農業4.0 時代的農業物聯網技術應用及創新發展趨勢＊

閆 雪，王 成，羅 斌(1.北京農學院，北京 102206；2.北京農業信息技術研究中心，北京 100097)

農業革命的產生和發展主要經歷了農業1.0時代（以體力勞動生產為主的小農經濟時代）、2.0 時代（以農業機械種植生產管理為主，適度工業化經營的大規模種植戶的時代）以及3.0時代（以現代科技農業生產為主要特征的農業時代），現在已經進入發展更迅速的農業4.0 時代，是一種完全融合互聯網技術的高度智能化種植生產管理模式。農業4.0 是以物聯網、大數據、移動互聯網、云計算等信息技術為基礎支持和手段的現代農業新技術形態，是繼傳統信息農業后走向更高發展階段的產物。為建設和發展國內智慧農業，實現農業信息化和農業安全高產的持續發展，必須充分掌握和利用物聯網、信息化、智能化等技術，打造集生產、加工、流通等主要環節為一體的農業管理體系[1]。在農業中，物聯網技術主要廣泛應用于農業生產管理，通過先進的射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等設備手段，把任何一種物品與移動互聯網相連接[2]，實時監控和采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、位置等信息，通過互聯網接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對任何一種物品和過程的智能化信息感知、識別和管理。物聯網3 個基本特征分別是整體感知、可靠傳輸和智能處理[3]。農業物聯網體系架構圖如圖1 所示。物聯網在推進智能化農業方面的研究發展和應用，對中國農業邁向智能化、可持續化具有重要的促進作用和指導意義[4]。

農業物聯網關鍵技術

信息感知技術

圖1 農業物聯網體系架構

信息感知技術是農業物聯網的基礎，它是實現物聯網信息“全面感知、無所不在”的一種手段。農業信息感知技術主要用于采集農業要素信息，分為電化學感知[5]、光學感知[6]、電感知[7]和遙感感知[8]。傳感器技術是信息感知技術的核心所在，隨著互聯網技術的快速發展，不斷涌現出采用新材料、新機理、新工藝的新型傳感器，以實現高靈敏度、高適應性、高可靠性、微功耗、低成本。未來傳感器技術將朝著微型化、智能化和集成化變革。

信息傳輸技術

傳輸技術指通過運用不同信道的傳輸能力和傳輸效率，使數據信息向應用層可靠傳輸，對應用層管理決策具有直接影響，是較為關鍵的中樞環節。信息傳輸方式主要包括有線信息傳輸和無線信息傳輸，無線傳輸以其無需布線、組網靈活、綜合成本低、維護費用少的優點得到廣泛應用。農業現場總線是在現代農業物聯網中應用最廣泛的一種有線傳輸技術，具有保障系統正常運行的高可靠性和數據實時性兩大優點，適用于現代農業復雜的生產和運行管理環境。與無線通信技術相比，有線通信的最大優點是數據傳輸穩定、速度快。在現階段科技水平不斷提升的背景下，也為無線通信技術發展奠定了良好的基礎，不斷優化升級無線通信傳輸信號強度及質量，顯著提高了其抗干擾性，更好地保障農業物聯網傳輸層的高效運行。

信息處理技術

信息處理技術是指通過傳感器等信息識別技術采集數據，通過計算機處理發現新信息，指導用戶操作。常見的信息處理技術包括云計算、大數據[9]和智能信息處理技術。云計算技術具有規模大、可行性高、穩定性高的特點，可以有效處理海量信息的存儲、計算問題。大數據技術可以在整個物聯網產業鏈的信息挖掘和評價中發揮作用。智能信息處理技術利用人工智能技術對獲取的信息進行處理，以解決傳統方法難以解決的復雜問題。

農業物聯網技術特點

基于上述技術，農業物聯網也在農業領域發揮著重要作用和優勢，主要體現在以下方面：

（1）數據實時監測。通過傳感器組網，實現農業生產環境信息、氣象信息、作物生產信息的遠程、實時、精準監測和采集，有效降低人力資源投入，為生產管理決策提供數據支撐。

（2）設備遠程控制。通過數據監測與分析，結合現場執行機構，對環境調控設備及生產設備進行遠程控制，實現基于監測數據的快速決策和反應，提高管理效率。

（3）預警功能。針對不同作物、不同發育周期生長特性，進行條件閾值設置，當某一監測數據超過閾值，進行自動報警，實現對異常狀況的快速反應。

（4）數據記錄和分析。應用物聯網系統，可實現現場監測數據及設備作業情況的實時存儲與查看，用戶可根據歷史記錄進行輔助決策指導，實現有針對性的綜合信息服務，提高管理水平。

