農業(yè)物聯網研究與應用現狀及發(fā)展對策研究_葛文杰

1、2014年7月農業(yè)機械學報第45卷第7期doi:106041jissn10001298201407035農業(yè)物聯網研究與應用現狀及發(fā)展對策研究葛文杰1趙春江2，3(1黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶1633192北京農業(yè)信息技術研究中心，北京1000973農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京100097)摘要:農業(yè)物聯網是新一代信息技術在農業(yè)領域的高度集成和綜合運用，對我國農業(yè)信息化發(fā)展具有重要引領作用，改變了傳統農業(yè)生產方式，促進了農業(yè)

2、向智能化、精細化方向的轉變。本文對農業(yè)物聯網概念和技術體系構成進行了分析，總結了國內外農業(yè)物聯網感知技術、通訊傳輸技術和應用關鍵技術的研究進展，分析了我國農業(yè)物聯網發(fā)展的主要問題，從研究重點、發(fā)展布局、推進路徑、應用模式和可持續(xù)發(fā)展機制等方面，提出了我國農業(yè)物聯網應用發(fā)展的對策。關鍵詞:農業(yè)物聯網傳感器發(fā)展現狀發(fā)展對策中圖分類號:S126文獻標識碼:A文章編號:10001298(2014)07022209收稿日期:20140507修回日

3、期:20140601國家自然科學基金資助項目(61134011)和北京農科院創(chuàng)新能力建設資助項目(KJCX20140203)作者簡介:葛文杰，博士生，主要從事農業(yè)物聯網集成技術應用研究，Email:gewenjie0621@163com通訊作者:趙春江，研究員，博士生導師，主要從事農業(yè)信息化工程技術研究，Email:zhaocj@nercitagcn引言物聯網概念于1999年由美國麻省理工學院提出［1］。2008年底，IBM向美國政府提

4、出“智慧地球”戰(zhàn)略后，物聯網迅速得到很多國家的高度關注［2］。2009年，歐盟提出“物聯網行動計劃”，日本政府啟動“iJapan戰(zhàn)略2015”，韓國頒布《物聯網基礎設施構建基本規(guī)劃》［3］。我國高度重視物聯網技術發(fā)展，將物聯網作為國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)的一項重要組成內容，采取了多項政策性措施全面推動其在各行業(yè)應用發(fā)展［4－5］。2013年，國務院發(fā)布《關于推進物聯網有序健康發(fā)展的指導意見》，并啟動實施包括頂層設計、標準制定、技術研發(fā)、應用推

5、廣、產業(yè)支撐、商業(yè)模式、安全保障、政策法規(guī)和人才培養(yǎng)等方面的10個物聯網發(fā)展專項行動計劃。農業(yè)是物聯網重要的應用領域，物聯網技術與農業(yè)生產、經營、管理、服務全產業(yè)鏈的深度融合，對改造傳統農業(yè)、提升農業(yè)現代化水平具有重要意義［3－7］。農業(yè)物聯網是指通過農業(yè)信息感知設備，按照約定協議，把農業(yè)系統中動植物生命體、環(huán)境要素、生產工具等物理部件和各種虛擬“物件”與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現對農業(yè)對象和過程智能化識別、定位、跟蹤、

6、監(jiān)控和管理的一種網絡。農業(yè)物聯網“人機物”一體化互聯，可幫助人類以更加精細和動態(tài)的方式認知、管理和控制農業(yè)中各要素、各過程和各系統，極大提升人類對農業(yè)動植物生命本質的認知能力、農業(yè)復雜系統的調控能力和農業(yè)突發(fā)事件的處理能力。目前，世界范圍內農業(yè)物聯網技術研究廣泛深入，但應用上總體處于試驗示范階段，本文對農業(yè)物聯網研究與應用現狀、問題和發(fā)展對策進行探討［3，5］。1農業(yè)物聯網技術研究進展1.1農業(yè)物聯網技術組成農業(yè)物聯網由感知層、傳輸層和

