作物生长环境监控物联网系统应用

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所其前身为1953年成立的中国科学院地球物理研究所华北农业科学研究所农业气象组。研究所围绕农业气象学、农业水资源学、农业生态学和农业环境工程四大优势学科体系，在农业气象灾害防御、气候变化及农业影响、农业环境保护、种养殖业环境工程、农业信息技术等科学技术领域具有很强综合实力和竞争优势。在“十一五”期间，研究所的综合实力在全国农业科研院所中排名第17位、在农业部部属研究所中排名第7位。从上个世纪70年代末开始，研究所开展了农业信息技术应用研究，是国内开展计算机农业应用、设施农业环境控制、农业专家系统和农业物联网技术研发及应用的早期探索和实践者，2009年开始，主持承担了由农业部启动的首个农业物联网应用研究项目，并开始在全国粮食主产区开展作物与灾情监控物联网的研究与建设。在优势学科领域共获得国家科技进步奖7项，省部级奖12项，为我国农业可持续发展做出了应有的贡献。

近三年在作物生长环境监控物联网关键技术研发与推广应用方面累计投入专项资金466万元（其中2014年投入116万元、2015年投入154万元、2016年投入196万元）。累计获软件著作权26项、授权专利12项、发表学术论文30多篇。农业物联网关键技术研究成果及其应用于2014年获中国产学研合作创新奖，2015年获评全国农业农村信息化技术创新示范基地单位（见图1）。

主要做法

一、案例实施背景

2009年开始在全国粮食主产区开展作物与灾情监控物联网建设。基于本案例的作物生长环境监测物联网关键技术，先后建设完成了全国小麦苗情监控物联网、农业部农业环境重点实验室物联网、北方果树霜冻害监测物联网、设施园艺作物监控物联网等项目。本案例在研发和推广过程中，通过产学研结合，将研究成果进行转化应用。该系统由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所进行总体设计与研究，联合清华大学、北京农业信息技术研究中心等单位进行合作研发，联合北京恺琳科技发展有限公司等单位进行开发与生产，联合全国农业技术推广服务中心和多个省农业技术推广总站、省农业科学院等用户进行成果的示范应用，实现了产学研的高效结合。以农业物联网关键技术为核心基础，研究所先后与黑龙江省农科院合作共建了黑龙江省农业环境物联网中心、与河南农业大学签订了农业物联网技术创新合作协议、与黑龙江省逊克县、河南省滑县、河南省长葛县政府签署了智慧农业建设战略合作协议。为农业信息化与智慧农业的落地发展做出了应有的贡献。

二、建设内容

1，农业环境监测物联网应用体系规范与标准建设

参照当前物联网的主流架构体系，制定建立了完整的农业环境监测物联网应用体系规范与标准（见图2所示）。系统设计体现IaaS（架构即服务）、SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）的思想。体现云计算、云服务的理念，设计构建面向全国学科体系内管理部门、科研机构、农技部门和农户等用户提供共享的、可定制的、随时随地按需访问的农业环境数据服务，为开展长期科学实验和技术推广示范积累科学数据、提供应用和服务资源。基于嵌入式系统和网络技术，开发了兼容多中通信协议的网络监控装置：具有节能、接入多种传感器、本地存储数据、多和断点续传的功能。可对农业环境数据，现场图像与视频实时监测、管理，并实现信息共享。系统可进行实时数据监测、历史数据查询、数据诊断、数据分析与对比、图像查看、图像对比分析以及视频监控等。

2，全国代表性区域监测站点建设

“十一五”期间主持农业行业科技专项“小麦苗情数字化远程监控与诊断管理关键技术（200903010）”等项目，针对农业环境、农情（墒情、苗情、灾情等）进行远程监控预警技术和新产品的研发，率先在黄淮海、东北、长江中下游和西部地区开展小麦和玉米等作物的低温灾害防控实验，应用物联网监控技术，集成化控技术和多种农艺管理措施，建立了集成监测预警、灾情诊断、调控管理于一体的智能化远程管理系统。特别是农业物联网关键技术方面，研究所率先提出并实施农业物联网研究与应用，并取得了诸多研究成果。截止目前针对我国粮食主产区代表性生态区域已初步完成了20多个省份多个主要农作物生长环境监测基础站点建设（见图3、4）。与多家科研院所、大学、农业技术推广部门，建立了长期稳定的合作关系，构建了具有一定覆盖面的全国主要作物监测站点和监测网络。

