准，缺乏数据模型、接口和核心技术RFID(radio frequency identification)的标准化，制约了共享平台的研发和农业资源的共享。（3）制造设备的核心技术欠缺，设备维护和数据传输长期运行费用等导致成本偏高。（4）盈利模式尚不清晰，相应的潜在投资风险较大。（5）农业规模化程度低，农业信息化基本建设缓慢，农村科普模式不完善，专业人才匮乏。（6）网络设备与传输等的安全问题。

针对上述存在的问题，未来物联网技术发展应主要从以下几个方面进行改进：（1）建立和完善国内物联网技术体系标准，尽快建立适合本国国情的物联网发展模式和运行机制。（2）深入开展物联网相关技术和产品的研发，打造拥有自主知识产权的产品和配套技术，加大对物联网关键技术的协同攻关，突破技术瓶颈。（3）加大对农业物联网基础设施建设的投资，降低维护使用成本，逐步提高农民使用物联网的积极性。（4）制订农业物联网产业化的可行性方案，深入探索其应用模式，加快农业物联网应用基地建设，扩大物联网技术在农业领域的应用规模和范围。尽快建立政府引导、市场化手段相结合的互利互惠机制。（5）加强对从业者的知识培训、通过教育提高从业者科学文化素质，提高其使用现代农业技术的能力。（6）加大政府支持引导力度，相关企事业部门提高研发力度和水平，进一步提高运营安全性。

3　展望

物联网技术正以空前的速度应用于社会、经济和生活的诸多领域，使人类社会步入了一个全新的高智能化时代。但到目前为止，物联网技术在农业上还主要集中在科研单位和一些农业高新技术园区。随着物联网设备和技术的逐渐成熟，它在农业中的应用也将越来越广泛。例如：（1）与3S结合应用于精准农业的调查、预测预报和决策管理，如在土壤墒情、水肥、病虫害，节水等方面的应用；（2）通过参数传感器、视频传感器实现作物各生育时期可视化、智能化管理；（3）通过环境监测，建立灾害预警、预防系统，有效降低自然灾害对农业的影响，增加农业防灾减灾的能力；（4）通过物联网技术，收集温、光、水、气、风等环境信息，监测各种环境污染源，促进生态环境有效治理；（5）应用于农产品溯源、农业物流配送等农产品流通领域，保证食品安全和个性化服务。农业物联网将加速传统农业向现代农业的快速转型，促进农业生产和管理水平的提高，物联网技术的发展将对现代农业的未来产生深远的影响。

参考文献

[1]戴起伟,曹静,凡燕,等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报,2012,28(5):1173-1180.

[2]胡向东.物联网研究与发展综述[J].数字通信,2010(2):17-21.

[3]Gustavo R G, Mario M O, Carlos D K. Early infrastructure of an Internet of Things in Spaces for Learning[C]. Eighth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies, 2008：381-383.

[4]Amardeo C, Sarma J G. Identities in the Future Internet of Things [J]. Wireless Pers Commun,2009(49)：353-363.

[5]赵璐.农业物联网的社会经济特征及社会认知研究[D].吉林:吉林大学,2012.

[6]Kahn J M, Katz R H, Pister K S J. Next century challenges: mobile networking for smart Dust[C]. Proceedings of the 5th Annual Joint ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking (MOBICOM 1999). NewYork,NY: ACM Press,1999: 271-278.

[7]比尔・盖茨.未来之路[M].北京:北京大学出版社,1996.

[8]International Telecommunication Union. The Internet of Things[R]. ITU Internet Reports, 2005.

[9]Santucci, G. From internet to data to internet of things. In Proceedings of the international conference on future trends of the internet[C]. 2009.

[10]Debasis B, Jaydip S. Internet of Things: Applications and Challenges in Technology and Standardization [J]. Wireless Pers Commun, 2011(58):49-69.

[11]李向文.欧、美、日韩及我国的物联网发展战略—物联网的全球发展行动[J].射频世界,2010(3):49-53.

