農(nóng)業(yè)4.0 時代的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展趨勢＊

閆 雪，王 成，羅 斌(1.北京農(nóng)學院，北京 102206；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097)

農(nóng)業(yè)革命的產(chǎn)生和發(fā)展主要經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)1.0時代（以體力勞動生產(chǎn)為主的小農(nóng)經(jīng)濟時代）、2.0 時代（以農(nóng)業(yè)機械種植生產(chǎn)管理為主，適度工業(yè)化經(jīng)營的大規(guī)模種植戶的時代）以及3.0時代（以現(xiàn)代科技農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主要特征的農(nóng)業(yè)時代），現(xiàn)在已經(jīng)進入發(fā)展更迅速的農(nóng)業(yè)4.0 時代，是一種完全融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高度智能化種植生產(chǎn)管理模式。農(nóng)業(yè)4.0 是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)為基礎(chǔ)支持和手段的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)形態(tài)，是繼傳統(tǒng)信息農(nóng)業(yè)后走向更高發(fā)展階段的產(chǎn)物。為建設(shè)和發(fā)展國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化和農(nóng)業(yè)安全高產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，必須充分掌握和利用物聯(lián)網(wǎng)、信息化、智能化等技術(shù)，打造集生產(chǎn)、加工、流通等主要環(huán)節(jié)為一體的農(nóng)業(yè)管理體系[1]。在農(nóng)業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，通過先進的射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等設(shè)備手段，把任何一種物品與移動互聯(lián)網(wǎng)相連接[2]，實時監(jiān)控和采集任何需要監(jiān)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(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)3 個基本特征分別是整體感知、可靠傳輸和智能處理[3]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖如圖1 所示。物聯(lián)網(wǎng)在推進智能化農(nóng)業(yè)方面的研究發(fā)展和應(yīng)用，對中國農(nóng)業(yè)邁向智能化、可持續(xù)化具有重要的促進作用和指導意義[4]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

信息感知技術(shù)

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

信息感知技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息“全面感知、無所不在”的一種手段。農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)主要用于采集農(nóng)業(yè)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(shù)是信息感知技術(shù)的核心所在，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出采用新材料、新機理、新工藝的新型傳感器，以實現(xiàn)高靈敏度、高適應(yīng)性、高可靠性、微功耗、低成本。未來傳感器技術(shù)將朝著微型化、智能化和集成化變革。

信息傳輸技術(shù)

傳輸技術(shù)指通過運用不同信道的傳輸能力和傳輸效率，使數(shù)據(jù)信息向應(yīng)用層可靠傳輸，對應(yīng)用層管理決策具有直接影響，是較為關(guān)鍵的中樞環(huán)節(jié)。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(wǎng)靈活、綜合成本低、維護費用少的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)現(xiàn)場總線是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的一種有線傳輸技術(shù)，具有保障系統(tǒng)正常運行的高可靠性和數(shù)據(jù)實時性兩大優(yōu)點，適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)復(fù)雜的生產(chǎn)和運行管理環(huán)境。與無線通信技術(shù)相比，有線通信的最大優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、速度快。在現(xiàn)階段科技水平不斷提升的背景下，也為無線通信技術(shù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化升級無線通信傳輸信號強度及質(zhì)量，顯著提高了其抗干擾性，更好地保障農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的高效運行。

信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)是指通過傳感器等信息識別技術(shù)采集數(shù)據(jù)，通過計算機處理發(fā)現(xiàn)新信息，指導用戶操作。常見的信息處理技術(shù)包括云計算、大數(shù)據(jù)[9]和智能信息處理技術(shù)。云計算技術(shù)具有規(guī)模大、可行性高、穩(wěn)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(shù)據(jù)技術(shù)可以在整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的信息挖掘和評價中發(fā)揮作用。智能信息處理技術(shù)利用人工智能技術(shù)對獲取的信息進行處理，以解決傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜問題。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點

基于上述技術(shù)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用和優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。通過傳感器組網(wǎng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息、氣象信息、作物生產(chǎn)信息的遠程、實時、精準監(jiān)測和采集，有效降低人力資源投入，為生產(chǎn)管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）設(shè)備遠程控制。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，結(jié)合現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，對環(huán)境調(diào)控設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備進行遠程控制，實現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速決策和反應(yīng)，提高管理效率。

（3）預(yù)警功能。針對不同作物、不同發(fā)育周期生長特性，進行條件閾值設(shè)置，當某一監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值，進行自動報警，實現(xiàn)對異常狀況的快速反應(yīng)。

（4）數(shù)據(jù)記錄和分析。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備作業(yè)情況的實時存儲與查看，用戶可根據(jù)歷史記錄進行輔助決策指導，實現(xiàn)有針對性的綜合信息服務(wù)，提高管理水平。

當然，作為一項新興的信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但也存在不足之處，制約著技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，具體包括：