7、應用層構成(如圖1)［6］。其中感知層由各種感知器和傳感器節(jié)點組成，實現對土壤水分、苗情長勢等農業(yè)對象或動植物行為等過程的信息獲取傳輸層主要是將感知層獲取的各類數據信息，通過有線或無線方式傳輸到應用層應用層主要進行信息處理、建模和決策，實現對農業(yè)生產過程的管理控制［6］。1.2農業(yè)物聯網感知技術感知技術是農業(yè)物聯網的關鍵，傳感器是感知技術的核心［6］。近年來，農業(yè)傳感器技術發(fā)展很快(表1)，概括起來主要包括農業(yè)環(huán)境傳感器［8－32］和農

8、業(yè)動植物本體(生命)信息傳感器［8，33－53］。目前，光溫水氣熱等常規(guī)環(huán)境傳感器已比較成熟，土壤傳感器是研究的重點［7］。從原理方法上，電子和電磁學方法用于測量土壤電阻、電導率、電容等參數，但受土壤組成影響較大［9，13，19］通過電磁波測量土壤續(xù)表1分類測量信息采用測量原理方法成熟度代表性產品農作物生命信息傳感器［33，36，40－43，48－50］葉片溫度冠層溫度葉片濕度作物氮素離子濃度有機活性分子病害信息蟲害信息莖稈強度種子活力

9、果實膨大莖稈微變化根系生長光合呼吸蒸騰速率葉面積指數歸一化植被指數劍葉夾角畝穗數穗粒數小穗數稻瘟病孢子生物量植株含水量莖稈直徑氣孔導度作物葉綠素熱電學熱電學，光學(熱紅外)電磁學光學(熒光)電化學電化學(生物傳感)光學(遙感尺度)光學(光子計數)，光學遙感電子與電磁學電子與電磁學(介電頻譜)機械學(位移傳感)機械學(位移傳感)射線成像電子學，機械學，光學光學光學光學(機器視覺)光學(機器視覺)光學(機器視覺)，機電學光學，力學核磁共振學

10、機械學電子學，機械學，光學光學(透射、反射)有產品有產品有產品有產品實驗室研究實驗室研究遙感尺度有產品有產品實驗室研究有產品有產品有產品有產品有產品有產品實驗室研究實驗室研究實驗室研究實驗室研究實驗室研究有產品有產品有產品SIT，PTM48SIT，PTM48SIT，PTM48LICOＲ，LAI2200TPCBⅣAHKZYMJCPHYTALKPM11zＲOOTVIZLI6400LAI2000GreenSeekerDＲDDSC1SPAD50

11、2農業(yè)動物生命信息傳感器［18，35，38，52－53］體溫耳溫運動量取食量疾病信息體重光學(熱紅外)熱電學電磁學(加速度傳感器)電磁學(加速度傳感器)介電頻譜或熒光傳感電子與電磁學無專用產品實驗室研究實驗室研究實驗室研究有產品OMEGA，TQ101農產品信息傳感器［8，34，37，39，44－45，51］顏色大小形狀在線檢測色度計組分含量(糖度酸度硬度內部缺陷等)在線檢測糖度計酸度計硬度計缺陷損傷病害在線檢測新鮮度成熟度農藥重金屬殘留

12、光學(機器視覺)光學光學(近紅外光譜)光學電化學機械學光學(機器視覺光譜成像)電化學(氣味傳感)光學(拉曼光譜)有產品有產品有產品有產品有產品有產品有產品實驗室研究實驗室研究InVision5000MINOLTACL200ATasteTechT1NirecoImes950Arias500METTLEＲTOLEDOFE20TAXTplusInVision7000＆9000AirsensePEN3LabＲAMＲamTracer涉農其他傳感器

13、［12，15，30］位置識別物體識別壓力信息電子與電磁學電子與電磁學電子與電磁學有產品有產品有產品美國天寶，JunoSCDEMATICMettlerToledo，SBC電磁反射或吸收能量水平的方法可對土壤結構和物理化學性質進行測量［10，13，29］電化學方法(通過離子選擇性膜電極與被測離子溶液間的電位輸出)可測量土壤中的某些離子，但需依賴一定的制樣過程［13］。由于土壤的組成復雜、物理化學性質各異，土壤氮素的快速和原位測量傳感器是國際