利用物联网等现代化技术实现农业农村现代化

王昭苏，冯 敏

（山东第一医科大学 医学信息工程学院，山东 泰安 271000）

我国是一个农村占比很大的超级农业大国，农业是我国的重要战略产业，拥有不可撼动的支柱地位。但目前，我国仍有不少落后农村地区仍未实现脱贫。作者通过查阅资料、观看视频等，发现我国目前不少农村地区仍在采用最原始、最基础的耕作方式，不仅耽误时间、浪费人力物力资源，收益与效率也非常低下，收获与付出严重不成比例。而且由于资金问题，实现机械化收获的耕地少之又少，若遇到自然灾害、虫病等，更是会使年产量大幅减少，导致巨额亏损，使辛苦劳作的农民们入不敷出，从而导致种植业从业者积极性下降。近年来可用耕地数量不变，种植业从业人数减少就是此问题的最直观表现。这时，农业农村智能现代化就刻不容缓了。农业农村现代化将会让农耕种植变得自动、迅速、便捷，可以节省大量时间资源。如果能够实现多数农村地区的农业智能现代化，那么许多农村地区人民的脱贫则指日可待。

近几年来，部分农村地区的智能化、现代化与机械化程度正在稳步提升，取得了显著的好成绩。目前，随着人口生育模式发生转型，人口和农村劳动力供给变少，数量从剩余转向短缺，因此农业和工业、农村与城市之间争夺劳动力的情况加剧，导致农业投入出现重大阶段性变化，农作物用工成本增加、单位用工量减少、机械投入大幅增加。由此，农业劳动生产率显著提高。[1]可见农业农村现代化益处颇多，而有了如此良好的开端和先例，农业农村全面实现智能现代化也不再只是想象。

那么，如何最有效地实现农业农村现代化呢？就作者个人的观点，可以将目前超速发展的物联网信息技术应用到农业农村产业中。物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程。[2]借助网络信息技术与装备，物联网可以实现所有物品的通信与联接，让所有的物品都可以被搜索或检测到。如果能利用它的这些功能特点，将农业农村与物联网紧密结合应用，定将会大大提升效率和收益，节省大量时间和资源，益处无穷。

影响农业种植、作物生长的因素有许多，包括气候环境、空气温度与湿度、土地酸碱度、土壤水分、环境二氧化碳浓度、风速与光照等等。目前的传统农业中农民只能通过自己的感觉来判断这些因素，从而施行耕作、灌溉、施肥、喷药等，这样不仅费时费力，还极易造成损失。而这时，便可以将物联网遥感技术应用到农业种植中。农业物联网遥感指利用遥感技术进行农业资源调查、土地利用现状分析、农业病虫害监测、农作物估产等农业应用的综合技术，可获取农作物影像数据，包括其农作物生长情况、预报预测农作物病虫害。利用农业遥感技术，便可以在节省大量人力的情况下对环境温度湿度、空气质量状况、土地pH值等各种农业种植影响因素进行实时监测，同时又可对农作物长势进行监测，对病虫害及时防控。一系列作物在不同生长周期的问题，都有信息化、智能化的监控系统实时定量精确把关。[3]这样不仅确保了数据的精确性、作物的安全性与稳定性，确保农作物在同一时段内最优的环境中生长，有问题也可以及时发现，实现科学监测、科学种植，大大降低了作物的死亡率。

同时，在实施监控的基础上，可以进一步通过接收无线传感汇聚节点发来的数据等，实现各个基地测试点信息的获取并进行管理，以直观图表和曲线的方式显示给用户，并根据以上各类信息的反馈对农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动卷模、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动控制。[4]通过各种仪器仪表实时显示或作为变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。采用物联网的无线传感器网络来获得作物生长的最佳条件，可以为农业现代化提供科学依据达到增产增收、改善品质、调节生长周期及提高经济效益的目的。[5]

此外，虫害也是影响农作物生长的重要因素之一，而除虫设备繁多、使用复杂、遇到恶劣天气易损坏、大面积喷洒农药耗时耗力、设备无保障损坏难修等问题是不少种植业从业者的烦恼。而物联网应用中的传感器集成应用可以有效解决这些问题，比如已经被投入市场应用的“诱虫灯”，就是利用害虫的趋光性、趋色性等特性原理，诱使病虫靠近“诱虫灯”，再利用外围的高压网杀死害虫，使害虫落到虫袋里达到杀虫目的，可见传感器是一种很好的防虫设施；除了利用害虫的趋光性，还可以对害虫进行“误导”，例如，模拟一种类似农作物的“气味”，通过传感器将该气味释放出来，然后在传感器附近设置大面积的“捕虫网”，将病虫粘住，达到捕捉病虫的目的。不仅在种植业，在畜牧养殖方面同样如此。畜牧业作为我国农业的重要组成部分，是农业产业结构的经济支柱之一，目前也同样存在着问题。畜牧养殖的收益相比种植业要更多，鱼、肉、蛋、奶都是畜牧养殖的所得产物，养殖成本较低，利润较大，但在养殖过程中的风险也比种植业更高，若牲畜感染瘟疫则会产生巨大亏损。此外，牲畜肉质的优质与否与饲料、活动范围甚至心情都有着较大关系，因此，在平时的养殖过程中，可以利用机器“人为”进行干预，比如，让机器模拟并学习一种能使牲畜感到愉悦的“信息素”，通过声波等方式传递出来，作用到动物身上。若动物长年累月受此影响，肉质口感自然会比一般的牲畜更佳。

