我国农业在物联网模式下发展探索

闫重强　楚　燕　樊振兴

（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南　郑州　450000; 2.郑州市物联网产业技术创新研究院有限公司，河南　郑州　450000）

我国农业在物联网模式下发展探索

闫重强楚燕樊振兴

（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450000; 2.郑州市物联网产业技术创新研究院有限公司，河南郑州450000）

近十年，国外发达国家的物联网技术已经在农业方面得到广泛应用。而我国农业物联网技术还属于起步阶段，那么如何借鉴发达国家的农业物联网发展模式经验，构建适合我国农业物联网应用平台，建立农业物联网产品标准化体系，研发完善农业物联网核心技术产品，用多元化的技术成果指导传统农业向现代化农业转变，将是我国农业物联网发展的关键点。

农业物联网；应用示范；物联网标准；通用体系架构

2016年中共中央发布的一号文件中提出《关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见》。这也是中共中央一号文件中连续13年聚焦“三农”问题。文件提出：大规模推进高标准农田建设、强化现代农业科技创新推广体系建设、加快培育新型职业农民、实施食品安全战略、推动农产品加工业转型升级等规划[1]。

我国农业物联网已经经历了前期的初步发展阶段，各种产品取得了不同的成绩。那么在以云计算、物联网、大数据为核心的“互联网+”的国家战略背景下，如何指导和规范农业物联网行业正确、快速发展，助力国家大力推进农业现代化，确保亿万农民与全国人民一道迈入全面小康社会，是我国农业物联网行业发展至今必须慎重考虑的问题。

1　国外发达国家的农业物联网技术发展现状

1.1以美国为代表的农业物联网技术

一是作为一个科技强国，美国十分重视3S技术的应用。美国大农场对物联网技术的采用率高达80%，目前几乎所有大农场和中型农场的农机设备均已安装全球定位系统，准确接收卫星遥感遥测信息，从而进行精准的土壤调查、施药、施肥、作物估产、农业环境监测和土地合理利用等。二是高度智能化的自动化管理运用WSN(无线传感器网络)技术采集、处理和传输温度、湿度、土壤成分等数据资料，系统便可根据相关数据给予不同的田地浇灌不同的水量，从而做到节水节能;使用近红外实时监测设备检测土壤肥力。

1.2以日本、以色列和荷兰等国家为代表的设施农业

由于国土面积较小，人口密度高，这些国家的设施农业非常发达。设施农业物联网的特点是：“工厂化生产+自动化、智能化技术发达+农民文化程度高”的集约化模式。设施农业工业化体现在以下几个方面：一是改善种植环境，生产连续化。采用相关物联网技术模拟自然生态系统，克服外界环境和季节变化的影响，达到生产时间连续化；二是设施种苗业发达。如荷兰的专营温室育苗的科技公司，专业为各种温室供应专用的耐寒、耐热、高湿、寡照等多种抗性及高产的优质良种；三是设施内单产水平高。温室番茄年产量在荷兰已达到40~50kg/m2，日本、以色列等国单位面积优质蔬菜产出率也相当高；四是采用无土栽培方式。荷兰、日本、法国、以色列大部分设施内均进行无土栽培；五是植物工厂。奥地利、丹麦、日本等国建立了世界最先进的“植物工厂”，采用营养液栽培和自动化综合环境调控，完全摆脱了自然条件的束缚。植物工厂内的蔬菜年产量是普通温室栽培的10倍以上，更是露地栽培的数十倍[2]。

2　我国农业物联网行业发展面临的问题和解决方案

2.1我国农业物联网行业发展面临的问题

目前，物联网技术在农业领域应用涵盖了农业资源利用、农业生态环境监测、农业生产经营管理和农产品质量安全监管，并在政策扶持、技术研发、示范应用、人才培养等方面积累了一定的经验。但农业物联网技术应用总体还处于初步应用阶段，存在关键技术产品及集成体系成熟度较低、农业物联网应用标准规范缺失、有效的运营机制和模式尚未建立、专业人才缺乏等问题，迫切需要国家开展农业物联网技术应用示范项目，加快建设应用示范基地，深入开展相关技术研发和集成创新，探索产业化应用模式，制定农业物联网应用标准规范，推进物联网技术在农业领域的规模化、标准化、产业化应用[3][4]。

