農業物聯網在新疆棉花產業中的應用與發展—以農八師一五〇團為例

張振國，呂全貴，張學軍，郭俊先，許紅軍，杜　駿

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊　830052；2.新疆農業大學林學與園藝學院）

農業物聯網在新疆棉花產業中的應用與發展—以農八師一五〇團為例

張振國1，呂全貴1，張學軍1，郭俊先1，許紅軍2，杜駿1

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農業大學林學與園藝學院）

摘要：為解決新疆農業物聯網綜合利用程度不高的問題，文中介紹了目前農業物聯網中關鍵技術研究進展，同時以新疆農八師一五O團為例，對其棉花產業對農業物聯網的應用進行了分析，并針對農業物聯網在新疆的應用過程出現的問題進行了分析，提出了相應的解決策略。最后對一五O團的棉花產業的發展進行了總結。

關鍵詞：農業物聯網；棉花產業；應用

農業物聯網技術的應用是現代農業發展的需要，也是未來農業發展水平的一個重要標志，它將是未來農業發展的方向。農業物聯網是將大量的傳感器節點構成監控網絡，通過各種傳感器采集農業信息，幫助農民及時發現田間地塊存在的各種問題，并且精確確定發生問題的具體位置，將以人為中心、依賴于農業機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備[1-2]。近年來，隨著智能農業、精準農業的發展，智能感知芯片、移動嵌入系統等農業物聯網技術在農業中的應用也在慢慢地拓展。通過無線傳感器網絡可以大幅度地降低人力消耗，獲取精確的農作物環境和作物的全信息，從而借助各種自動的生產設備，科學地監測農田的全信息，實現科學監測和種植[3-5]。農業物聯網技術可以精確地控制農作物的長勢，使其能夠更好地適宜農作物的生長，提高農作物的品質，有利于實現農作物的高產，大幅度地提高農作物抗御災害的能力[6]。

新疆生產建設兵團農八師的一五○團優越的地理位置，良好的氣候和水土資源為農業的發展提供了基礎前提。一五○團交通方便，有利于農業經濟信息的收集、反饋以及農業物資的運輸。雖然近幾年的農業生產集約化水平，機械化，規模化程度不斷提高，但現場管理和操作（如播種，灌溉，施肥，噴藥等）的不當造成了資源的浪費，影響了區域生態環境和農產品質量[2-4]。為了實現高產量、高質量和農業的可持續發展，必須大力發展農業物聯網技術，運用科學的方法、標準化的管理體系和充分利用信息和智能化管理技術，建立農產品生產、加工、流通的體系。

新疆兵團在棉花的精確種植中利用自主開發的農業技術軟件產品與引進的硬件平臺組裝成配套的技術體系，應用在棉花精量播種、節水滴灌、變量施肥、病蟲害預報與防治、長勢監測等決策中，形成適合新疆的棉花生產管理智能化的決策系統，同時與變量作業機具組裝配套進行推廣示范，市場前景非常廣闊[7]。

1　農業物聯網關鍵技術研究進展

農業物聯網把感應器嵌入農業機械、土地和灌溉系統等各種體系中，然后將“物”與互聯網整合起來，通過智能分析，進行實時的管理和控制[8-11]。農業物聯網在現代農業中的應用體現在一下3個方面：

（1）應用無線傳感器網絡進行精準農業控制系統的建立。用無線傳感器網絡檢測農作物的全信息，監測農作物生長的全過程，并對土壤的溫度濕度、風速、作物生長情況等數據信息處理，為農業專家及農民進行決策并制定農田變量作業處方提供數據源和參數，也可自動觸發相關行為，如智能灌溉或自動調節溫度，保證作物良好的生長環境。

（2）應用RFID技術建立現代農作物供應鏈跟蹤與可追溯體系。將RFID技術用于農作物的個體進行標識，并結合無線傳感網絡、手持移動設備和PC機數據庫技術等構建RFID農作物管理信息系統以跟蹤產品的生產、加工、批發以及零售等各個環節，實現農作物數據的有效追溯和數據及業務的共享。