再者，是否可以将机器学习结合物联网和计算机信息技术等引入到农作物收获中去，帮助农民进行自动化收获呢？机器学习是一门较为复杂的交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科，专门研究计算机如何模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能，并通过某种算法，对历史数据进行分析与训练从而得出某种模型，当有新的数据提供时，可以使用训练产生的模型对未来进行预测。这意味着，机器学习是一种能够赋予机器进行自主学习，不依靠人工进行自主判断的技术，它和人类对历史经验归纳的过程有着相似之处。也就是说，机器完全可以通过算法学习人类的语言、技术甚至思维，模拟人类的行为，在农业生产上，可以将人类行为通过算法导入机器，让其模拟并学习一些行为，再进行分析与运用，从而掌握一门技术。综上，通过机器学习，农作物的种植收割将会解放大量人力，变得更为精确、简易、便捷，加之与现代化信息技术相结合，达到资源的最优利用，实现共赢。

下面，将详细介绍一下我国农业农村目前发展的现状与存在的不足，各项现代化技术的定义、特点、详细的应用情况和具体的实例分析，以及作者的一些观点与设想。通过分析，结合各项技术本身的作用与特点，将它们正确应用到农业生产中，必将会受益无穷。

1 我国农业农村发展的现状与不足

1.1 现状

近些年来，我国农业生产环节利润水平不高一直都是无法否认的事实，经常付出与收获不成正比。究其原因，一方面是由于延续了多年的以农业支持工业发展的国家发展策略造成的长期影响，另一方面也是由于绝大多数农业生产者分散而力量薄弱，加之进入门槛较低，并不具备产业链的议价能力。且各种所需要的原材料、农资产品等价格普遍不断增高，使农业生产成本变高。[6]此外，频发的极端恶劣天气亦会对农业产生一定负面影响，使利润极易造成损失。[7]

21世纪以来，中国农业份额下降到现代化转折点，第一产业占三大产业的产值比重到2011年降至10%，2012年则基本保持稳定，达到10.1%。[8]中国农业目前也正在经历以劳动密集投入为主，提高土地生产率的传统农业类型向以机械化为主，提高农业劳动生产率的现代农业转型。

1.2 不足

成本高，利润低，付出与收获不对等，易受天气影响。一旦逢暴雨、冰雪等恶劣天气，便极有可能会对农业种植产生不可逆转的打击，使农民们长久以来的努力全部作废，造成严重的损失。

虽然我国目前已有部分农村地区基本实现现代化、机械化，但仍有不少农村地区耕作方式较为落后，效率低下。不同的地区之间发展差距较大，现代化技术并不普及。应利用物联网与信息技术等现代化技术，做到将农业农村现代化、机械化、智能化等在各个地区广泛普及，实现共同脱贫。

2 名词释义

2.1 物联网

物联网是一种承载体，可以利用传感器、全球定位系统、气体感应器、监控等收集光、热等环境条件的信息，再通过物联网技术把信息进行共享和交换，以实现智能化识别和管理功能。物联网在日常生活中广为应用，由于其具有应用多、范围广、智能化等特点，与传统技术结合可以提高生产生活质量。物联网的多种应用，与传统农业结合是当前农业发展的趋势。物联网分为三个方面，一是感知层，类似于人类的感觉器官，是用于感知外在变化，感知温度、湿度、风速、光照等各种自然条件的传感器，用于对植物的基础生长进行信息采集;二是传递层，主要是利用云计算和网络，把信息进行传递和共享；三是应用层，主要完成数据研究、分析与应用。[9]通过这三类功能，可以基本实现农耕自动化、农业灾害防治、自动收割等。

而物联网与农业相结合，不仅使农耕更加便利，而且在提高产量，增加农民收入方面亦有巨大影响。实现农业智能化监控管理，实时监控农作物生长，实现全天候数据监控、远程操控机器设备、农林有害生物监测及数据融合分析一体化，全面提高生产效率，可称为智慧农业；在灌溉、日光温室大棚、农业云平台等方面进行智能化处理，即智慧种植。其中广泛应用的日光温室大棚虽然加快了许多作物的生长周期，却仍然存在一部分需要解决的问题，而利用物联网智慧农业控制系统是较优的解决办法。使用温室大棚进行种植，就会存在如下问题：（1）人工判断不准确，无法 24 小时值守；（2）人工操作依靠种植经验，人力消耗较大；（3）生产管理强度大，容易产生懈怠，管理要求高。基于此情况，利用物联网智慧农业控制系统对大棚的智慧化进行管控则大大提升了效率，主控制部分可连接电脑、手机、显示屏等，将监控数据进行实时传输，主控制柜主要监测大棚内的温湿度、光照度、土壤水分、二氧化碳含量等，并且可对温室蔬菜大棚、温室菌类养殖大棚、温室花草养殖大棚等进行管控。智慧农业控制系统可以科学化、智能化地监测和管理农业，实时查看、分析数据，实现综合性、灵活性的智能管理，提供监测、数据分析、数据模拟应用等服务，实现农业智能化管理。目前，许多耕地采用日光温室大棚进行种植，这是因为气候不适宜部分作物生长，而使用日光温室大棚后，产量明显趋于稳定。而在技术方面，如在农业控制系统、虫情监测系统、农药残留检测等方面进行优化，形成区块链，将多片耕地进行区域化管理，由多名耕地承包人共同承担费用，可以降低成本。