2.2农业物联网通用体系架构平台建设方案

近年来，中国电子科技集团公司承担了大量的物联网相关的大型信息系统顶层设计和建设工作，在总结实践经验的基础上，针对系统建设的共性需求，提出了一种开放基于SOA（service-oriented architecture）的物联网体系架构方案，旨在开发通用物联网技术群，打造物联网共性基础设施，形成物联网软硬件运行支撑环境，以支持物联网应用系统的快速建设，实现系统间的互联互通，催生新的科技、应用和商业模式，推进物联网更加开放的发展。

该架构通过建立物体模型，实现物体向网络物体（或虚拟物体，网络交互的内容）映射，既兼容现有，又兼顾发展；针对物联网通用网络功能需要，在传统的“感、传、知、用”架构中，开发开放的平台层，既可作为实现“物体接入管理、标识解析、应用交互”等通用能力的基础设施平台（实现互联互通互操作），也可作为面向物联网应用开发者的中间件平台（支持应用系统快速开发），还可以是面向服务的运营平台（催生新的商业运营模式）；定义了物联港、物体域名解析TNS新概念，支持开放的建设模式、应用模式和运行模式。

基于物联网通用体系架构的农业生产综合管理平台系统框架自下而上共分为四层，即农业物联网传感设备层、通用体系架构层、共性服务层、农业物联网应用系统层等，如图1。四者相互之间在功能上相互独立、层次上相互清晰、业务上相同协同，共同实现并支撑整个系统平台对农业生产综合管理平台业务的全面和高效运维。在系统框架中，安全体系、标准体系、协议以及语言立足物联网通用体系架构。

图1　农业生产综合管理平台系统框架

该体系架构采用多项关键技术保障了综合管理平台系统的实现。

第一，基于SOA的VE（Virtual Entity虚拟实体）及物联港综合协同技术。该技术从属于基于物联网通用体系架构的智慧农业VE的特性描述和服务描述研究内容，主要解决VE和物联港标准件快速生成和相互协同技术，具体包括业务组合机制、可满足性评估方法等。智慧农业设备的外部接口主要用于供汇聚终端发起的访问来调用，是汇聚终端获取VE服务的唯一途径。相应接口定义在智慧农业设备的控制层，并以soap方式提供给交互平台。用户请求访问VE会先得到包含以websocket形式发布的服务地址的psdl，再通过SOAP方式建立websocket连接、访问VE并获取VE服务。借助PSDL和SOAP，物体服务信息交互的问题将从层次上被简化，实现了编程语言和系统平台的无关性。

第二，大规模全区域资源节点运行态势综合评估和精确控制技术。

该技术从属于大规模全区域资源节点运行态势模型和定点精准控制机制研究内容，主要用于解决在引入物联网通用体系框架后，如何高效地实施全局智慧农业场景态势评估和精确控制，具体内容包括：协议字典技术、精确控制模型（包括大田种植中土壤温湿度、空气温湿度等信息采集和智能灌溉设备相结合的综合技术模型；温室大棚中土壤温湿度、空气温湿度、光照、CO2等信息监测并结合通风、采光、补光、施肥、灌溉等控制建立综合技术模型；水产养殖中水温、光照、溶氧、PH酸碱度等监测并结合增氧和投料控制等建立综合技术模型）以及针对农作物种类快速控制定位算法等。