3，全国主要农作物监测物联网中心平台建设

针对基于田间尺度的农作物生长自动监测与诊断分析方法与技术的研究，着重研究了如何通过优化集成现代传感技术、网络信息技术、移动互联网络等物联网关键技术，构建能够跨区域、多监测点互联的農业气象灾害智能监测网络。针对主要大田作物生长状况和所遭受的常见灾害作为监测分析目标，在监测区域内构建无线传感器自动监测网络，对监测区域内农田小气候和作物生长状况信息实时监测、远程发送至监控中心平台，初步构建了主要农作物监测物联网体系，实现实时接收监测现场数据、动态识别分析与判断处理农作物灾情信息。

尤其在农业部行业科研专项“小麦苗情数字化远程监控与诊断管理（00903010）支持下，基于物联网理念，已初步构建覆盖我国四个小麦生态类型区（东北、西部、黄淮海、长江中下游地区）的小麦苗情监控物联网，截止目前已完成构建上百个小麦苗情监控站点（见图5-8）；开发基于云服务的苗情监控网络与管理系统，为小麦苗情诊断管理提供科学依据和技术支撑。该项农业物联网应用解决方案和关键技术，同样可应用在其它作物和农业生产领域的物联网体系建设与决策管理研究应用中。

三、解决的主要问题及方式

通过该系统，可实现农业现场各种气象与环境数据、图像视频的实时采集与远程传输，使用该设备，用户可进行远程监控和管理，可提高农业环境监测水平，提高农业环境监测数据的时效性，便于生产者及时掌握农作物、园艺作物、蔬菜、果树生长动态与灾害发生发展情况并进行快速的监测、诊断和预警。

将上述关键技术与系统进行扩展和升级，即可应用于更多其它作物的监测和管理过程中。

经验效果

一、带动了科技进步

通过全国农业环境精准监测与调控管理技术在全国更大范围的应用，可大幅度提升全国重点区域关键信息的精准快速监控能力，提供信息服务针对性更好，代表性更高，时效性更快，精准性更高，智能诊断与管理决策更综合全面。通过物联网的平台应用，立足局地，面向全局，把握整体。通过融合环境和生物，土壤和气象等信息为一体，农业环境学科领域科研人员、决策管理部门和农户不仅能够实时掌握全国范围农业环境与作物生长数据信息，而且实现科研进展和研究成果的共享，全面提升国家农业生产决策管理能力和科技综合实力。同时，通过设施农业自动控制技术的应用，可节水、节电，提高能源利用率，达到节能减排的目的。

二、带来了显著的经济效益

目前，已经开展了大量的作物与灾害监控物联网试验基地、示范基地等辅助监测点的建设工作，通过监测点的示范作用，农业生产节约成本2%-5%，节约人力5%，增产2%，减少损失3%。已成为所在区域作物生长监测管理与生产服务的重要信息来源之一，为保障我国粮食安全提供了有力的技术支撑。本模式目前已经成功转化为实用技术，获得了社会的认可，本模式的应用大大提高了作物与灾害监控的精准水平，通过轻简化监测技术的应用，提高了工作效率，减少了劳动力投入，而且监测结果更客观、便捷、准确。

三、提高了防災减灾服务能力

在全球气候变化和农业减灾频发、农业环境污染问题愈加重要的情况下，一旦发生重大农业天气自然灾害、农业环境污染等突发农业生产问题，利用初步构建完成的覆盖全国农业环境和作物苗情监测试验站的监测物联网体系，第一时间监测和掌控灾害发生程度和变化趋势，为提供科学防控技术措施和政府管理部门采取有效应急预案提供第一手的数据资料和技术保障。本系统在重大的灾害和极端事件监测预警中发挥了积极的作用。例如：在2010年春季严重低温灾害和2011年春季干旱中，各地区如甘肃、河南、安徽等主要麦区，基于监测数据，及时为当地政府相关部门提供了第一手监测数据，为技术部门指导生产和行政部门决策提供技术支持，在防灾减灾决策管理过程中发挥了重要的作用。通过准确监测苗情，分类指导，科学管理，为保障农业生产持续增收、高产稳产均发挥了积极的作用。