物聯網技術與智慧農業發展研究

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摘要:本文介紹了物聯網在現代農業中的主要應用，以及我們利用這些技術所能取得的成果。提供了IOT在現代農業實踐中的作用，如垂直農業(VF)、水培和表型。分析了無線傳感器和IOT在農業中的潛力，以及將這項技術與傳統農業相結合時將面臨的挑戰。列出了可用于特定農業應用的傳感器，以及現在和將來基于IOT的主要農業應用場景和平臺，并回顧了國內外主要科技公司正在開展的相關研究。以期幫助研究人員和農業工程人員實施基于物聯網技術，實現智慧園區建設。

關鍵詞:物聯網(IOT);智慧農業;現代農業實踐

為了提高農業產量并減少資源和勞動力投入，人類歷史上一直在進行各種創新。我國是農業大國，隨著城鎮化的發展可耕地和農業人口越來越少，將面臨著誰來種地，怎樣種地的問題。近年來物聯網(IOT)從城市到鄉村，開始影響到了農業生產。現代傳感器可以實時監控作物的生長，更能提前發現人眼所不能及的早期脅迫［1］。從播種到收獲，從儲存到運輸，使用一系列傳感器不僅智能，更具有成本效益。雖然現在物聯網技術的應用還比較膚淺，應用生態還不完善(圖1)，但從近10年的發展可以預測，隨著基礎設施(智能裝備、傳感器、通訊網絡)的建設和一系列服務的完善，如數據采集、云端智能分析和決策、友好的用戶界面以及農業運營自動化，基于物聯網技術的智慧農業必將引起農業產業鏈的重大變革［2］。盡管我國農業生產主要還是傳統種植模式，但從世界范圍來看，今天的農業正在朝著以物聯網為紐帶，以數據為中心的智能化發展，它挑戰了依靠經驗的種植模式，為農業生產的飛躍提供了新的機遇。

1物聯網的主要應用

在農業生產中實施最新的傳感器和IOT技術，傳統農業在各個方面都能得到根本的改變。目前，在智慧園區內無線傳感器和IOT的無縫集成可以將農業提升到前所未有的水平［3］。在智慧農業園區，IOT可以幫助解決和改善許多傳統農業問題，如干旱應對、生長調節、土地適宜性、灌溉和病蟲防治。圖2列出了智慧農業的主要應用領域、解決的問題和涉及的傳感器。圖

1．1耕地質量監測

很多制造商提供了廣泛的檢測工具包和傳感器，可以幫助農民跟蹤土壤質量，以快速、簡單的方式將土壤分析專家和農學家的知識傳遞到農民手中，形成完整的土壤分析報告，以及定制化的化肥推薦。在偏遠農村，低空及衛星遙感正在被用來獲取高密度的土壤水分數據，分析干旱現狀。2009年發射的SMOS衛星和2010年發射的MODIS衛星在土壤含水量及地表蒸散計算方面有了很多成功應用。

1．2灌溉

大水漫灌式的粗放作業不僅浪費了水資源，還會造成土壤營養成分流失等負面影響，使用基于無線傳感器的實時監測系統，能精確獲取土壤和空氣水分含量以及作物冠層參數，結合遙感數據、地形和土壤特性，使用智能分析軟件，就能計算作物需水脅迫指數(CWSI)，控制灌溉系統按需供水VRI(Vari-ableRateIrrigation)，促進作物健康生長［4］。

1．3施肥

基于IOT的施肥模式能以更高的準確性和最低勞動力估算作物營養需求的空間分布。使用航空(航天)遙感數據生成的歸一化差值植被指數(ND-VI)，監測作物養分狀況、健康狀況、植被活力和密度，進一步評估土壤營養水平。應用變量施肥模式，可顯著提高肥料的效率，同時減少對環境的副作用［5］。

1．4作物病蟲害防治

農作物病蟲害管理的可靠性取決于3個方面:感知、決策和對癥治療。先進的疾病和蟲害識別方法是基于圖像處理，利用無人機或遙感衛星獲取整個作物區域的原始圖像;另一方面，現場傳感器在作物生育期內全方位收集數據和圖像，如環境采樣、植物健康狀況以及對害蟲自動誘捕計數等，并通過物聯網上傳到云平臺進行分析決策［6］。在飛控系統的指引下，無人機和智能機器人按照預定的方案自動噴灑農藥。工程人員正在研制一種智能機器，它能按照上傳的病害數據自主運行并把感染PVY的馬鈴薯從地里拔出［7］。

1．5作物監測、估產

作物監測和估產是智慧農業的重要組成部分。以水果為例，同一種水果，不同的質量和成熟期對應著不同的市場和消費群體。在果園內安裝果、莖、葉、蟲害等傳感器，通過農場局域網自動獲取實時果樹信息。一般而言，水果的大小在估計其成熟度、定價、確定投放的市場等方面起著關鍵作用，水果顏色(RGB)的變化也往往用來判斷其成熟度和品質［8］。對于大宗糧食作物，航空航天遙感是進行監測估產的有效手段，我國從2000年就開展了對水稻、冬小麥、玉米遙感監測的研究并投入到業務化運行［9］。