（1）系统初始化。

设干系体列表为b=(b1,b2,...,bn)T

其中，b1为先期投入，b2、b3，...，bn为农业物联网系统中的干系体，n=|b|为干系体数量；

（2）构建效益状态向量和干系体关联关系矩阵。

设效益状态向量为w(e)n×1=（e1，0，...，0）T

其中，e1为b1的资源量，e2=0、e3=0，...，en=0表示该干系体的资源量目前没有建设，随着资源量的丰富，e2、e3…逐渐增加到关联矩阵；

R=(rij)为干系体关联关系矩阵，且若存在干系体bi指向bj的关联，则令rij等于bj单位资源可产生bj的资源量，否则仅rij=0；

（3）效益状态向量迭代推演。

第三，异同构采集与控制资源节点智能协同模型与协同评估技术。

该技术从属于异同构采集与控制资源节点的动态管理机制和评估机制研究内容，主要用于解决引入物联网通用体系框架后，如何高效地实现农业物联港内部各节点与物联港内外其他基于物联网通用体系架构的VE节点进行互联、互通以及高效协同。重点涉及温室大棚示范物联港风机和温湿度采集与控制、水产养殖示范物联港中增氧泵与溶解氧检测协同。

①异同构资源协同发起者完成协同资源描述与定义，包括协同区域、协同最大延迟、QoS等；

②异同构资源协同发起者将协同资源通过TNS服务器发送到各协同VE（专门获取和存储所协同的物联港或物联港群中各VE的状态和访问参数）；

③各协同VE对协同资源进行可满足性和请求有效性判断（具体可满足性和有效性判断可依据大规模全区域农业物联网资源节点运行态势评估实施），查询各协同VE所协同的目标物联港群中有效VE节点，并选择其中最优节点或次优节点列点，再通过TNS服务器向发起者返回判断结果；

④发起者依据协同资源描述与定义，对各协同物联港返回的节点进行综合比较，并确定最终协同资源或资源列表。

2.3农业物联网行业设备标准体系建设的解决方案

自2005年以来，我国相继成立电子标签标准工作组、传感器网络标准工作组、中国通信标准化协会（CC⁃SA）泛在网技术工作委员会（TC10）和中国物联网标准联合工作组[5]。我国在物联网标准制定方面取得了一定的进展，已经成为国际标准制定的主导国家。但现有标准还很零散、缺失和不统一，标准制定与市场应用结合不够，导致物联网市场分割，制造和服务成本偏高，这已成为制约物联网技术在现代农业发展中推广应用的重要因素。物联网的标准化将成为占领物联网制高点关键之一。总的说来，在农业物联网标准化方面，全球几乎处于同一起跑线上。目前，我国虽有很多传感器、传感网、RFID研究中心及产业基地都在积极参与建立物联网标准，但由于对物联网本身的认识还不统一，有些还停留在战略性粗线条层面，物联网标准制定进程缓慢[6]。

大家都知道要“致富，先修路”的道理，行业标准就是物联网行业的“路”。路修好了，就可以引导各相关企业的产品快速进入良性的发展模式。标准具有的引导性、前瞻性、强制性和惩戒性决定了标准化在市场经济中的作用是多层次的、全方位的，这也决定了它对一个行业发展的重要性。

我国物联网行业标准的制定，应与国初步物联网标准体系框架中提出的感知层标准、网络层标准、总体共性标准、应用层标准、服务支撑标准[7]基本一致。除此之外，安全、环保等相关的标准也应同时贯穿始终，各标准化制订单位应积极与相关研究单位、行业龙头企业进行深入交流，积极研究、出台相关国家标准。

2.3.1农业物联网标准体系架构的构思：用基础通用标准、各环节的技术标准和行业标准[8]贯穿整个架构。以农业生产过程中的生产、加工、储运和销售为主线，建立覆盖感知层、网络层、总体共性层和应用层四个层的标准，这些标准之外辅以安全、环保等方面的标准对物联网行业进行全方位的标准化引导。

2.3.2标准建设方面的目标：一是，结合现有产品及其使用情况，针对农业生产实际和农业生产各种特有环境制定真正适合我国物联网行业的标准；二是，结合行业龙头企业，充分发挥行业协会的作用，逐步完善各环节、各层次和各生产环境的标准；三是，结合各标准和生产，建立农业物联网相关的示范应用。

图2　农业物联网标准体系框架

3　我国农业物联网行业发展策略

近几年，农业物联网发展的优越性和必要性已经被社会认可，但是我国土地的所有制制度和农业生产经营方式对物联网行业的大面积发展是个很大的阻碍；农民对初装设备和设备维护在经济上承受能力较低；物联网行业整体目前还存在技术上不成熟、标准上不统一的问题；农民整体的文化素质与现代化的农业物联网模式有一定差距等一系列的问题。