（3）農用傳感器還可以應用于移動信息裝備制造產業、農業資源管理、農業信息網絡服務產業、農業自動識別技術與設備產業、農業精細作業機具產業和農產品物流產業，實現農業生產自動化、智能化。

2　農業物聯網在農八師一五○團棉花產業領域的應用

農八師一五○團棉花種植面積1.1萬hm2，其優越的地理位置，良好的氣候和水土資源為農業的發展提供了基礎前提，其實現的物聯網的技術體系結構分為感知層、網絡層和應用層三個層次。

2.1感知層的應用分析

感知層用于采集包括各類物理量、身份標識、位置信息、音視頻數據等物理世界中發生的數據。物聯網的感知層采集涉及傳感器、RFID（射頻識別）、全信息采集和實時定位等數據[8-11]。目前，我國擁有自主知識產權的有線和無線傳感器有溫室內部視頻信息監測傳感器、作物生理生態監測傳感器、溫室外部氣象數據監測傳感器和溫室內部環境監測傳感器。另外，還有農產品物流配送監控和營養液成分感知等設備。

在培育棉苗的智能溫室里農業物聯網的感知層根據棉花全過程對感知設備提出不同的要求，按棉花萌發氧氣、水分、光照、溫度等四大要素部署，其穩定性、準確度、精度等性能均能滿足棉花農業生產的具體要求。無線和有線傳感器能實時測出溫室內部的溫度，實時采集溫室的光照強度、溫濕度、營養液等參數。根據光度、溫度數據，可以進行拉起遮陽網等遠程環境調整；根據氧氣數據，可以實時掌握溫室內氧氣的濃度，避免氮氣、氯氣過高影響棉苗正常生長；通過濕度數據，可以調節室內濕度；根據不同的育苗環境，可以調節合適的營養液濃度[12]。

農八師一五○團與石河子大學在農業信息技術及科技服務方面緊密合作，共同推動農場現代農業經濟蓬勃發展。雙方在作物灌溉遠程控制、農田信息監測、作物綜合管理等軟硬件開發與推廣有深入合作。在這其中就大量應用了農業物聯網感知層的知識。主要運用的技術有自動化滴管系統、科學施肥、良種良法、地膜覆蓋栽培、節水農業、綜合植保、人工影響天氣、培肥地力、精準施肥技術、精準種子工程、精準播種技術、精準灌溉技術、精準收獲技術和田間作物動態檢測技術，使農作物單產大幅提高。

圖1　農八師一五〇團近六年棉花單產量

（1）農田地理信息。通過采樣和數據之間的農業生產資料，可以了解合適的作物品種以及一些管理措施和作物栽培過程（如施肥，灌溉等）需求。包括作物品種、作物營養與施肥、作物灌溉、化學調控、管理水平、棉花產量、投入產出水平等數據。

圖2　農田氣象采集器

（2）農田氣象信息。收集近30年的氣象資料，包括經度和緯度、海拔、日照強度、日平均氣溫、最高、最低溫度、有效積溫、降水、春秋時期，初霜、晚霜、無霜期和地熱數據，對棉花生長發育及產量進行分析。氣象采集器用于對大氣溫度、相對濕度、風向、風速、雨量、氣壓、太陽輻射和土壤溫濕度等氣象要素進行全天候的現場監測，通過手機與氣象中心計算機進行通訊，將農田氣象的實時數據傳輸到氣象中心的數據庫中，用于對農田的氣象數據進行統計分析，如圖2所示。

（3）農作物長勢信息。農作物長勢信息是實施精準農業所需的重要信息。結合田間信息，利用遙感和遙測技術，在棉花生長的一些關鍵期對農作物的長勢全過程進行系統的監測[13]。通過這些信息可以決定是否有必要加強如施肥、灌溉、病蟲害控制等措施。農田移動視頻監控探頭主要用于對棉花的苗生長狀況進行實時監控，使技術人員能夠實時的了解棉花棉苗的生長情況，這套系統將衛星遙感技術與地面傳感、無線通信技術有效結合，實現了實時、動態、連續監測，如圖3所示。

