物聯網技術在設施農業中的應用

閻世江，張京社，柴文臣

（山西省農業科學院蔬菜研究所，太原，030031）

物聯網技術在設施農業中的應用

閻世江，張京社，柴文臣

（山西省農業科學院蔬菜研究所，太原，030031）

從物聯網的概念、國內外物聯網技術應用的現狀等方面論述了物聯網技術在我國設施農業中的應用情況，分析其中的不足，并提出解決的方法，展望了未來設施農業物聯網技術的發展前景。

物聯網技術；設施農業；應用

近年來，隨著農業物聯網技術的不斷發展，其應用已經涉及農、林、牧、副、漁及農產品加工、運輸與流通等多個領域。其中以設施農業的發展最為迅速，這是因為設施農業是在人為可控環境下進行的農業生產，更有利于物聯網技術發揮其精準高效的特性，因此設施農業物聯網技術的推廣應用成效最為顯著，前景十分廣闊。筆者從事設施農業生產多年，致力于研究物聯網技術在設施農業中的應用，通過查閱資料、走訪調查，從多個角度闡述物聯網技術在設施農業中的發展、應用情況，以期為我國農業的發展貢獻自己的綿薄之力。

1　物聯網的概念

物聯網（Internet of things）一詞是美國麻省理工學院的Kevin Ash-ton教授在20世紀90年代研究無線射頻技術時提出來的，通俗的講，其是指在“互聯網概念”基礎上，物與物之間進行信息交換和通訊的一種網絡概念。其中射頻識別（RFID）是能讓物品“說話”的一種技術，通過無線數據通信網絡把物品信息集中到處理系統實現分析和處理，并且能通過開放性的計算機網絡實現信息的交換和共享。2005年國際電信聯盟（ITU）發布的《ITU互聯網報告物聯網》中，物聯網的定義和范圍進一步擴大，是指由RFID、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備按協議把任何物品互相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念［1］。

所謂農業物聯網是指物聯網技術在農業中的應用，具體有農作物生產、農產品經營、設施管理和信息服務等，它利用各類傳感設備，采集相關信息，通過無線網絡、移動通信無線網和互聯網傳輸，在智能化操作終端顯示，實現了農業產前、產中、產后的全過程監控，以利于我們科學決策［2］。

2　物聯網技術在國外設施農業中的應用現狀

物聯網技術誕生在國外，因此國外設施農業物聯網發展較快，20世紀90年代后期就有較多報道，如英國研發的禁止外來人員非法進入設施的警報系統和溫室內溫度調節系統、遠程灌溉系統等；日本研究名為“Open Plannet，OP”的監控系統，實現了溫室環境和視頻的實時動態監控［3］；荷蘭研究的花卉植物生長控制系統；美國加州研發的草莓培育物聯網系統，能夠實時監測草莓生長情況及土壤、環境空氣的溫濕度變化，自動控制施肥與澆水。

在體會到物聯網技術的優勢后，一些發達國家大面積推廣這一技術，除對農作物的生長環境進行監測外，還對使用農業機械、后續的加工、物流進行監控，使物聯網技術的應用更加完善［4］。應用成熟的有英國的農業管理與決策系統、美國的作物決策系統等［2］。其中，尤其值得我們學習的是這些國家將農業知識與應用系統有效結合，采集大量第一線數據，為育種、土壤水肥管理、病蟲害防治、農產品采收加工、物流等全過程提供信息化的服務。

3　我國物聯網的研究

我國物聯網的研究晚于國外發達國家。2011年，國家農業部發布了《全國農業農村信息化發展“十二五”規劃》，標志著國家級物聯網應用示范工程立項并開始啟動，2013年，上海、天津、安徽成為我國農業物聯網區域試點［5］，標志著我國農業物聯網發展駛入快車道。

