農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究_葛文杰

1、2014年7月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報第45卷第7期doi:106041jissn10001298201407035農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)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(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶1633192北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京1000973農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)摘要:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成和綜合運(yùn)用，對我國農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展具有重要引領(lǐng)作用，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)

2、向智能化、精細(xì)化方向的轉(zhuǎn)變。本文對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念和技術(shù)體系構(gòu)成進(jìn)行了分析，總結(jié)了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要問題，從研究重點(diǎn)、發(fā)展布局、推進(jìn)路徑、應(yīng)用模式和可持續(xù)發(fā)展機(jī)制等方面，提出了我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的對策。關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展對策中圖分類號:S126文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)基金資助項(xiàng)目(61134011)和北京農(nóng)科院創(chuàng)新能力建設(shè)資助項(xiàng)目(KJCX20140203)作者簡介:葛文杰，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成技術(shù)應(yīng)用研究，Email:gewenjie0621@163com通訊作者:趙春江，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究，Email:zhaocj@nercitagcn引言物聯(lián)網(wǎng)概念于1999年由美國麻省理工學(xué)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(lián)網(wǎng)迅速得到很多國家的高度關(guān)注［2］。2009年，歐盟提出“物聯(lián)網(wǎng)行動計劃”，日本政府啟動“iJapan戰(zhàn)略2015”，韓國頒布《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》［3］。我國高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要組成內(nèi)容，采取了多項(xiàng)政策性措施全面推動其在各行業(yè)應(yīng)用發(fā)展［4－5］。2013年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并啟動實(shí)施包括頂層設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用推

5、廣、產(chǎn)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(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動計劃。農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合，對改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要意義［3－7］。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備，按照約定協(xié)議，把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬“物件”與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)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(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“人機(jī)物”一體化互聯(lián)，可幫助人類以更加精細(xì)和動態(tài)的方式認(rèn)知、管理和控制農(nóng)業(yè)中各要素、各過程和各系統(tǒng)，極大提升人類對農(nóng)業(yè)動植物生命本質(zhì)的認(rèn)知能力、農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)控能力和農(nóng)業(yè)突發(fā)事件的處理能力。目前，世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究廣泛深入，但應(yīng)用上總體處于試驗(yàn)示范階段，本文對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題和發(fā)展對策進(jìn)行探討［3，5］。1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究進(jìn)展1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層和

7、應(yīng)用層構(gòu)成(如圖1)［6］。其中感知層由各種感知器和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)對土壤水分、苗情長勢等農(nóng)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(shù)據(jù)信息，通過有線或無線方式傳輸?shù)綉?yīng)用層應(yīng)用層主要進(jìn)行信息處理、建模和決策，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的管理控制［6］。1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)感知技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，傳感器是感知技術(shù)的核心［6］。近年來，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)發(fā)展很快(表1)，概括起來主要包括農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器［8－32］和農(nóng)

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(diǎn)［7］。從原理方法上，電子和電磁學(xué)方法用于測量土壤電阻、電導(dǎo)率、電容等參數(shù)，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(chǎn)品農(nóng)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(jī)活性分子病害信息蟲害信息莖稈強(qiáng)度種子活力

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

10、機(jī)械學(xué)電子學(xué)，機(jī)械學(xué)，光學(xué)光學(xué)(透射、反射)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究遙感尺度有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品SIT，PTM48SIT，PTM48SIT，PTM48LICOＲ，LAI2200TPCBⅣAHKZYMJCPHYTALKPM11zＲOOTVIZLI6400LAI2000GreenSeekerDＲDDSC1SPAD50

11、2農(nóng)業(yè)動物生命信息傳感器［18，35，38，52－53］體溫耳溫運(yùn)動量取食量疾病信息體重光學(xué)(熱紅外)熱電學(xué)電磁學(xué)(加速度傳感器)電磁學(xué)(加速度傳感器)介電頻譜或熒光傳感電子與電磁學(xué)無專用產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品OMEGA，TQ101農(nóng)產(chǎn)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(nèi)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(nóng)藥重金屬殘留

12、光學(xué)(機(jī)器視覺)光學(xué)光學(xué)(近紅外光譜)光學(xué)電化學(xué)機(jī)械學(xué)光學(xué)(機(jī)器視覺光譜成像)電化學(xué)(氣味傳感)光學(xué)(拉曼光譜)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究InVision5000MINOLTACL200ATasteTechT1NirecoImes950Arias500METTLEＲTOLEDOFE20TAXTplusInVision7000＆9000AirsensePEN3LabＲAMＲamTracer涉農(nóng)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(xué)電子與電磁學(xué)電子與電磁學(xué)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)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(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量［10，13，29］電化學(xué)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(fù)雜、物理化學(xué)性質(zhì)各異，土壤氮素的快速和原位測量傳感器是國際