當然，作為一項新興的信息技術，物聯網技術得到了越來越廣泛的應用，但也存在不足之處，制約著技術的應用和發展，具體包括：

（1）農業物聯網技術標準體系不夠完善。由于農業生產環境的多樣性及復雜性，行業尚缺乏統一的技術標準體系，導致物聯網各類傳感器、設備接口、網絡協議、數據模型等標準不一，國家應盡快制定框架技術標準體系，統一技術標準和評價體系，構建全網統一的運營平臺。

（2）產業鏈條不夠完善。國內物聯網產業鏈完善度與發達國家之間還存在較大差距，需要芯片商、傳感器設備商、系統解決方案商及移動運營商等上下游、全鏈條的積極配合。

（3）高技術人才欠缺。技術推廣不到位，制約物聯網在農業方向的發展和應用。

農業物聯網技術的創新發展

優化創新農業物聯網信息感知技術

信息感知技術的發展是促進物聯網農業發展的重要技術關鍵，是對物聯網信息感知應用的重要技術基礎。為了進一步提高對物聯網信息感知技術的實際應用和效果，應該對物聯網傳感器和其相應的信息感知技術進行創新及應用優化，針對某些特殊作物需要研究出有針對性的物聯網傳感器[10]。同時還應重點研究開發具有高靈敏度、高環境適應性、高可靠性的物聯網傳感器，并向農業模塊化、微型化、智能化的方向快速發展，攻克傳統的制造技術，完善制造技術工藝，提高對環境的適應性和檢測的準確性，在新生物材料技術應用的水平上，生產制造技術工藝與產業化制造技術，也都需要逐步形成明顯的市場競爭和優勢。

深入發展農業智能信息處理技術

通過大數據、云計算等新技術在農業物聯網中的應用，深入研究深度機器學習的算法，結合卷積神經網絡[11]、深度神經網絡[12]、遷移學習[13]等算法用在農業作物的形態學[14]、病態學[15]、生長環境信息學等相關技術方面的研究和檢測，可有效提高檢測和識別的準確率。與其他傳統的機器學習技術相比，深度機器學習技術可以更好地分析和提取現代農業領域所采集得到的圖像和各種生物學特征的深度結構化檢測數據，并與現代農業機械有效地結合，更好地支持現代農業領域智能機械和自動化裝備的有效應用發展。

規范農業物聯網標準

農業物聯網應用程序涉及的硬件類別廣泛、標準缺乏相互統一，導致農業數據接口和設備的系統相互兼容性存在很大的問題。不同的物聯網應用程序需要不同應用類型的軟件開發以及不同應用類型的數據中心硬件接口和設備的相互兼容性，難度明顯有所增加，后期難以繼續擴展。農業物聯網的重點任務是建立統一標準化農業物聯網的技術和接口標準，研究與農業物聯網相關的基礎技術標準和能夠在行業實際應用的標準，能夠有效促進不同的網絡和技術的相互融合和發展。進一步掌握農業物聯網在中國農業信息市場的地位和控制權，加強與國際的合作，積極參與推進國際標準體系建設，借鑒和推廣引進國際先進的標準。

降低物聯網設備成本 加強建設相關平臺設施

農業物聯網配套應用平臺的建設和應用可以很大程度上幫助廣大農民更好地開展物聯網應用工作。目前，物聯網平臺相關配套應用設備的價格偏高，不利于物聯網平臺的開發和建設，應該適當降低平臺設備的價格和成本。目前，農業物聯網的應用領域還不夠廣泛，存在與現有的農業物聯網監測服務對象直接結合的物聯網技術存在缺陷的問題以及物聯網應用范圍相對不足的技術安全問題。農業物聯網應用平臺功能的完整性和應用的全面性，直接影響農業物聯網應用平臺的安全性和實際效果。因此相關技術管理部門的建設應該綜合考慮農業物聯網的功能自動化、智能化和系統集成化，為了最大限度地保障和提高物聯網工作應用環境的安全性和穩定性，要及時建立和調動起各相關技術部門之間的有效協作聯系，提高對物聯網有關信息和數據的綜合處理分析能力，保證農業物聯網相關技術的應用可以更加高效地為農業生產提供服務。