（1）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準體系不夠完善。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多樣性及復(fù)雜性，行業(yè)尚缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準體系，導致物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器、設(shè)備接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)模型等標準不一，國家應(yīng)盡快制定框架技術(shù)標準體系，統(tǒng)一技術(shù)標準和評價體系，構(gòu)建全網(wǎng)統(tǒng)一的運營平臺。

（2）產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完善。國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈完善度與發(fā)達國家之間還存在較大差距，需要芯片商、傳感器設(shè)備商、系統(tǒng)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(shù)人才欠缺。技術(shù)推廣不到位，制約物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方向的發(fā)展和應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

優(yōu)化創(chuàng)新農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)

信息感知技術(shù)的發(fā)展是促進物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)關(guān)鍵，是對物聯(lián)網(wǎng)信息感知應(yīng)用的重要技術(shù)基礎(chǔ)。為了進一步提高對物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)的實際應(yīng)用和效果，應(yīng)該對物聯(lián)網(wǎng)傳感器和其相應(yīng)的信息感知技術(shù)進行創(chuàng)新及應(yīng)用優(yōu)化，針對某些特殊作物需要研究出有針對性的物聯(lián)網(wǎng)傳感器[10]。同時還應(yīng)重點研究開發(fā)具有高靈敏度、高環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，并向農(nóng)業(yè)模塊化、微型化、智能化的方向快速發(fā)展，攻克傳統(tǒng)的制造技術(shù)，完善制造技術(shù)工藝，提高對環(huán)境的適應(yīng)性和檢測的準確性，在新生物材料技術(shù)應(yīng)用的水平上，生產(chǎn)制造技術(shù)工藝與產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)，也都需要逐步形成明顯的市場競爭和優(yōu)勢。

深入發(fā)展農(nóng)業(yè)智能信息處理技術(shù)

通過大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，深入研究深度機器學習的算法，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]、遷移學習[13]等算法用在農(nóng)業(yè)作物的形態(tài)學[14]、病態(tài)學[15]、生長環(huán)境信息學等相關(guān)技術(shù)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(tǒng)的機器學習技術(shù)相比，深度機器學習技術(shù)可以更好地分析和提取現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域所采集得到的圖像和各種生物學特征的深度結(jié)構(gòu)化檢測數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械有效地結(jié)合，更好地支持現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域智能機械和自動化裝備的有效應(yīng)用發(fā)展。

規(guī)范農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序涉及的硬件類別廣泛、標準缺乏相互統(tǒng)一，導致農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)接口和設(shè)備的系統(tǒng)相互兼容性存在很大的問題。不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序需要不同應(yīng)用類型的軟件開發(fā)以及不同應(yīng)用類型的數(shù)據(jù)中心硬件接口和設(shè)備的相互兼容性，難度明顯有所增加，后期難以繼續(xù)擴展。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重點任務(wù)是建立統(tǒng)一標準化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和接口標準，研究與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)標準和能夠在行業(yè)實際應(yīng)用的標準，能夠有效促進不同的網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的相互融合和發(fā)展。進一步掌握農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在中國農(nóng)業(yè)信息市場的地位和控制權(quán)，加強與國際的合作，積極參與推進國際標準體系建設(shè)，借鑒和推廣引進國際先進的標準。

降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成本 加強建設(shè)相關(guān)平臺設(shè)施

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)配套應(yīng)用平臺的建設(shè)和應(yīng)用可以很大程度上幫助廣大農(nóng)民更好地開展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工作。目前，物聯(lián)網(wǎng)平臺相關(guān)配套應(yīng)用設(shè)備的價格偏高，不利于物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)和建設(shè)，應(yīng)該適當降低平臺設(shè)備的價格和成本。目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛，存在與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測服務(wù)對象直接結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在缺陷的問題以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍相對不足的技術(shù)安全問題。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺功能的完整性和應(yīng)用的全面性，直接影響農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的安全性和實際效果。因此相關(guān)技術(shù)管理部門的建設(shè)應(yīng)該綜合考慮農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的功能自動化、智能化和系統(tǒng)集成化，為了最大限度地保障和提高物聯(lián)網(wǎng)工作應(yīng)用環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性，要及時建立和調(diào)動起各相關(guān)技術(shù)部門之間的有效協(xié)作聯(lián)系，提高對物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)信息和數(shù)據(jù)的綜合處理分析能力，保證農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以更加高效地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù)。