3.1我國物聯網技術發展情況

據統計，全國已有8個省（區、市）承擔了國家級物聯網應用示范工程和農業物聯網區域工程，通過實施取得了階段性成果，也帶動了周邊地區農業物聯網的發展。其中有代表性的如北京市開展了農業物聯網在農業用水管理、環境調控、設施農業等方面的應用示范［6］；江蘇省開發了基于物聯網的智能農業管理平臺，側重對設施農業、豬的養殖環境監控，實現了自動化，并開始推廣［7］；天津市建設了總面積逾 667 hm2的核心試驗基地，開展了約1 000棟節能溫室的示范應用，建成了農業物聯網平臺，研究了設施環境信息監督、智能化控制與管理等物聯網技術。此外，國內許多企業也參與到農業物聯網的研發中，如北京紫藤連線科技有限公司、大唐移動通信設備有限公司等在開發硬件的同時，還提出了整體解決方案，以適應客戶的生產需要［8］。上述系統的基本結構類似，如圖1所示，即在溫室中安裝傳感器，通過無線網絡與手機網絡、互聯網相連，使用戶可以通過手機或電腦訪問該網絡，實時監控溫室的情況，如溫度、濕度、作物生長等，也可以與專家在線交流。

3.2物聯網技術在設施農業中的應用

物聯網技術是以傳感器為基礎，設施農業物聯網常用傳感器包括光照傳感器、濕度傳感器、壓敏（流體）傳感器以及生物生長特性傳感器等。另外，CMOS圖像傳感器（攝像頭）也可用于監控作物的生長。在設施內安裝探測溫度、濕度、光照、CO2濃度等的無線傳感器、攝像頭，將若干傳感器與控制器鏈接，可實時查看溫室內的溫度、濕度、光照、CO2濃度等信息。

傳感器采集數據后，通過數據采集傳輸技術、電子標簽技術、云計算等，將數據反饋給控制系統和執行系統，由計算機控制溫室的施肥、灌溉、門窗開閉、溫度升降等。園區管理者可以通過手機或電腦了解溫室的情況，并遠程控制調節溫度、濕度、光照、CO2濃度的設備，提高工作效率［9］。

采用傳統種植方式，溫室內用工多、工作繁重。而現在，工作人員通過物聯網收集數據，可實時監控溫室作物的生長參數，了解作物不同生長階段應采取的栽培措施，及如何提高產品的營養品質、風味品質和外觀品質、降低農藥殘留量等，實現栽培技術的精確控制。如遇到解決不了的問題，用戶可以登錄農業物聯網信息平臺，將相關農業生產現場參數上傳到云計算中心，中心經過選擇后，篩選出對應的專家進行指導，并將相關信息發送到用戶的手機上，用戶就可以與專家進行遠程交流了。

4　設施農業物聯網面臨的問題及應對舉措

從總體上看，設施農業物聯網是一項復雜的系統工程，目前主要在設施農業示范園區中應用，距離大規模應用還有很長的路要走。筆者經過分析發現我國設施農業物聯網存在以下3個方面的問題。

4.1專用傳感器的缺乏

眉痕似斂秋娘怨，夢里唧愁應遠。掩抑惜春心，又黃昏庭院，輕聲情款款。強笑語玉柔花婉，河枊歌殘，離筵酒盡，長街月滿。

如前所述，傳感器是物聯網技術的基礎，但國內生產的農用傳感器質量參差不齊，性能差、監測數據不準確且沒有合適的標準，因此，傳感器只得依賴進口。正如農業部信息中心主任李昌健所說：“我國農用傳感器種類不到世界的10%，市場上主要為進口設備，應在覆蓋面、適用性上下功夫［4］。”

我國相關企業、科研單位應加大傳感器的研發力度，研制具有我國自主產權的農業傳感器。

4.2資金的缺乏

設施農業物聯網要求有配套的基礎設施，而這一建設需要的資金較多，維護更新的資金也較多，投資回報周期長。目前，我國的設施生產多以小農戶為主，對于一家一戶的經營來講，物聯網設施所需資金偏高［5］，大面積推廣仍有一定的難度，只有等經營達到一定的規模才有可能應用。