圖3　農田移動視頻監控探頭

蟲情測報燈主要用于實時監測棉花生長期間的病蟲害情況，使工作人員能夠更加有效地做好植保工作。該燈利用光電技術實現自動誘蟲、殺蟲、分裝等功能。同時，可配備風速風向、環境溫度濕度、光照等多種傳感器接口，在需要時監測環境參數，并可通過GPRS（通用無線分組業務）上傳數據。以監測環境與病蟲害之間的關系。

圖4　蟲情測報燈

（4）GPS（全球定位系統）定位信息。GPS定位信息的使用是精準農業區別于傳統農業的一個重要特征。GPS系統在精確農業實施過程中異常重要。首先將農田信息采集點進行精確的定位，進行基本格網劃分，然后輸入GIS（地理信息系統）進行動態GPS定位；同時依據農業信息采集和專家系統提供的農機作業路線及變更作業方式的空間位置，使農機自動完成對農作物生長全過程的控制，如圖5所示。

圖5　GPS定位信息

2.2網絡層的應用分析

網絡層完成大范圍的信息溝通，主要借助于已有的廣域網通信系統，把感知層感知到的信息快速、可靠、安全地傳送到全球各地，使設備能夠進行遠距離、大范圍的通信。利用控制器、執行器與網絡終端可以控制室內的設備，并利用它們維持室內適宜的環境，然后反向傳播網絡應用層的產量決策信息。

根據新疆農業生產規模化、現代化、集約化的特點，農八師引進農業專家系統開發平臺(PAID 3.0)進行二次開發，形成了以棉花為主的基于Internet的開放分布式專家系統。開發出的農業專家系統具有界面友好、圖文并茂；數據錄入和結果輸出可視化的特點，同時具有GIS的功能，使平臺擁有圖形顯示、面積測算、縮放漫游、數據自動獲取和各種查詢的功能。截止到目前，兵團已開發關于棉花綜合管理專家、生長模擬專家、病蟲害診斷防治多媒體等系統和利用TM影像空間數據與地理信息迭加建立的團場地理信息系統。

圖6　數據監控系統

兵團通過長期積累建立了示范區產量數據庫、氣候資料數據庫、土壤肥力數據庫、棉花不同生長期的光譜數據庫，積極地開展棉田膜下自動控制滴灌系統的應用研究[14]。其中一五〇團棉花智能監控系統，感知層的各個傳感器搜集的有關棉花長勢情況的數據會傳輸至此系統，進行整理并通過網絡傳輸給專家分析，如圖6所示。

2.3應用層的分析應用

應用層具有完成農作物區信息的匯總、協同、共享、互通、分析和決策的功能。應用層最終完成農作物與人的交互，前兩層將農作物的全信息收集起來，集中到應用層進行統一的分析、決策，用于支撐跨行業、跨應用、跨系統之間的信息的協同、共享、互通，從而大幅度地提高農業信息的利用程度，更好地為農民及加工企業服務。

此層主要是用于對收集的數據進行分析和總結，并反饋控制下一步。總結年度棉花標準化生產技術方案，提供專業、系統的應用服務，形成智能化的解決方案。農八師利用引進農業專家系統開發平臺（PAID 3.0），可以對棉花的整個生長過程進行實時監控，對出現的問題進行及時的分析，并且做出決策進行調整。首先通過傳感器搜集田地里的信息，包括土壤的溫度、濕度、酸堿度，還有空氣的含氧量、含水量，以及棉花的長勢情況等，然后將這些信息搜集到監控站，農戶將這些信息整合以后通過GPS或者WiFi（無線網絡）傳輸至農業專家系統。相關的農業專家通過對這些信息的分析并且與以往的數據進行對比，能夠及時的做出正確合理的決策，并將這一決策及時的反饋給農戶，使農戶能夠進行及時的調整。

新疆生產建設兵團正在打破條件限制，把農八師一五○團打造成一個智能化節水灌溉科技園。通過與新疆移動的合作，運用物聯網與自動化噴滴灌控制相結合，實現了全場智能化精準灌溉。物聯網技術利用手機短信控制閥門，還可以利用回傳數據記錄、查詢、打印灌溉區域的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌溉歷史，大大提高了管理效率，大幅節約了人力成本。