2IOT技術的前沿應用

人類一直在采用各種方法來提高食物的質量和數量。最初是通過引進和選育優良種子、使用化肥和殺蟲劑來提高作物產量，而今科學家已經開始研究其他的替代品，比如生物工程食品。但人們更喜歡傳統的綠色食品和有機食品。農學家希望既能提高產量，又不會或盡量少的影響作物的原始屬性。其中基于物聯網的傳感器技術正在幫助改變傳統農業的生產方式，通過傳感器來控制作物生長環境，實現綠色高產的目的。隨著城市化的進程，這種生產方式會變得越來越重要。

2．1大棚(溫室)農業

溫室農業是最古老的智慧農業。在受控環境下，種植的作物受環境影響很小，且不限于在白天接受光照。成功的種植取決于多種因素，如監測參數的精度、大棚的結構、覆蓋材料、通風系統、決策支持系統等。精確監測環境參數是現代溫室中最關鍵的任務，需要多參數多測點來確保溫室小氣候。溫室大棚多參數監控平臺主要由以下的4個模塊構成(圖3)，物聯網是該系統的重要支撐［10］。

2．2垂直農業

垂直農業VF(VerticalFarming)是未來解決耕地和水資源短缺挑戰的方案之一。VF以城市農業的形式將作物垂直安放在一個環境更受控制的農業工廠內，這將顯著減少資源消耗。與傳統農業相比，只需要占用很少一部分地面(取決于堆棧的層數)，企業可以成倍增加生產(圖4)。Aerofarms公司以農業堆棧技術專利，創建了一個完整的數字控制農·01·場，集成硬件、自動化設備、智能控制和傳感器系統，形成一個強大的數據循環。由工程師、植物學家和程序員組成的團隊，通過每年26個作物輪作收集和分析數據，并將這些結果應用于農場的持續改進。該農場的年生產率是傳統田間農業的390倍，同時減少了95%的水和零農藥。

2．3水培

無土栽培是水培的一種形式。它是基于一個循環灌溉系統，作物需要的營養物質精確地溶解在水中，作物根系按需要浸泡在該溶液中。當將水培和垂直農場結合起來時，由于環境可控，作物成熟期可圖3溫室大棚管理系統模塊縮短3倍。一個100m2場地可以生產相當于其40倍面積傳統農場的產量，而且水和化肥的利用率減少了95%，由于沒有土壤，因而也不需要殺蟲劑和除草劑。

2．4植物表型

一些先進技術正在進行試驗，試圖通過先進的傳感器和物聯網技術，非侵入性控制作物的生理特征來提高作物生產能力。表型組學將植物基因組學與生態生理學和農學聯系起來。植物表型是對表達性狀的評估(受基因組成和環境變化的影響)，是作物改善中的一個重要過程。過去十來年，在分子和基因工具的幫助下分子育種取得了顯著的成績，但由于缺乏對作物形態的定量分析工具，表型研究對作物育種的貢獻不大。最近的研究表明［11］，在物聯網、高通量觀察設施、大數據挖掘等現代技術的支持下，植物表型對研究作物定量特征非常有益。農業工程人員開發了多種自動控制系統來處理觀察和測量生成的數據，提供的特征分析算法和機器學習建模有助于探索基因型、表型和生長環境之間的關系。國內外多家公司研發了多種先進的植物表型設備，如輕便型作物表型成像分析系統、便攜式葉綠素熒光測量與成像系統、便攜式植物光譜與高光譜成像測量系統、無人機植物表型分析平臺等。將遙感植被指數、高低通量測量、物聯網、大數據、視覺(LI-DAR)3D建模結合起來，植物表型將會是智慧農業重要的新途徑。

3智慧農業物聯網的發展和挑戰

基于物聯網的智慧農業在農業規劃、生產、管理和銷售等方面不斷更新，人們正在努力提供更經濟適用的智能工具來進行一系列農事活動。要不斷提升其商業價值，就要像其他行業一樣實現良好的投入產出效益，使農民獲得收益。為了達到這一目的，國內外的主要互聯網企業以及高技術公司，制定了宏偉的計劃并持續推進(表1)。從表1可以看到，基于IOT的智慧農業發展迅猛。但在現實應用中局限和不足也很明顯，除了圖1所列的6個方面，物聯網在技術上還存在著3個方面的挑戰。

3．1數據標準及兼容性

來自不同制造商的設備使用不同的標準。比如硬件、網絡協議、應用程序接口、語法、語義和平臺的不相容等，這使數據交流復雜化，阻礙了系統之間的集成。

3．2低功耗廣覆蓋(LPWAN)的技術

在偏遠的農村和復雜的地理環境下，傳感器承受惡劣環境條件的同時，依賴低電池電量，還要長期保持活躍和可靠。因此必須實現大區域上大量設備之間的低功耗通信技術。

3．3安全和隱私保護

入口端分散，大量數據被傳遞到應用終端，增加了病毒感染風險。所有安全措施還必須考慮到終端設備計算能力弱、存儲空間小和電池壽命短的特性。

4結語

基于物聯網的智慧農業技術，分析了智慧農業IOT的幾種應用能力。從廣泛意義上講，智慧農業還包括電子商務、食品溯源、農業休閑旅游、農業信息服務等內容，發揮越來越重要的作用。此外，我們還提供了利用IOT技術智慧農業前沿應用場景。雖然挑戰一直存在，但國內外眾多的高科技企業持續看好智慧農業領域，不久的將來，物聯網、大數據、云計算、機器學習、人工智能、智能裝備的成熟應用將會成為現實。

作者：楊健 劉忠友 單位：四川省農業科學院遙感與數字農業研究所