加強配套專業人才隊伍建設

近年來，物聯網技術發展已經取得了長足的發展和進步，各行各業對于物聯網工程技術專業人才的培養需求都很大。物聯網的跨領域學科技術特性直接決定了復合型物聯網發展所需要的物聯網人才必須是一批具有多領域、多學科知識背景的專業復合型人才，要求首先要完善多層次、多學科類型的物聯網技術人才培養和就業服務體系；其次，積極支持高校、科研院所、企業加強物聯網跨領域學科的融合，加強高校物聯網重點學科建設，培養一批復合型的物聯網工程技術專業人才；第三，積極支持物聯網實訓基地的建設，鼓勵高校和企業加強合作，發揮專業學會和協會的作用，加強對物聯網的技能和業務培訓，從而提高物聯網專業人才培養的水平，加強配套專業人才隊伍的建設。

農業物聯網在設施園藝領域應用

圖2 設施生產物聯網系統結構

圖3 環境參數獲取設備圖

隨著國內城市化進程的發展，“都市型農業”獲得了前所未有的發展機遇，設施農業生產規模和面積得到了快速增長，目前中國設施農業面積超過400 萬hm2，位居世界第一位。隨著生產規模的擴大，生產技術水平也得到了迅速提升，新興物聯網技術在設施生產中得到了逐步應用，形成了設施生產物聯網系統應用新模式，利用不同的環境、生理等傳感器，準確采集環境因子和作物生長信息，然后通過計算機數據分析及決策模型，由計算機發出指令，使設備按規律運行，調節設施溫度、濕度、光照、CO2濃度等參數到作物適宜的生長范圍，在一定程度上擺脫設施生產對自然環境的依賴，如圖2 所示。

國家農業信息化工程技術研究中心在青海省互助國家高原現代農業科技示范園中的溫室搭建了設施環境物聯網監測調控系統，該系統包括設施環境綜合調控系統、室外氣象環境監測系統、無線植物生理生態監測系統、視頻語音對講系統、DID 液晶大屏幕顯示系統、物聯網遠程控制系統。作物生長及環境信息綜合獲取部分用于獲取室外氣象、室內土壤及空氣環境、作物生理及健康狀況等信息，為精確控制提供數據支撐，如圖3～4 所示。數據傳輸及云存儲部分采用無線及遠程傳輸技術，實現現場級和云端的遠程傳輸及存儲，可提供基于WEB 端和移動設備端的服務，如圖5 所示。設施環境控制部分基于獲取的環境和作物信息進行決策，對現場環境調控設備進行有效控制，實現多參數信息耦合的溫室環境智能化調控，如圖6 所示。

生產實踐證明，通過農業物聯網技術的應用，園區設施生產收入得到了有效提升，扣除新增成本，純收入增加15% 左右，節水30% 左右，節約藥、肥20% 以上，人工投入大幅度降低，生產經營管理科技水平得到了明顯的提升，體現了非常好的應用效益和效果。

圖4 視頻監控設備圖

圖5 環境信息數據展示界面

圖6 溫室環境自動監測控制系統圖

總結

中國現代農業4.0 時代的形成和發展需要充分利用互聯網和現代化信息技術手段，加快其從傳統農業向互聯網現代農業的轉型。具體來說，應該以移動互聯網、物聯網、大數據、云計算等信息技術應用為基礎，重點突破農業物聯網所涉及的數據采集、高效存儲、處理分析、深度挖掘應用等核心技術，實現農業生產、采后加工、儲運、流通、銷售服務等全過程的自動化監控和信息化管理，節省人力資源，提高效率和產出。設施園藝是勞動技術密集型產業，具有高效、集約、可控和可持續發展的特征，是現代農業的重要標志之一，是未來現代農業發展的重要任務和必然選擇。近年來，在政策和市場需求的雙重拉動作用下，設施園藝迅猛發展。為設施園藝可以得到長足發展，仍需加強政策引導，優化設施園藝發展環境；明確各地區發展目標，促進設施園藝的高水平發展；加強科技研發，提高自主創新能力；注重人才培養，為設施園藝健康可持續發展提供人才保障。未來，應用農業物聯網技術，可以實現全方位農業生產及科研數據的獲取與分析，通過深入挖掘數據，結合人工智能調控模型，實現智能化生產作業和管控系統以及智能化裝備的廣泛應用，提高作業水平和管理決策效率，為推動未來國內農業技術水平發展進步創造更多價值。