由于新疆氣候炎熱、干旱缺水，因此節水滴灌技術的廣泛運用正在全面推進新疆的現代農業的發展。通過中國移動信號，農戶可以通過手機控制田地的灌溉水閥。該技術通過手機短信控制田間的自動化滴灌控制閥門，對整個地塊進行灌溉，閥門不僅僅會執行指令，還會通過中國移動的網絡回傳其狀態，整個灌溉地塊的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌水歷史等諸多信息都能夠通過回傳數據隨時記錄查詢。短信的成本約為每年0.7元/667m2。由于各個田垅均減少了田間作業，人工管理費比普通滴灌節約81元/667m2。棉田自動化灌溉系統實現了滴水、施肥電腦自動控制，避免了人工控制帶來的浪費和失誤現象，達到精確滴水、施肥，每667 m2省水肥10%以上，棉花產量提高10%以上，而且節省了人力消耗，降低了勞動強度。

圖7　棉花膜下滴灌自動控制系統

3　農業物聯網在應用中存在的問題及解決對策

在新疆，農業物聯網的發展有一定的技術基礎，但是與國外相比還處于研究階段。農業物聯網對于農戶來說是一個新的概念，這導致農業物聯網在新疆棉花產業的推廣比較困難，農業物聯網應用于新疆棉花產業的比例還遠遠不夠。雖然新疆近年來農業生產水平以及集約化、機械化、規模化程度不斷提高，但是田間管理與作業的粗放和盲目性還普遍存在，造成了資源浪費，影響了區域生態環境和農產品質量[15-19]。

3.1存在的問題

（1）農民的自身素質和人才流失的限制。由于農民普遍素質低，不會使用電腦，因此無法操控物聯網，而且隨著經濟社會快速發展，越來越多的人才開始從事第二、第三產業，從事農業生產的人才越來越少，限制了新疆農業物聯網的快速發展[20-22]。

（2）關鍵技術不成熟。雖然近些年新疆的農業物聯網發展比較快，但是還是存在關鍵的傳感器的準確性、可靠性、穩定性不夠、成本比較高的問題。同時，技術人員對農業物聯網的理解不透徹，因此使用的材料、制造工藝不過關，建立的信息具有局限性和缺陷性，導致農民對農業物聯網的認可度不高，使用的積極性不夠，限制了農業物聯網的快速發展。

（3）農業物聯網建設成本高，制造商參與度低。由于農業物聯網在棉花種植的應用中需要建設大量的基礎設施，而建設這些設施需要大量的資金投入，并且由于這些設備主要工作于田間，易受到空氣的腐蝕和雨水的浸泡，很容易損壞，需要頻繁地更換，這也需要大量的資金投入。同時，沒有大型傳感器生產制造企業、農業軟件提供商、農業物聯網方案運營商、農業裝備提供商的參與，使得農民難以支撐高昂的使用和維護費用[23]。

（4）農產品物流網絡還不健全，缺乏商業化運營模式。新疆的農產品雖然具有較好的品質和很強的競爭力，但由于補貼政策、產業政策、投資政策等缺失、信息網絡建設滯后、物流網和加工儲藏技術的落后，無法形成健全的物流網絡和農產品的溯源機制，無法形成優勢的品牌，致使新疆的優質農產品很難進入國內外的高端市場，無法將產品品質優勢轉化為品牌優勢和價值優勢，農產品附加值不高，農民的收入受到很大影響，積極性不高[24]。而且新疆的優勢農作物的經營缺乏商業化運營模式，政府很難平衡科研院所、企業和農民的各方面的利益分配，導致很難建立有效的商業模式。

（5）農業標準化體系缺失。農業標準化在提高農產品質量安全水平、推進農產品質量認證、實施農產品市場出口、保障人民消費安全和調控農產品國際貿易等方面發揮著重要的作用。但是新疆缺乏農業物聯網的數據標準、接口標準、應用標準、測試標準、維護標準等標準體系，無法有效地約束農產品的各個生產環節，造成農產品各生產環節脫節，無法形成有效地農業標準化體系。因此，要加快推進新疆農業結構的調整，實施優勢產業名牌戰略，建立健全農業標準化體系，加快新疆農業標準化發展的步伐。