加強配套專業(yè)人才隊伍建設(shè)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)取得了長足的發(fā)展和進步，各行各業(yè)對于物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)需求都很大。物聯(lián)網(wǎng)的跨領(lǐng)域?qū)W科技術(shù)特性直接決定了復(fù)合型物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需要的物聯(lián)網(wǎng)人才必須是一批具有多領(lǐng)域、多學科知識背景的專業(yè)復(fù)合型人才，要求首先要完善多層次、多學科類型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)和就業(yè)服務(wù)體系；其次，積極支持高校、科研院所、企業(yè)加強物聯(lián)網(wǎng)跨領(lǐng)域?qū)W科的融合，加強高校物聯(lián)網(wǎng)重點學科建設(shè)，培養(yǎng)一批復(fù)合型的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)專業(yè)人才；第三，積極支持物聯(lián)網(wǎng)實訓基地的建設(shè)，鼓勵高校和企業(yè)加強合作，發(fā)揮專業(yè)學會和協(xié)會的作用，加強對物聯(lián)網(wǎng)的技能和業(yè)務(wù)培訓，從而提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的水平，加強配套專業(yè)人才隊伍的建設(shè)。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施園藝領(lǐng)域應(yīng)用

圖2 設(shè)施生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 環(huán)境參數(shù)獲取設(shè)備圖

隨著國內(nèi)城市化進程的發(fā)展，“都市型農(nóng)業(yè)”獲得了前所未有的發(fā)展機遇，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和面積得到了快速增長，目前中國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超過400 萬hm2，位居世界第一位。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)技術(shù)水平也得到了迅速提升，新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施生產(chǎn)中得到了逐步應(yīng)用，形成了設(shè)施生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用新模式，利用不同的環(huán)境、生理等傳感器，準確采集環(huán)境因子和作物生長信息，然后通過計算機數(shù)據(jù)分析及決策模型，由計算機發(fā)出指令，使設(shè)備按規(guī)律運行，調(diào)節(jié)設(shè)施溫度、濕度、光照、CO2濃度等參數(shù)到作物適宜的生長范圍，在一定程度上擺脫設(shè)施生產(chǎn)對自然環(huán)境的依賴，如圖2 所示。

國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心在青海省互助國家高原現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園中的溫室搭建了設(shè)施環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)施環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)、室外氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、無線植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻語音對講系統(tǒng)、DID 液晶大屏幕顯示系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)遠程控制系統(tǒng)。作物生長及環(huán)境信息綜合獲取部分用于獲取室外氣象、室內(nèi)土壤及空氣環(huán)境、作物生理及健康狀況等信息，為精確控制提供數(shù)據(jù)支撐，如圖3～4 所示。數(shù)據(jù)傳輸及云存儲部分采用無線及遠程傳輸技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場級和云端的遠程傳輸及存儲，可提供基于WEB 端和移動設(shè)備端的服務(wù)，如圖5 所示。設(shè)施環(huán)境控制部分基于獲取的環(huán)境和作物信息進行決策，對現(xiàn)場環(huán)境調(diào)控設(shè)備進行有效控制，實現(xiàn)多參數(shù)信息耦合的溫室環(huán)境智能化調(diào)控，如圖6 所示。

生產(chǎn)實踐證明，通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，園區(qū)設(shè)施生產(chǎn)收入得到了有效提升，扣除新增成本，純收入增加15% 左右，節(jié)水30% 左右，節(jié)約藥、肥20% 以上，人工投入大幅度降低，生產(chǎn)經(jīng)營管理科技水平得到了明顯的提升，體現(xiàn)了非常好的應(yīng)用效益和效果。

圖4 視頻監(jiān)控設(shè)備圖

圖5 環(huán)境信息數(shù)據(jù)展示界面

圖6 溫室環(huán)境自動監(jiān)測控制系統(tǒng)圖

總結(jié)

中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)4.0 時代的形成和發(fā)展需要充分利用互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，加快其從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型。具體來說，應(yīng)該以移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，重點突破農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所涉及的數(shù)據(jù)采集、高效存儲、處理分析、深度挖掘應(yīng)用等核心技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、采后加工、儲運、流通、銷售服務(wù)等全過程的自動化監(jiān)控和信息化管理，節(jié)省人力資源，提高效率和產(chǎn)出。設(shè)施園藝是勞動技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，具有高效、集約、可控和可持續(xù)發(fā)展的特征，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標志之一，是未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)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(shè)施園藝迅猛發(fā)展。為設(shè)施園藝可以得到長足發(fā)展，仍需加強政策引導，優(yōu)化設(shè)施園藝發(fā)展環(huán)境；明確各地區(qū)發(fā)展目標，促進設(shè)施園藝的高水平發(fā)展；加強科技研發(fā)，提高自主創(chuàng)新能力；注重人才培養(yǎng)，為設(shè)施園藝健康可持續(xù)發(fā)展提供人才保障。未來，應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)全方位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科研數(shù)據(jù)的獲取與分析，通過深入挖掘數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能調(diào)控模型，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)作業(yè)和管控系統(tǒng)以及智能化裝備的廣泛應(yīng)用，提高作業(yè)水平和管理決策效率，為推動未來國內(nèi)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平發(fā)展進步創(chuàng)造更多價值。