針對建設資金缺乏的情況，建議以政府投入為主，采取政府補貼的形式，據報道，有關部門正在準備建立農業信息補貼制度，以加快農業物聯網的推廣［5］；同時應積極引入社會資金，使投資多元化。

4.3軟件產品研發的缺乏

建議科研人員借鑒國外的經驗，認真分析，結合我國農業物聯網發展情況，開發相應的軟件，對搜集的數據進行充分加工利用。

5　未來研究的方向

未來設施農業物聯網的研究可以從以下5個方面入手。

5.1打造一批農業物聯網關鍵技術和設備

著力研制運行穩定、壽命長的傳感器，開展農業物聯網技術系統的自主研發，加強動植物生長過程的數字化監測。

5.2注重數據的分析

通過分析各類型數據發現農作物生長規律，建立設施作物生長管理模式、病蟲害防治模式等［10，11］。

5.3研究和制定一批農業物聯網行業標準

聯合各單位，研究和編制農業領域專用條形碼（一維碼、二維碼）、電子標簽等的使用規范。

5.4形成可推廣的技術模式

針對設施農業、農產品質量安全、農產品電子商務等的監測監控，開發相應的全過程管理系統，構建全程技術服務體系。

5.5培育農業物聯網產業

按照引進、消化、吸收、再創新的模式，積極推進農業物聯網設備制造、軟件開發及相關服務，培育產業化研究基地、中試基地和生產基地，積極推廣這一技術，促進其發展。

［1］姚世鳳，馮春貴，賀圓圓，等.物聯網在農業領域的應用［J］.農機化研究，2011（7）：190-192.

［2］余欣榮.物聯網改變農業、農民、農村的新力量農業物聯網知識讀本［M］.合肥：安徽科學技術出版社，2012：63-64.

［3］張唯，劉婧.設施農業種植下物聯網技術的應用及發展趨勢［J］.科技廣場，2012（1）：238-241.

［4］唐珂.國外農業物聯網技術發展及對我國的啟示［J］.中國科學院院刊，2013，28（6）：700-707.

［5］喬金亮.物聯網如何和農業更好結合［N］.經濟日報，2013-11-5（13）.

［6］許世衛.我國農業物聯網發展現狀及對策［J］.中國科學院院刊，2013，28（6）：686-692.

［7］劉家玉，周林杰，荀廣連，等.基于物聯網的智能農業管理系統研究與設計——以江蘇省農業物聯網平臺為例［J］.江蘇農業科學，2013，41（5）：377-380.

［8］李作偉.物聯網技術在設施農業中應用的調查研究［D］.鄭州：河南科技大學，2012.

［9］李作偉，丁捷，毛鵬軍.設施農業物聯網關鍵技術及工程化應用探討［J］.農業工程，2012（2）：35-38.

［10］臧賀藏，王來剛，李國強，等.物聯網技術在我國糧食作物生產過程中的應用進展［J］.河南農業科學，2013（5）：20-23.

［11］馬興，王巍，韓潔，等.以物聯網技術加快實現農業現代化［J］.山西農業科學，2011（4）：376-378.

Application of Internet of Things Technology on Facility Agriculture

YAN Shijiang， ZHANG Jingshe， CHAI Wenchen
（ Vegetable Research Institute， Shanxi Academy of Agricultural Science， Taiyuan 030031 ）

This paper discussed the application on facility agriculture of internet of things technology from the concept and the applications present situation of Internet of things technology at home and abroad， analyzed shortcomings of this technology， came up with new solutions， also looking forward to the development prospects of IOT technology on future facility agriculture.

Internet of things technology； Facility agriculture； Application

10.3865/j.issn.1001-3547.2016.20.017

S126

A

1001-3547（2016）20-0041-03

2014年山西省農業綜合開發科技推廣項目；山西省科技攻關項目（20140313021-4）

閻世江（1975-），男，博士，從事蔬菜遺傳育種研究，

電話：13734006794，E-mail：syauyan@163.com

2016-08-02