3.1进一步加强政府的实质性推动

政府应继续加大对农业资金的投入力度，并建立有效措施保证资金的使用效果；发展农业物联网不应伤害农民的最根本的利益；引导物联网相关企业规范健康有序的发展。

3.2鼓励农业相关院所与产业相结合，进一步推动真正的产学研结合

继续鼓励农业物联网行业相关企业在顶层架构的探讨和研究，鼓励院所间的协作发展，充分发挥各自优势，将科研院所、农业院校、物联网企业与应用有机融合，打破各企业间的烟囱发展模式，真正将物联网行业做大、做强、做实。

3.3进一步加强人才队伍的培养和专业引导

进一步建立健全农民学习农业物联网知识的培训通道；鼓励院校与企业和生产结合，深入开设物联网相关专业，快速为物联网行业的发展培养出一批有科学知识的农民，也培养出一批有农业知识的毕业生，有效地为物联网行业的良性发展培养出合格的人才队伍。

3.4鼓励、摸索和探讨适合实际需求的多种商业模式，进一步加快产业化进展步伐

商业模式是农民与企业之间建立合作关系和约束各自行为的方式，有效的商业模式可以很好地打消双方的顾虑，构筑一条互信互利和长足良性发展的催化剂。

3.5建立健全农业物联网的标准化体系，用标准和制度规范产业的良性发展

标准是行业发展的发动机，是企业技术进步的杠杆，是产品质量的保障，标准制订单位应积极联合行业龙头企业、科研院所，结合示范应用单位，并借鉴国内外相关标准，战略性的制订农业物联网各方面的行业标准。

4　结语

农业物联网作为一个新兴产业，其起步阶段、成长阶段和成熟阶段也一定会遇到与其他行业类似的问题，如何在物联网行业起步阶段通过政策引导和合理谋划减少可能出现的问题，将是对政府和物联网相关单位的考验。

［1］国务院办公室.中共中央国务院关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见［R］.新华社，2016-01-28.

［2］韩红莲，张敏.发达国家农业物联网模式对中国的启示与借鉴［J］.世界农业，2015（7）.

［3］吕建东，马睿翔.我国物联网产业发展的机遇和挑战［J］.西安邮电学院学报，2010（6）：81-82.

［4］刘婧，杨晓冬.政府在实现物联网过程中的对策问题研究［J］.西安邮电学院学报，20l0（4）：45-49.

［5］李道亮.农业物联网导论［M］.北京：科学出版社，2012.

［6］吕连生.农业物联网发展大趋势与安徽省对策研究［J］.安徽省社会科学院，2013（12）：4-5.

［7］张晖.物联网技术标准概述［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［8］杨林.农业物联网标准体系框架研究［J］.标准科学，2014（2）：3.

Exploration on the Agricultural Development Mode under Internet of Things in China

Yan Zhongqiang ChuYan FanZhengxing
(1.The 27th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Zhengzhou Henan 450000;2.Zhengzhou IOT Industry Technological Innovation Research Institute Co.,Ltd.Zhengzhou Henan 450000)

In recent ten years,the Internet of things(IOT)technology in developed countries has been widely used in agriculture.But our country's IOT technology still belongs to the initial stage,then how to learn fromthe experiences of agricultural IOT development mode in developed countries,to construct our country's ag⁃ricultural IOT application platform,to build agricultural IOT products standardization system and to R&D an⁃dimprove agricultural IOT core technology products,with a wide range of technical achievements guiding the transformation of traditional agriculture to modern agriculture,will be the key point of agricultural IOT develop⁃ment in our country.

Agricultural Internet of things;Application demonstration;Internet of things standards;Gener⁃al architecture

F320[文献辨识码]A

1671-0037（2016）10-81-4

2016-8-15

闫重强（1978-），男，本科，工程师，研究方向：物联网应用技术；楚燕（1985-），女，硕士，助理工程师，研究方向：项目管理；樊振兴（1985-），男，本科，助理工程师，研究方向：物联网应用技术。