3.2解決對策

雖然新疆農業有了快速長足的發展現，已處于我國領先水平，但隨著新疆農業生產效率的不斷提高，在傳統的生產模式下，農業未來發展的空間越來越小，發展變得越來越難，進入了一個發展的瓶頸期，就需要創新思維，改革傳統的生產模式，建立新的生產模式。

（1）大力引進技術人才。農業物聯網作為未來農業發展的主流模式，技術投入巨大，必須由大量各行業技術人才去完成。長期以來，新疆信息產業發展較為落后，信息技術人才缺乏，不利于新疆農業物聯網技術的研發、推廣和實踐，為此，需要政府、科研院所和大型企業在引進技術人才方面加大投入力度，建立起支撐物聯網研發和推廣的技術人才團隊，從而突破新疆農業物聯網核心技術和重大關鍵技術。

（2）建立政府主導的商業模式。政府要加大投入，大力開展農業物聯網示范工程，積極制定農業物聯網補貼政策，加快制定農業物聯網發展的產業政策。對新疆來說，特殊的體制決定了政府在推廣技術方面具有很強的組織動員能力，所以更加適合農業主管部門推動型的模式。由政府出面組織動員全疆農民參與其中，前期的投入就必須由政府出資解決。技術的研發前期可以通過財政支持有研發實力的企業進行物聯網關鍵和核心技術的研發，降低企業研發的投資風險，不僅實現了農業技術的革新，而且帶動了相關企業的發展。基礎互聯網的建設可以和通訊企業合作投入。等運營以后通訊企業可以收取相應的通訊費用，回收企業前期的投入[25]。

（3）加快農業物聯網標準體系建設。健全的物聯網體系可以更好地實現農業產業化，實現財政增收。建立新疆優勢產業從種植到收獲，到最后深加工、銷售的農業物聯網，對推動新疆農業產業發展，增加農產品附加值，實現農民增收大有裨益。

4　結論

農業物聯網技術的推廣應用是一個涉及面廣泛的復雜的系統工程。農業物聯網采集的信息廣泛，需要氣象、環境、檢驗等部門和政府、企業、農戶等進行大量信息的傳遞、共享和分析。如何保證農業物聯網在不同的環節都可以建立信息采集點，有效整合多部門的信息及功能是農業物聯網需要解決的關鍵問題之一。

隨著科技的進步，制約農業物聯網發展的難題將會被逐一解決。未來物聯網在農業上的應用會朝著微小型、可靠型、節能型、環境適應型、低成本和智能化方向發展。農業物聯網的發展必將為現代農業帶來一次全新的革命，更加有效的推動現代農業的發展，實現農業自動化、智能化和集約化。

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The Agriculture Internet of Things Application in Cotton Industry in Xinjiang

ZHANG Zhen- guo1, LVQuan- gui1，ZHANG Xue- jun1, GUO Jun- xian1, XU Hong- jun2, DU Jun1
(1.MechanicalandTrafficCollege,XinjiangAgriculturalUniversity,XinjiangUrumqi830052;2.CollegeofForestryandHorticulture,Xinjiang AgriculturalUniversity）

Abstract:In order to solve the problem of Xinjiang agricultural internet of thingsutilization degree isnot high, the progress of research on Key Techniquesof agricultural network are introduced in thispaper, taking 150th Regiment of Nongbashi as an example, application of the whole processto the cotton industry to agriculture Internet of thingsare analyzed. Then, appear in the application process of the problem of Xinjiang agriculture internet of things analysis, proposed the Xinjiang A-griculture Internet of things solutions. The development of cotton industry in the last 150th Regiment were summarized, have important sense to the development ofthe agriculture of Xinjiang ofthe Internet ofthings.

Keywords:Agriculture Internet of Things; Cotton Industry; Application

通訊作者：呂全貴

基金項目：新疆維吾爾自治區科技支撐計劃(201431118)

收稿日期：2015-01-07

中圖分類號：TP393.1/.4

文獻標識碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.01.012

文章編號：1007-7782（2015）01-0028-06