2.2 农业现代化

农业现代化是指由传统农业转变为现代农业，把农业建立在现代科学的基础上，用现代科学技术和现代工业来装备农业，用现代经济科学来管理农业，创造一个高产、优质、低耗的农业生产体系和一个合理利用资源、又保护环境、有较高转化效率的农业生态系统。农业现代化的目标是建立发达的农业、建设富庶的农村和创造良好的环境。[10]

农业现代化的重要理念是“绿色耕作”，即在不污染环境、不破坏耕地的情况下提升产量，这就意味着机器智能与自动化的程度要达到一个较高的水准。而农民的盈利水平通常在5-10万/年，若亏损有可能降至5万以下，在资金不足的情况下，要实现机器的自由调度就比较困难。一般一位农民承包一片耕地，这片耕地的盈亏与否都只关系一位农民，那么是否可以将邻近的几块耕地编为一组，由一台机器管理，承包人与耕地数目不变，只是将机器管理的耕地范围扩大，这样即使年产量没有达到预期，也可以缓解因资金问题带来的无法使用机器的问题，毕竟机器自动化在农业农村现代化中具有举足轻重的作用，实现机器自动化的耕地往往具有更大的优势。机器模拟在学习人类的行为后进行重新组织与训练，使其本身具有的“知识结构”不断改善自身性能，从而得出新的模型，当给机器提供新数据时，可以使用分析得出的模型进行未来预测，这一应用可以在全自动化耕作、防治病虫害等方面发挥重要作用。

2.3 农业遥感技术

通常所讲的农业遥感主要指遥感技术在种植业生产活动中的应用，具体来说是综合运用由遥感、地理信息系统和全球定位系统所构成的3S技术及计算机物联网等高新技术，对农业生产，尤其是种植业生产过程中的各个环节进行数据的获取、存储、处理、分析及表达与应用的一种综合性技术。

例如，在种植初阶段，病虫害对作物的威胁较大，如果面临病虫入侵，人工查找病虫害区域并进行驱虫，耗时耗力，且不一定能完全驱除，这时运用遥感定位技术可以对区域进行监测，准确定位病虫区域，比人工监测效率更高、速度更快、结果更加精确、效果更好，有效对病虫害进行防治。

2.4 机器学习

机器学习是一门多学科交叉专业，涵盖概率论知识、统计学知识、近似理论知识和复杂算法知识，使用计算机作为工具并致力于真实实时的模拟人类学习方式，并将现有内容进行知识结构划分来有效提高学习效率[11]。

作者通过查阅资料与研究发现，农作物的播种、浇灌、收获都不存在较大的困难，机器进行学习后，通过分析与训练获得这些最基本的行为，通过计算机算法，可以在以后的播种、浇灌与收获中进行运用，可以大大提高生产效率。而对于农作物产生较大影响的因素，除了自然因素如光照、温度、湿度外，就是自然灾害与病虫害。其中自然灾害属于不可控因素，暂不做讨论，而病虫害可以进行人为控制，但传统的“喷药”会对农作物产生影响，轻则影响口感，重则影响健康，那么此时便可以通过机器进行病虫害防治，通过算法让机器学习释放病虫天敌的“信息素”，从而让病虫产生“农作物是天敌”的错觉来保护农作物，能有效防止因病虫害而造成的产量减少。另外，在处理作物播种、浇灌、施肥、收获等方面可以实现全自动化，让计算机模拟并学习农民的播种、耕作、收获行为，达到机器耕作，可以增强耕作效率。

3 结束语

以上便是各项拟用的现代化技术的含义解释与详细说明，以及作者对此的一些设想和看法。本文以我国农业的现状与存在的不足为出发点，重点讲述了各项现代化技术比如农业遥感技术、机械学习等与我国农业相结合的一些构思、设想和事例，旨在使我国农业的发展更进一步。现代化科技技术的飞速发展是我国当前社会的一大主流特征，我们应该合理应用它们，让它们发挥出自身最大的价值和作用，这也符合我国目前可持续发展战略的绿色能源理念，节能节源，物尽其用。综上所述，这些现代化智能技术都对我国农业农村的发展有着适宜的帮助，只要正确地加以结合利用，分而治之，专项专攻，合理利用，并适时在这些现代化技术的基础上加以再次创新，定会让我国农业农村的现状得到较大的改善和提升。