[12]李道亮.农业物联网导论[M].北京:科学出版社,2012.

[13]马享优,信丽媛,王晓蓉,等.国内农业领域物联网研究与应用现状分析[J].天津农业科学,2012,18(6):69-72.

[14]马享优,宋治文,王建春,等.天津设施农业中病虫害预测预报专家系统应用分析[J].天津农业科学,2010(4):117-119.

[15]阎晓军,王维瑞,梁健平,等.北京市设施农业物联网应用模式构建[J].农业工程学报,2012(4):149-154.

[16]卢俞,王颖.基于物联网技术的设施农业服务平台设计[J].电子世界,2012(22):75-76.

[17]杨春勇,牛磊.基于ZigBee的设施农业环境监测系统的设计与实现[J],中南民族大学学报:自然科学版,2012(31)1:88-92.

[18]张妍.物联网在现代农业中的应用与前景展望[D].哈尔滨:东北农业大学,2011.

[19]佚名.“物联网”生物控制平台监控农业病虫害[J].硅谷,2010(15): 28.

[20]赵静,王岩,杨淼,等.物联网在农业病虫灾害中的应用[J].通信技术, 2010,11(43):49-51.

[21]刘宝静.基于物联网视觉的自动农业植物病斑远程识别[J].科技通报,2013,29(4):85-87.

[22]赵小强,于燕飞,史文娟,等.基于物联网技术的农业节水自适应灌溉系统[J].西安邮电学院学报,2012(3):95-97.

[23]施国英,张博.一种新型土壤水分传感器的研究[J],农业装备与车辆工程,2009(11):25-27.

[24]吴秋明,缴锡云,潘渝,等.基于物联网的干旱区智能化微灌系统[J],农业工程学报,2012,28(1)118-122.

[25]陈勇,曹玉保,王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程,2012,20(22):104-106.

[26]王景才,夏自强,杨建青,等.土壤水分传感器田间比测实验研究[J].水利信息化,2012(2):41-45.

[27]李雪刚,黄梦醒,朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计[J].计算机工程,2012,38(17):20-23.

Application and Developing Prospect of Internet of Things in Agriculture

Wang Xiangdong, Chen Xuebin, Zhang Aimin
(1Tangshan Academy of Agricultural Sciences, Tangshan 063001, Hebei, China;2Hebei United University, Tangshan 063009, Hebei, China)

Abstract:In recent years, with the fast-growing of computer and 3G network technology, the Internet of Things (IOT) becomes increasingly mature and has been quickly applied to various fields of agricultural production, scientific research etc. The technology of IOT applied to the field of agriculture effectively promoted the transformation of traditional agriculture to modern agriculture. The forming process of the concept of IOT was reviewed. Research progress of IOT in facility agriculture, crop pest remote diagnosis, precision irrigation and farmland environment monitoring were summarized in this paper, and the application status of four aspects of IOT was also discussed. Some main problems to be solved in the development of agricultural IOT in China were analyzed and the corresponding measures were put forward. Finally, the development prospects of agricultural IOT in China were forecasted and agricultural IOT was highlighted as the future development direction of agriculture in China.

Key words:Internet of Things; Agriculture; Computer

中图分类号：S126

文献标志码：A论文编号：2013-0605

基金项目：河北省科技厅项目“基于物联网的小麦病虫草害智能监控系统的研究与应用”(13227407d)；唐山市科技局项目“中药材提取物对小麦蚜虫防治技术研究及应用”(13130246z)；河北省科技厅项目“唐山市蔬菜产业法人科技特派员创新创业后补助”(15226908D)。

第一作者简介：王向东，男，1976年出生，河北承德人，助理研究员，博士，研究方向为信息农业。

通信地址：063001河北省唐山市开平区胜利桥东农研路1号唐山农科院，Tel：0315-2863229，E-mail：cauwang@foxmail.com。

收稿日期：2013-08-09，修回日期：2015-05-08。