導語：物聯網技術與智慧農業(yè)發(fā)展研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:本文介紹了物聯網在現代農業(yè)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(yè)實踐中的作用，如垂直農業(yè)(VF)、水培和表型。分析了無線傳感器和IOT在農業(yè)中的潛力，以及將這項技術與傳統(tǒng)農業(yè)相結合時將面臨的挑戰(zhàn)。列出了可用于特定農業(yè)應用的傳感器，以及現在和將來基于IOT的主要農業(yè)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(yè)工程人員實施基于物聯網技術，實現智慧園區(qū)建設。

關鍵詞:物聯網(IOT);智慧農業(yè);現代農業(yè)實踐

為了提高農業(yè)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(chuàng)新。我國是農業(yè)大國，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展可耕地和農業(yè)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(xiāng)村，開始影響到了農業(yè)生產。現代傳感器可以實時監(jiān)控作物的生長，更能提前發(fā)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(tài)還不完善(圖1)，但從近10年的發(fā)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(yè)運營自動化，基于物聯網技術的智慧農業(yè)必將引起農業(yè)產業(yè)鏈的重大變革［2］。盡管我國農業(yè)生產主要還是傳統(tǒng)種植模式，但從世界范圍來看，今天的農業(yè)正在朝著以物聯網為紐帶，以數據為中心的智能化發(fā)展，它挑戰(zhàn)了依靠經驗的種植模式，為農業(yè)生產的飛躍提供了新的機遇。

1物聯網的主要應用

在農業(yè)生產中實施最新的傳感器和IOT技術，傳統(tǒng)農業(yè)在各個方面都能得到根本的改變。目前，在智慧園區(qū)內無線傳感器和IOT的無縫集成可以將農業(yè)提升到前所未有的水平［3］。在智慧農業(yè)園區(qū)，IOT可以幫助解決和改善許多傳統(tǒng)農業(yè)問題，如干旱應對、生長調節(jié)、土地適宜性、灌溉和病蟲防治。圖2列出了智慧農業(yè)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(jiān)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(wèi)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(fā)射的SMOS衛(wèi)星和2010年發(fā)射的MODIS衛(wèi)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(yè)不僅浪費了水資源，還會造成土壤營養(yǎng)成分流失等負面影響，使用基于無線傳感器的實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(tǒng)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(yǎng)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(jiān)測作物養(yǎng)分狀況、健康狀況、植被活力和密度，進一步評估土壤營養(yǎng)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(huán)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(wèi)星獲取整個作物區(qū)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(huán)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(tǒng)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(jiān)測、估產

作物監(jiān)測和估產是智慧農業(yè)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(jiān)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(jiān)測的研究并投入到業(yè)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)農業(yè)的生產方式，通過傳感器來控制作物生長環(huán)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(yè)

溫室農業(yè)是最古老的智慧農業(yè)。在受控環(huán)境下，種植的作物受環(huán)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(jiān)測參數的精度、大棚的結構、覆蓋材料、通風系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等。精確監(jiān)測環(huán)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(jiān)控平臺主要由以下的4個模塊構成(圖3)，物聯網是該系統(tǒng)的重要支撐［10］。

2．2垂直農業(yè)

垂直農業(yè)VF(VerticalFarming)是未來解決耕地和水資源短缺挑戰(zhàn)的方案之一。VF以城市農業(yè)的形式將作物垂直安放在一個環(huán)境更受控制的農業(yè)工廠內，這將顯著減少資源消耗。與傳統(tǒng)農業(yè)相比，只需要占用很少一部分地面(取決于堆棧的層數)，企業(yè)可以成倍增加生產(圖4)。Aerofarms公司以農業(yè)堆棧技術專利，創(chuàng)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(tǒng)，形成一個強大的數據循環(huán)。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(xù)改進。該農場的年生產率是傳統(tǒng)田間農業(yè)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(huán)灌溉系統(tǒng)，作物需要的營養(yǎng)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(huán)境可控，作物成熟期可圖3溫室大棚管理系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(huán)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(tài)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(yè)工程人員開發(fā)了多種自動控制系統(tǒng)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(huán)境之間的關系。國內外多家公司研發(fā)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(tǒng)、便攜式葉綠素熒光測量與成像系統(tǒng)、便攜式植物光譜與高光譜成像測量系統(tǒng)、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(yè)重要的新途徑。

3智慧農業(yè)物聯網的發(fā)展和挑戰(zhàn)

基于物聯網的智慧農業(yè)在農業(yè)規(guī)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(yè)價值，就要像其他行業(yè)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(yè)以及高技術公司，制定了宏偉的計劃并持續(xù)推進(表1)。從表1可以看到，基于IOT的智慧農業(yè)發(fā)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(zhàn)。

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(tǒng)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(huán)境下，傳感器承受惡劣環(huán)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(qū)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(yè)技術，分析了智慧農業(yè)IOT的幾種應用能力。從廣泛意義上講，智慧農業(yè)還包括電子商務、食品溯源、農業(yè)休閑旅游、農業(yè)信息服務等內容，發(fā)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(yè)前沿應用場景。雖然挑戰(zhàn)一直存在，但國內外眾多的高科技企業(yè)持續(xù)看好智慧農業(yè)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(yè)科學院遙感與數字農業(yè)研究所